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1、2动平衡机振动信号测量电路设计摘 要：随着动 平 衡 和 科 学 技 术 的 飞 速 发 展 ，各 种 旋 转 机 械 的 转 速 越 来 越 高 ，转 子动 平 衡 问 题 在 生 产 实 践 中 显 得 越 来 越 重 要 ，动 平 衡 机 是 进 行 动 平 衡 试 验 和 校 正 的设 备 。测 量 系 统 是 平 衡 机 的 重 要 环 节 ，随 着 数 字 信 号 技 术 和 计 算 机 技 术 等 的 高 速 发展 ，平 衡 机 测 量 系 统 得 到 了 迅 速 发 展 。而 国 产 动 平 衡 机 测 量 系 统 水 平 落 后 。本 课 题研 究 了 新 型 高 精 度 测
2、 量 系 统 。本 文 首 先 分 析 了 转 子 动 平 衡 机 振 动 信 号 产 生 的 原 理 ，主要研究了基于 C8051F020 的振动信号测量系统。采用压电传感器作为振动测量元件，设计了电荷放大器、由两个程控增益放大器 AD603 组成的可调增益放大电路、自动跟踪带通虑波器、C8051F020 主控制器接口电路等硬件电路。用 C8051F020 的 12 位 ADC0进行数据采集。该测量系统具有较高精度、 较强的抗干扰能力、 测量范围宽、通用性较好等优点。关键词：动平衡机；测量系统；单片机；带通滤波器3目 录 摘要 .11 课题背景及意义 .41.1 动平衡机振动测量的意义与课题
3、背景 .41.2 动平衡机振动信号产生的原理 .52 动平衡机振动信号测量系统方案 .62.1 测量系统总体结构 .62.2 振动信号处理电路方案 .72.3 系统的硬件构成 .82.3.1 传感器种类与选择 .82.3.2 压 电 式 压 力 传 感 器 的 工 作 原 理 与 选 用 .82.3.3 微处理器的选取 .103 振动信号处理电路设计 .123.1 振动信号的电荷放大电路设计 .123.2 程控增益放大电路 .133.2.1 程控增益放大器 .133.2.2 程控增益放大电路设计 .143.3 跟踪带通滤波电路设计 .153.4 传感器输出信号处理电路设计 .174 总结与展望
4、 .19参考文献： .2141 课题背景及意义1.1 动平衡机振动测量的意义与课题背景在造成旋转机械异常状态的各种原因中，失衡所占的比重是最多的，一般情况下约占 30%,高速旋转机械所占的比重更大。所以，正确校正失衡是一项非常重要的实用技术。而转子的不平衡是旋转机械的主要激振源，也是多种自激振动的触发因素。不平衡会引起转子绕曲和内应力，使机器产生振动和噪声，加速轴承等零件的磨损，降低机器的工作效率，有时甚至会引起各种严重的事故。据统计，由于不平衡原因而引起的振动故障约占机器总故障 24%。对于高速旋转的机械，由于不平衡原因引起的振动十分显著。消除或减小机器振动首先考虑是对转子进行平衡。消除或减
5、小机器旋转零部件因失衡而引起的不平衡惯性力，使机器的振动限制在容许的范围内。动平衡机是教学实验、工程测试中的重要设备，它专用于对转子不平衡的测试，能够比较准确迅速地测出工件的不平衡量大小和该不平衡量在工件上的角度位置。旋转机械是电力、石油化工、交通、冶金、机械、航空以及一些军事部门的关键设备。随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度的进一步提高，旋转机械正朝着大型化、高速化、连续化、集中化、自动化方向发展，生产系统中各设备的联系越来越紧密，由于各种因素的影响，这些机械难免会出现一些故障现象，而且机组一旦出现故障就可能引起连锁反应，导致整个设备甚至整个生产过程无法正常工作，造成巨大的经济损失，
6、甚至还会引起严重的灾难性人员伤亡事故，这主要是转子的不平衡引起的。根据动平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。动平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。因此，展开振动及动平衡的研究具有重要的意义。动平衡机的出现已有 1 0 0 多年的历史，直到 2 0 世纪 4 0 年代，几乎所有的平衡工序都在纯机械式的平衡设备上进行，而电子技术的发展促进了平衡技术的变革。到了 5 0 年代，在刚性转子平衡理论基础完善的同时， 9 0 %以上的平衡设备都利用了电子测量技术。如今在电子技术的基础上
7、，由于计算机的广泛应用，使动平衡的研究更加深入。因此开发计算机辅助测量系统，能以较低的成本取得较好的测量效果。传统的测试系统主要是采用矢量瓦特表式平衡机和振动幅相测量仪加专用的计算机。不仅测试系统复杂，而且测量精度低，工作效率可想而知。之后，国内外研制出5了一些微机控制的动平衡测试装置，如西德申克公司、劳特林格公司在 90 年代初生产的微机平衡装置，国内郑州机械研究所研制出的 APPLE II 微机辅助平衡系统和清华大学研制的单板机控制的动平衡测试仪。目前，由于具有体积小、功能强、用途广、使用灵活、价格便宜、工作可靠等优点的单片机的应用，使得广大工程技术人员具有了现代化的技术革新的强有力的武器
8、。尤其在测控系统中，物美价廉的单片机再加上高集成度的外围芯片使得振动测试与动平衡系统向小型化、智能化、精密化发展。国内外相继出现了这样的系统，如著名的美国恩泰克公司推出的便携式系统，功能齐全，但价格昂贵；国内的系统相对国外来说功能单一，人机交互性不够好，不利于人们操作。总的来说，工业生产的需要和电子技术的发展，系统的发展趋势是以计算机控制代替传统的模拟。1.2 动平衡机振动信号产生的原理动平衡机有硬支撑和软支撑之分。软支撑是指转子的支撑系统的固有频率远远低于平衡转速，这种平衡机的支承刚度小，传感器检测出的信号与支承的振动位移成正比。硬支撑则是支撑系统固有频率远远高于平衡转速，这种平衡机的支承刚
9、度大，传感器检测出的信号与支承的振动力成正比。通常，转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工方法完成。有些平衡机已经将校正装置做成为平衡机的一个部分。本系统基于硬支撑动平衡机研究振动信号产生的原理。振动信号是由于不平衡量产生的,曲轴做动平衡都选用专用的硬支承动平衡机来进行的。这种平衡机在计算不平衡离心力作用在支承上的力时,可不考虑支承刚度的影响,可FRUL URPRcPL b c图 1 转子不平衡示意图FLa6由静力学平衡方程直接计算出支承上所受的力与曲轴转子校正平面上不平衡量间的关系。根据
10、静力学原理由图得：PL = FL +1/b( a FL - c FR)PR = FR +1/b( a FL - c FR)校正平面上不平衡量 U L 和 U R 与支承上动载荷力之间的关系为:UL =1/ 2 FL +1/b( a FL - c FR)ao UR =1/ 2 FL +1/b( a FL - c FR)式中: 为实际使用的最高角速度 rad/s。动平衡机上的曲轴转子旋转时,由于不平衡离心力的作用产生的动载荷,通过安装在动平衡机“摆架”上的传感器测出,并由模拟电路完成 UL 和 UR不平衡量的运算,即可测出校正平面上不平衡量的大小 1。2 动平衡机振动信号测量系统方案2.1 测量系
11、统总体结构测量系统主要由两部分构成：一部分由压电传感器、传感器输出信号处理电路、单片机组成。压电传感器把振动信号转换成电信号，经传感器输出信号处理电路处理，送于单片机获得不平衡量的大小和相位。另一部分由光电传感器、基准信号处理电路等组成。光电传感器测出转子的转速信号,经基准信号处理电路处理后,分别送入压电传感器输出信号处理电路和 C8051F020 单片机,用于控制跟踪滤波以及振动信号的转速和振动信号的幅值、相位测量。单片机再与外围设备连接用于显示结果。系统主要功能模块如图 2 所示：7图 2 测量系统总体框图 由于工件（转子）旋转的不平衡所产生的离心力 ,迫使摇摆架振动。因摇摆架的刚度很大,
12、所以振动幅度较小,首先通过压电传感器将两支撑处的振动反作用力转换为相应的电荷信号,此信号较微弱,经压电传感器输出信号处理电路进行信号变换、滤波及调整后得到与转子同频率的方波信号,再送给 C8051F020 单片机，经计算获得不平衡量的大小和相位。光电传感器测出转子的转速信号,经基准信号处理电路进行整形、放大和锁相倍频等处理后,分别送入压电传感器输出信号处理电路和 C8051F020 单片机,用于控制跟踪滤波以及振动信号的转速和振动信号的幅值、相位测量。键盘用来控制动平衡仪的运行和参数设置 2。2.2 振动信号处理电路方案该电路由电荷放大电路、程控放大电路、跟踪带通滤波电路组成。压电传感器测量得
13、到的正弦振动信号含有大量的高次谐波和噪音信号,无法直接利用此信号进行计算。为了从很强的干扰信号中得到有用的基频信号(不平衡信号),一种方法是利用硬件进行跟踪带通滤波,另一种方法是用快速傅立叶变换技术,将其时域采样到的振动信号,进行时域-频域变换,进行数字信号处理来测得其振动的幅值和相位。本测量系统左压电传感器 右压电传感器压电传感器输出信号处理电路C8051FMCULED 显示打印报警键盘光电传感器基准信号处理电路8采用硬件滤波和软件滤波相结合的方法,采用开关电容有源滤波集成电路组成的四阶带通滤波器进行滤波,转速信号经 256 倍频后作为滤波器的外部时钟,它具有稳定性高、结构简单等特点。信号通过电荷放大电路进行信号放大,然后通过带通跟踪
