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传感器原理及工程应用设计

传感器原理及工程应用设计传感器原理及工程应用设计(论文)压电传感器在动平衡测量系统中的设计与应用学生姓名:李梦娇学号:20094073231所在学院:信息技术学院专业:电气工程及其自动化(2)班中国·大庆2011年12月摘要传感器是动平衡测量系统中的重要元件之一, 是一种将不平衡量产生的振动信号不失真地转变成电信号的装置。

利用压电式力传感器作为动平衡测量系统中的敏感元件来测量不平衡质量引起的振动。

重点阐述了该压电式力传感器的结构设计、安装位置设计及振动信号检测中的关键问题。

同时, 详细分析了该传感器的信号调理电路特点。

现场实验结果表明, 设计的压电式力传感器在动平衡测量中的性能良好。

动平衡处理是旋转部件必须采取的工艺措施之一, 以单片机为核心的动平衡测量系统将逐步取代常规动平衡仪。

关键词:动平衡振动信号压电式力传感器调理电路测量系统单片机ABSTRACTAs one of the important elements in the dynamic balancing measurement system, transducer is the device that converts the vibration signal caused by the mi balance into electrical signal without distortion. The piezoelectric pressure transducer is app lied to dynamic balancing measurement system formeasuring the vibration caused by mi balanced mass. The structure design and the installation location of the piezoelectric force transducer and the critical issues in vibration signal detection are expounded. The characteristics of the signal conditioning circuit ofthis transducer are analyzed in detail. The experimental results show that the performance of the piezoelectric pressure transducer offers excellent performance in dynamic balancing measurement. The dynamic equilibration measurement is one of the main technological steps to betaken for all the swiveling part s. T he conventional dynamic equilibration measurement system is being replaced by a new o ne based on a monolithic computer.Keyword:dynamic balance vibration signal Piezoelectric force transducer Conditioning circuit Measurement system Monolithic computer目录前言动平衡测量是将转子不平衡离心力产生的振动信号, 通过传感器转换成电信号, 经前置滤波、放大、A /D转换后, 由信号处理得到转子不平衡量信息。

其中, 获取高质量的振动信号是保证高精度动平衡测量的首要环节。

因此, 作为测振系统重要部件之一的传感器, 其选择至关重要。

目前, 国内外动平衡机中广泛采用压电加速度传感器作为敏感器件来测量不平衡质量引起的振动, 由于这种传感器是测量振动的加速度值, 而在位移幅值相同时,加速度值与信号的频率平方成正比。

所以对于低频段的信号而言, 加速度值可能会相当小, 而对于高频段的信号,加速度值则可能会很大。

例如:对于振动位移1mm、频率1H z 的低频信号, 其加速度值仅为0. 04m / s2; 而对振动位移0. 1 mm、频率10 kHz 的高频信号, 其加速度值则可达4@105 m / s2 [ 1]。

所以加速度传感器不适合测量高低两端频率的振动信号。

由于本动平衡测量系统的平衡转速设计为220 r/m in, 对应信号频率为3. 67H z的低频信号, 设计中考虑采用压电式力传感器来测量周期性离心力经振动系统传递后的振动信号。

这种传感器结构简单、制作方便、灵敏度高、频率特性好, 尤其是其刚度和谐振频率较高, 保证了振动力的无损失传递,特别适用于动态测量。

针对本设计的新型动平衡测量系统, 制作了一种压电式压力传感器。

重点讨论了传感器的结构设计、安装位置和传感器信号调理电路的设计, 并进行了现场实验。

常规动平衡仪以分立元件为核心、微安表指示,或者采用光点瓦特计。

近几年来, 以单片机为核心的智能式测量系统正逐步取代微安表、光点瓦特计测系统, 成为新一代的动平衡测量系统。

本文介绍098 单片机在动平衡测量中的应用方法。

1 压电传感器的结构设计和测量原理1.1 压电传感器的结构设计压电式力传感器的结构如图1所示, 主要由上盖板、密封圈、绝缘片、压电陶瓷片组、电极、绝缘套、壳体、底座等组成。

为避免传感器本身应变传递到压电元件上输出虚假信号而影响传感器的灵敏度, 上盖板、壳体及底座均采用了刚度较大的高强度镍铬钢; 绝缘套材料为聚乙烯; 2片陶瓷片作为绝缘片隔离上盖板和压电陶瓷片组; 电极材料为导电性能良好的铜, 其形状和大小与压电陶瓷片一致; 压电陶瓷片组由2片几何尺寸完全相同(直径16mm, 厚度1mm)的PZT(锆钛酸铅)圆片形压电陶瓷并联组成。

图1 压电传感器结构示意图Fig. 1 The structure of piezoelectric transducer1.2 压电传感器尺寸参数确定压电式力传感器应该具有足够的承载能力、较高的固有频率和绝缘电阻, 对于压电陶瓷片半径r 和厚度t的设计要着重考虑。

参考压电石英参数的确定原则[ 2]:{R=p PR F 1(1)式中: F 1 为传感器所能承受的极限载荷, 主要包括传感器的预载(最大被测载荷的1 /8)及传感器承载面上所能承受的最大过载载荷(过载系数取1. 5); Rp 为压电陶瓷片的抗压强度极限。

同时, 由该动平衡测量系统的结构特点可知, 压电传感器承受的动态载荷力和不平衡离心力以及振动系统几何参数的关系为[ 3- 4]:)cos()cos()(2212211A Xt A RX M Xt A RX M F F S L R ++=-=22F S R M )cos()cos(4232A Xt A RX M Xt A RX L ++ (2) 式中:1S 、2S 、1A 、2A 、3A 、4A 振动系统的几何参数;L M 、R M 为左右校正面上的不平衡质量; X 为转子旋转角速度; R 为待测工件的旋转半径;1F 、2F 为两个传感器所受动态载荷力。

该系统设计测量的最大不平衡量为400 g, 由式( 2)可得到作用在传感器承载面上的最大载荷。

压电陶瓷片的抗压强度极限取120 N /mm2, 则压电陶瓷片的半径由式( 1)计算为8 mm 。

综合压电陶瓷片的抗弯强度、传感器的固有频率及绝缘阻抗几个因素, 其厚度t 选取为1mm 。

1. 3 测量原理压电传感器的工作原理为: 待测转子旋转时, 由于不平衡质量而产生周期性的离心力, 使得振动系统做受迫机械振动, 其振动频率与转子旋转频率相同, 振动幅值与不平衡量成正比。

该交变的周期性振动力作用在压电传感器上, 根据压电效应, 将压力转换成电荷, 经后续调理电路及数字信号处理可以获得转子的不平衡量信息。

当上述压力作用在压电传感器上时, 因为两片压电陶瓷片并联, 所以产生的电荷为:F d Q 332= (3)式中: 33d 为压电晶片的压电系数。

两个传感器所受动态力分别为:)sin()(1211H Xt RX m t F += (4))sin()(2222H Xt RX m t F += (5)所以两个压电传感器输出的电荷分别为:)sin(2121331H Xt X m d Q += (6))sin(2222332H Xt X m d Q += (7)传感器输出电容为:tEPD C 22= (8) 式中: E= 1 500*1110- F /m 为压电陶瓷片的介电常数D = 16mm 为压电陶瓷片直径; t= 1 mm 为压电陶瓷片厚度; 故代入公式t EPD C 22=中,得C= 6.03 nF 。

2 系统组成2. 1传感器安装位置设计双面动平衡测量中, 作为测振元件的两个传感器的测量值之间相互关联, 相互制约。

每个传感器的测量值均受两个校正平面上不平衡离心力共同影响,单个校正平面上的校正质量须通过平面分离方程对两个传感器的测量值解耦获得。

对于常规的待测工件,其左右校正平面位于两支中间的简支梁结构形式或左右校正平面位于两支承外侧的外悬结构形式的动平衡测量系统, 两传感器安装在不同测量平面, 其承受的动态载荷力相差很大, 而且周围环境诸如噪声、温度和湿度等对传感器的影响不同。

关联程度越高对测量结果的影响越大, 则平面分离程度越低。

以图2( a)所示的外悬结构形式为例进行说明。

设:)()cos(2t v Xt R mX F += (9)式中: m 为不平衡质量;R mX 2 为不平衡质量引起的离心力; X 为转子旋转角速度; v( t)为各种噪声及其它干扰。

根据力矩平衡关系得到两传感器受到的载荷力分别为:22211)]()cos([L t v Xt R mX FL L F +== (10)))](()cos([)(1122112L L t v Xt R mX L L F L F ++=+= (11)由式( 10)和式( 11)可知, 各种噪声和干扰对两个传感器的影响差别很大, 导致两传感器的灵敏度变化不一致, 长此以往, 两传感器的性能差别变大, 导致测量的重复性降低和一次不平衡降低率增加。

综上所述, 将两个传感器安装在同一测量平面内, 如图2( b)所示。

分别测量主轴套筒相对于横梁的动态载荷力以及横梁相对于机座的动态载荷力, 这样噪声和干扰对在同一测量平面内传感器的力矩作用相同。

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