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

ABSTRACT

As 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 of

this 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

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 transducer

1.2 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:

EPD C 22

= （8）式中: E= 1 500*11

10- 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。这种安装方式下可以保证噪声、温度和湿度等环境因素对于两个传感器的影响基本相同, 其灵敏度和性能变化一致, 从而保证了系统的

测量精度。

图2 传感器安装示意图

Fig. 2 The installation of transducer

2.2系统组成原理

I.根据测量原理构成的以8098 单片机为核心的动平衡测量系统如图所示。振动传感器测出支承上的动载荷, 经振动信号处理电路放大、滤波, 得到与转子转动同频率的正弦信号和方波信号送8098 单片机, 完成振动信号的幅值和相位测量。光电传感器测出转子的转速信号, 经光电信号处理电路进行信号变换、锁相倍频后, 分别送振动信号处理电路和8098 单片机, 前者用于跟踪滤波, 后者用于测量振动信号

的频率( 转速) 及振动信号的幅值、相位。根据这些测量值, 由软件计算出左、右校正面不平衡量的大小和相位, 送LED

数码显示器显示。

动平衡测量系统组成框图

3 信号调理电路设计

3.1 传感器信号的条例电路

虽然压电传感器具有结构简单、灵敏度高及频率特性好的特点, 比较适合动态

测量。但由于其线性范围较窄、输出阻抗较高、输出电压微弱。为保证动平衡

测量的精度, 对信号调理电路的设计提出了更高的要求。信号调理电路主要对

两个压电传感器输出的信号进行电荷放大, 滤波, 最后送入微处理器的A /D。

两个传感器的信号调理电路基本相同, 现仅对其中一个传感器的信号调理电路

进行设计分析, 如图3所示。

图3 传感器信号调理电路

Fig. 3 Signal conditioning circuit of the transducer 为保证调理电路具有较好的放大、选频滤波特性。选用宽带宽、高频响的LMC660集成运放。它具有如下特点: 单电源供电降低了电源成本而且具有较高

的带宽和较大的输入阻抗。另外, LMC660为轨对轨输出, 其输入偏置电压、温漂、宽带噪声抑制等均优于同类双电源供电的集成运放。可以抑制电路的零漂

及其受环境因素的影响, 有利于保证动平衡测量系统的长期稳定性。该信号调

理电路由电荷放大电路、带通滤波选频电路以及同相比例运算电路组成。第一

级为电荷放大电路, 包括A1 ( LMC660)、C1、R1。由于采用电容负反馈, 对直流工作点相当于开路, 放大器的零漂较大。为解决这个问题, 在C1 两端并联了高阻值电阻R1, 作为直流反馈电阻, 其作用为提供直流工作点, 抑制A1 的零

漂, 使电荷放大器工作稳定。由于电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关。反馈电容的选择很关键。选择不同容量的反馈电容, 前置级的输出大小也不同。在设计电路时, 考虑到被测动态载荷力的范围, 同时为了避免因输入信号太大引起后级放大器饱和, 反馈电容C1 选择为0. 2 LF 。压电传感器的低频响应受电荷放大器的下限截止频率限制,f

f L C PR f 21= 中, f C 为反馈电容;f R 为反馈电阻, 选择阻值较大的反馈电阻可降低传感器的频率下限。但同时, f C 漏电阻的影响也随之增大, 另外, 阻值太大的f R 也会造成运算放大器零点及增益的不稳定。基于上述考虑, f R 取为20M8。压电传感器输出电荷为:

F d Q 332= （10）

忽略传感器固有电容、电缆电容等分布电容, 电荷放大器的输出电压:

33202C F d C Q U U -=- （11）第二级为选频电路。由于不平衡信号为低频弱信号, 各种机械振动干扰和电磁噪声往往比有用信号强得多。为将微弱不平衡信号从强干扰信号中提取出来, 选择带通滤波器处理电荷放大器的输出信号。由于动平衡机的平衡转速设计为220 r/m in, 对应压力信号频率为3. 67H z 。故在设计带通滤波器时, 中心频率f0 设为3. 67H z 。带通滤波电路由A2 ( LMC660), 电容C2、C3, 电阻R2、R3 组成, 其传输特性为:

)1)(1(3322321R SC R SC R SC A ++-==2

00165.0161.01232.0S S S ++- (12) 其幅频特性曲线如图4所示。

图4 带通滤波幅频特性图

Fig. 4 Amplitude / frequency characteristic

of band2pass filter

由图4可知, 设计电路的中心频率Hz P

P X f 6.32232===，对应转速216 r/min 。经过滤波后的不平衡信号仍然很微弱, 故在信号进入A /D 前, 对其进行了二级放大。3A ( LMC660)、4R 、5R 二级放大, 传输特性为:

9.714

52=+=R R A (13) 由于微处理器中A /D 的参考电压为4. 5 V, 要求其转换的输入信号电压大小在0~ 4. 5 V 之间,

因此, 需要对传感器输出的信号进行电平移位, 转化为0~ 4. 5 V 之间的电压信号。所以在信号进入A /D 转换前, 进行二级放大时, 对其进行电平移位。将信号零点提升到2. 25 V, 即1 /2的A /D 参考电压(Vref= 4. 5 V )。电平移位相当于引入了纯直流分量, 不会影响有用信号的还原。

3. 2 振动信号处理电路

该电路由有源低通滤波、程控放大、带通跟踪滤波和过零检测4 部分组成, 如图3—1 所示。振动传感器检测到的振动信号含有大量噪声信号, 用示波器观察, 几乎看不出有用的振动信号。为了得到有用信号, 一类方法是用硬件进行带通跟踪滤波, 另一类方法是用快速富里叶变换( FFT ) 技术,将时域采样到的振动信号, 进行时域—频域变换, 求得其频谱, 并从中选出f 0 谱线, 它就是动不

平衡所引起的振动信号[ 1] 。我们采用开关电容有源滤波集成电路构成四阶带通滤波器[ 2] , 转速信号经128 倍频后作为滤波器的外部时钟。它与其它跟踪滤波器相比, 具有稳定性高、结构简单、易于整定等优点。过零检测完成波形变换, 将振动信号变换为方波, 得到振动信号的相位点, 为单片机进行相位测量提供方便。

3.3 光电信号处理电路

该电路主要由光电隔离、整形和锁相倍频组成,如图3—1 所示。它将光电接近开关检测到的主轴( 工件) 转速信号变换为方波送单片机, 用于测量转速( 即振动信号周期) , 并将其128 倍频后作为跟踪滤器的外部时钟。

3. 4 8098 单片机系统

8098 单片机系统除8098 芯片外, 还需扩展EPROM、RAM、EEROM、键盘和显示器。EPROM用于存放测量程序, RAM 用于暂存数据, EEROM用于保存定标参数, 键盘用于定标、检查时输入参数, 显示器分为数码显示器和指示灯二部分, 前者用于显示不平衡量, 后者用于显示工作状态。

4 软件设计

以单片机为核心的动平衡测量系统的突出特点是用软件实现了常规动平衡仪中用硬件实现的许多功能。软件主要完成转速测量、振动信号测量、不平衡量计算与显示、定标、补偿等工作。工作流程如图4—1 所示。

4. 1 转速与振动信号相位测量

转速信号由HSI. 0 端输入, 振动信号经过零检测变换为方波后由HSI. 1 端输入, 测量的实现方法如下:

1) 设置HSI. 0、HSI. 1 为正脉冲触发事件。

2) HSI. 0 中断处理时, 记下HSI. 0 相邻两次中断时刻的HSI 时间寄存器读出值CN 1 和CN 2, 以及定时器1 的溢出中断次数IN 1。

3) HSI. 1 中断处理时, 记下此时的HSI 时间寄存器读出值CN 3, 以及相邻上次HSI. 0 中断以来定时器1 的溢出中断次数IN 2。在8098 中, HSI 时间寄存器的值取自内部定时器1。定时器1 为16 位计数器, 每24 个晶振脉冲计数加1, 自动循环计数[ 3] 。HSI. 0 相邻两次中断之间及HSI. 0 中断与随后的HSI. 1 中断之间, 定时器1都有可能产生溢出。IN 1、I N 2 的获取方法如下: 在HSI. 0 中断处理时, 将IN 2 清0, 读取IN 1 后, 再将IN 1 清0, 在定时器1 溢出中断处理时, 分别将IN 1、I N 2 加1。根据CN 1、CN 2、CN 3、I N 1、I N 2, 可按下式计算出转速n 和相位Φ:

min)/()1265536*1(10*606

r tp

CN CN IN n -+= πΦ2*1

265536*11365536*2CN CN IN CN CN IN -+-+=（rad ）式中, tp 为定时器1 一个计数单位对应的时间( s) 。若采用12MHz 晶振, 则tp = 2 s 。

4. 2 振动信号的幅值测量

8098 片内包含一个4 通道模拟多路转换开关、采样保持器和10 位A/ D 转换器, 振动信号由ACH4 ( P0. 4) 输入到8098 内部进行A/ D 转换。HSI. 1 的一次中断即标识上一个振动信号周期的结束和下一个振动信号周期的开始, 通过设置软件标志就可在A/ D 转换时识别振动信号的起止点。连续测量一个周期的振动信号输入值, 求得其最大值, 即可测得振动信号的幅值。

4. 3 定标

根据测得的动载荷L F 、R F 按式( 1—1) 可计算出动不平衡量L P 、R P , 但必

须先确定影响系数, 称之为定标。方法如下:

先测得左右初始振动LO F 、RO F , 然后, 只在左校正面试加重LL P , 测得左、

右振动分别为LL F 、RL F , 则LL P 引起的振动量为

△LL F =LL F -LO F △RL F =RL F -RO F

由于转子—支承系统可近似看作一个线性系统, 将L F = △LL F 、R F = △

RL F 、L P = LL P 、R P = 0 代入式( 1—1) 中得:

△LL F =LL a ·LL P △RL F = RL a ·LL P

由此即可求得LL a 、RL a 。类似地, 只在右校正面试加重RR P , 即可求出LL a 、RL a 。

定标完成后, 将影响系数及其类别号送EEROM 保存。改变平衡转子类别时, 若该类转子曾经作过定标, 则只通过键盘选择该类别号, 无需重新定标。为了提高测量精度, 软件还必须完成“标准转子”补偿、幅频特性补偿、数字滤波等。