/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)設(shè)備的準(zhǔn)確度要求越來越高，回轉(zhuǎn)體設(shè)備的故障檢測(cè)要求也隨之增加，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)水平的不斷發(fā)展。

對(duì)于常見典型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的動(dòng)平衡檢測(cè)一般需要將設(shè)備的回轉(zhuǎn)體拆下后，固定在工藝軸或?qū)ｉT的支承上進(jìn)行測(cè)量和處理，不能對(duì)包含回轉(zhuǎn)體的設(shè)備整機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試。由于受到檢測(cè)時(shí)必須將回轉(zhuǎn)體拆出的局限，對(duì)于運(yùn)行中的整機(jī)設(shè)備，難以進(jìn)行定期的動(dòng)平衡復(fù)查。設(shè)備有問題時(shí)需要拆機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，不僅耽誤時(shí)間，而且降低了生產(chǎn)效率。大多數(shù)回轉(zhuǎn)體設(shè)備，并不需要長期進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，往往只進(jìn)行定期檢測(cè)。在這種情況下，便攜的、功能靈活的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)是設(shè)備工程師的首選。

1 測(cè)量系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)不需要將回轉(zhuǎn)體拆出，能夠直接對(duì)整機(jī)和機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，利用敏感元件獲取信號(hào)，通過信號(hào)處理電路提取信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)顯示模塊顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。這樣可以很方便地為工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備提供定期檢測(cè)，從而及時(shí)了解機(jī)器存在的問題，快速地對(duì)機(jī)器的性能做出正確和全面的評(píng)估，很好地提高了生產(chǎn)安全水平和生產(chǎn)效率。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。一個(gè)完整的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)由一系列的單元組成，從敏感元件和傳感器開始，到信號(hào)的處理部分，最后到信號(hào)的記錄和顯示部分。如果其中任何一個(gè)元件不能獲得正確的響應(yīng)，就會(huì)使信號(hào)失真，從而影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。另外在信號(hào)傳遞過程中，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的每個(gè)元件均會(huì)受到干擾影響，這種干擾有可能來自外部，也有可能來自自身各個(gè)部分，所以在設(shè)計(jì)過程中要使測(cè)量結(jié)果的失真盡可能小，從而達(dá)到高準(zhǔn)確度。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)框圖見圖2，采用加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)來獲取原始信號(hào)，通過信號(hào)處理電路來處理原始信號(hào)，獲得基準(zhǔn)信號(hào)和參考信號(hào)，將兩路信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，經(jīng)過信號(hào)處理電路，將得到的直流分量信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過CPU和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理，得到轉(zhuǎn)子的不平衡量值和相位值。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)框圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理可知，需要加速度計(jì)和光電計(jì)數(shù)器來獲取信號(hào)，一般典型回轉(zhuǎn)體設(shè)備在使用時(shí)的轉(zhuǎn)速為600～3 000 r/min，其相應(yīng)的頻率響應(yīng)范圍為10～50 Hz。

1.1 加速度傳感器

壓電式加速度傳感器和磁電式速度傳感器廣泛應(yīng)用于工程振動(dòng)測(cè)試中，它們都是慣性式測(cè)振傳感器。測(cè)量時(shí)，將傳感器殼體固定在被測(cè)對(duì)象上，利用彈簧支撐一個(gè)慣性體（質(zhì)量塊）來感受振動(dòng)。加速度計(jì)是動(dòng)平衡測(cè)試中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，除了要求它具有較高的靈敏度和在測(cè)量頻率范圍內(nèi)有平坦的幅頻特性曲線與頻率成線性關(guān)系的相頻特性曲線外，還要求傳感器的質(zhì)量小。這是因?yàn)楣潭ㄔ诒粶y(cè)對(duì)象上的慣性式測(cè)振傳感器將作為附加質(zhì)量使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生變化，從而引起系統(tǒng)的振動(dòng)特性發(fā)生變化。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試中，加速度傳感器需要具有良好的頻率特性、靈敏度高、體積小、質(zhì)量小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)以及安裝方便等特點(diǎn)，所以現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)采用ICP壓電式加速度計(jì)，它由美國PCB公司首先提出并投入生產(chǎn)使用。所謂ICP壓電式加速度計(jì)是將傳統(tǒng)電荷輸出型的壓電式加速度傳感器與電荷放大器集成于一體，直接輸出電壓信號(hào)，增強(qiáng)抗干擾性、提高測(cè)量準(zhǔn)確度以及可靠性。壓電式傳感器是一種有源傳感器，以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器。所謂的壓電效應(yīng)是指當(dāng)某些材料承受機(jī)械應(yīng)變作用時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化作用，從而在材料的表面產(chǎn)生電荷；或者當(dāng)材料的表面承受電場(chǎng)作用時(shí)會(huì)改變其幾何尺寸。壓電式加速度傳感器具體工作原理見圖3。當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)體的振動(dòng)加速度時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力作用于壓電元件，從而產(chǎn)生電荷Q輸出。當(dāng)傳感器所包含的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)線性轉(zhuǎn)換，傳感器輸出電壓與振動(dòng)加速度成正比。壓電式加速度傳感器可以簡(jiǎn)化成如圖4所示的“m-k-c”力學(xué)模型。

圖3 壓電式加速度傳感器工作原理

圖4 m-k-c力學(xué)模型

考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量動(dòng)平衡的加速度值時(shí)的各種情況以及成本等原因，選用國產(chǎn)型號(hào)為KD12000L的壓電式加速度傳感器，電壓靈敏度為20 V/g、頻率響應(yīng)范圍0.1～200 Hz、最大量程為0.2 g、需要提供3～10 mA的24 V電壓恒流供電，廣泛應(yīng)用于微弱振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)，如地基振動(dòng)檢測(cè)等。使用過程中采用磁鐵座將傳感器固定在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，在安裝過程中，第一，要保證安裝接觸面要求有較高的平行度、平直度和低粗糙度，使傳感器的敏感軸向與其受力方向的一致性不因安裝而遭到破壞，以避免橫向靈敏度的產(chǎn)生；第二，根據(jù)傳感器的承載能力和頻響特性要求的諧振頻率來選擇合適安裝方式。

1.2 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速測(cè)量的種類繁多，按照測(cè)量原理可分為模擬法、計(jì)數(shù)法和同步法；按照變化方式又可分為機(jī)械式、電氣式、光電式和頻閃式等?，F(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)使用的是光電脈沖計(jì)數(shù)器，其特點(diǎn)為量程寬、高準(zhǔn)確度、簡(jiǎn)單。光電脈沖計(jì)數(shù)器的具體工作原理如圖5所示，首先在回轉(zhuǎn)體設(shè)備的轉(zhuǎn)軸上貼反光條，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電元件間斷地接收反射光信號(hào)，輸出電脈沖信號(hào)。

圖5 光電脈沖計(jì)數(shù)器原理

2 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)是一種便攜式設(shè)備，所以在設(shè)計(jì)過程中要考慮到攜帶方便、高效率化以及使用方便等特點(diǎn)。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)組成，下位機(jī)主要由微處理器構(gòu)成，采用Silicon Labs 公司生產(chǎn)的C8051F36X系列單片機(jī)，用于對(duì)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)系統(tǒng)整體的控制；上位機(jī)采用LabVIEW編寫上位機(jī)軟件，用于對(duì)數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)。

2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要考慮信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和編程合理性。其程序設(shè)計(jì)主要包括：兩個(gè)外部中斷模塊分別用于采集ADC的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)；串口中斷模塊用于和上位機(jī)建立通信；定時(shí)中斷模塊用于采集內(nèi)部集成ADC的數(shù)據(jù)，控制增益放大器的倍數(shù)，調(diào)節(jié)增益的大?。灰约翱刂颇K對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量模式進(jìn)行切換。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先和上位機(jī)建立通信，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的命令來執(zhí)行具體操作。主要包括測(cè)量模式和自檢模式的切換，測(cè)量模式下有單面平衡影響系數(shù)法和雙面平衡影響系數(shù)法，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的命令來確定模式的選擇。開機(jī)后，程序默認(rèn)啟動(dòng)自檢模式對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，采用ICL8038產(chǎn)生的波形作為信號(hào)源，測(cè)量模式采用雙面平衡影響系數(shù)法。通過接收上位機(jī)指令，切換到測(cè)量模式。測(cè)量時(shí)，連續(xù)采樣10個(gè)周期信號(hào)，然后取其平均值，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

下位機(jī)設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)壓電加速度信號(hào)和光電計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，通過RS232通信方式將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)中壓電加速度傳感器采集到加速度信號(hào)后，經(jīng)過電壓跟隨器、低通濾波器、跟蹤濾波器以及程控增益放大器后傳送到數(shù)模乘法器中；轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過放大整形、倍頻以及分頻后，將時(shí)鐘信號(hào)送入EEPROM中作為地址線，分別在EEPROM中生成正弦函數(shù)和余弦函數(shù)，再將生成的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)分別送入數(shù)模乘法器中。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)處理模塊

數(shù)模乘法器使處理過的加速度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)作相乘，由數(shù)模乘法器輸出的信號(hào)經(jīng)過跟蹤低通濾波器和二階低通濾波器濾除交流信號(hào)后，將剩余的直流電壓信號(hào)送入ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；通過MCU對(duì)數(shù)字量進(jìn)行采集，并將采集得到的信號(hào)通過RS232接口送到PC機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?，F(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)計(jì)自檢系統(tǒng)，電路中采用精密震蕩集成電路的芯片產(chǎn)生同頻以及同相的正弦信號(hào)和方波信號(hào)，作為加速度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，在測(cè)量初始化時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，通過繼電器自動(dòng)切換自檢和測(cè)量兩種模式。圖7給出了測(cè)量系統(tǒng)控制模塊，MCU通過內(nèi)部集成的ADC采集加速度傳感器經(jīng)過跟蹤濾波后的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的大小來控制增益放大器的放大倍數(shù)；通過MCU內(nèi)部計(jì)數(shù)器測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；利用外部四通道的ADC將4路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入MCU；MCU的UART接口通過RS232與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖7 測(cè)量控制模塊

2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

采用美國國家儀器公司研發(fā)推出的圖形化虛擬儀器編程軟件LabVIEW編寫上位機(jī)軟件。

上位機(jī)設(shè)計(jì)中主要考慮能夠直觀地顯示測(cè)得數(shù)據(jù)、方便操作、易于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用。上位機(jī)開機(jī)后和下位機(jī)建立通信，發(fā)送指令，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的模式選擇。在自檢模式下，讀取串口數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示最終測(cè)試結(jié)果；測(cè)量模式下，不僅要顯示測(cè)量結(jié)果，還可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)處理中首先根據(jù)公式計(jì)算不平衡量的幅值相位和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行處理，得到最終測(cè)量結(jié)果。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，采用LabVIEW語言編寫的上位機(jī)軟件，直觀、明了、操作方便，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括以下幾點(diǎn)：1）串口通信接口模塊，實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)CPU的數(shù)據(jù)傳輸；2）顯示最終測(cè)量結(jié)果；3）通過按鈕發(fā)送信息控制下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；4）保存測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

從轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)為同頻的角度進(jìn)行分析，根據(jù)互相關(guān)原理，設(shè)計(jì)信號(hào)提取電路，選取合適的加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，使用跟蹤濾波技術(shù)和相敏檢測(cè)器技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；選擇C8051F360器件作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心處理器，用于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸；基于RS232通信方式，利用LabVIEW語言編寫上位機(jī)軟件，用于對(duì)下位機(jī)采集數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)一套針對(duì)典型回轉(zhuǎn)體設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)。