高速回转体运动参数测试系统的设计学位论文Word下载.docx

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其基本原理是将物体的微小振动像振幅，偏振态，相位，频率等转化为光信号参量的变化，再把光信号的变化，转化为电的信号加以处理以便于数据处理。

传统应变量电测法是比较完善的测试技术,而引电器或遥测装置的安装不仅测试成本高且测试周期长，更要对发动机结构进行一系列复杂的改装,使用寿命相当有限。

同时应变片、引电器安装可能会影响发动机机械性能和气动性能。

目前，常用的光学振动测量方法有激光三角法、光强法、散斑法、全息法、激光多普勒效应法、光纤与微机电（MEMS）法、典型的干涉测量法、CCD测量法，光折变晶体法，光子相关法等，由于这些技术的使用、使得激光振动测量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。

这种方法高灵敏度，高精度，广泛的应用在一些具有特殊要求的测量环境里，也是当今测量领域里主流发展方向。

目前，在材料试验，机械系统的故障诊断，振动噪音消除测量，结构和有限元结果振动的动态特性已经核实用途很广泛，因此光学振动测量技术具有广阔的应用和发展前景

1.2振动测量的目的与意义

我们研究的目的是要了解各种机械振动机械振动，破译的机械振动的信息包含在大数目，然后监视设备，检测设备，潜在的故障的可能性地位。

振动分析和振动设计产品设计已成为研究具有十分重要的意义振动的关键环节。

日益复杂的结构，如汽轮机转子，振动行为表现出的更不稳定。

谱分析与传统的诊断方法，如轨道有一些缺陷，不能反映基础的转子动态变形。

涡轮转子系统的实时监测和转子系统的故障检测与诊断线上实施振动模式的新方法，不仅具有较高的理论价值，而且具有重要的工程意义。

[3]

随着微电子技术，信号检测与处理技术，计算机技术，网络通讯和控制技术，复杂的应用为导向的各种多传感器系统后台大量的快速发展。

在这些多传感器系统，多样性，大量的信息，信息关系的复杂性和及时性，准确性和可靠性的信息处理要求的信息的形式都是前所未有的。

多传感器信息融合技术起源于航空电子雷达目标识别问题上，然后逐步推广应用到智能制造，过程监控，材料成型和加工，机器人，导航，遥感，以及经济和软件系统的研究。

[4]

在振动系统的现场或实验室模型，实物或​​应对措施，动态载荷识别和特征参数的确定。

一个反应测量，包括位移，速度，加速度，应变，应力等;

动态特性参数测量，包括每个模态频率，模态阻尼，系统频率响应或脉冲响应等;

载荷识别或脉冲负载描述振动或随机载荷，路面谱，波谱，地震谱。

大量的振动测量的原始数据必须各种加工，可作为工程设计计算的基础。

原记录是一个时间过程，通过直观的分析数据的物理测试可分为暂时性，定期，随机，然后在时域，频域和幅度域和统计分析，相关分析和频谱分析等，这的特点是各类信息的响应特性。

振动测量的在教学方面应用包括实验测量和动态特性测量。

了解通过测量的动态特性，如自然频率，振型，阻尼和动态刚度参数，振动测量和振动机械工程和工程部门结构测试，机械结构具有广泛的应用。

通过本课程，学生对振动和振动控制装置的的测试一个过程熟悉，进一步深化教学内容和学生对理论知识的理解和提高培训能力，开发创新意义的整体素质。

1.3本设计研究内容

该设计研究属于机电一体化系统设计的内容，应用到课程包括：

测试技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、机械零件、机电传动、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量、数控技术、计算机辅助电路设计、计算机辅助绘图等。

根据所学专业知识，完成高速回转体转子运动参数自动检测系统的整体设计，包括机械传动系统、电机驱动系统、传感器安装和固定系统、自动控制系统等几个部分。

该系统的指标如下：

（1）系统采用步进电机驱动，电机的转速可调，从1000转/分到2000转/分；

（2）电机的驱动采用单片机控制；

（3）系统采用光纤传感器的非接触测量方式，在计算机的控制下实现自动测量；

（4）采用光电传感器进行同步信号测量。

1.3.1步进电机的选用

步进电机是一种数字脉冲输入实现增量运动的旋转或线性电磁制动器。

输入一个脉动对各步的步进电机轴角增量。

电机回到初始状态,总的脉冲数输入相应的速度成正比并依赖于输入脉冲的频率。

步进电机是一种机电的关键部件,通常是用作定位控制和恒速控制。

步进电动机和低惯性、高定位精度,无累积误差、控制和简单。

广泛应用于机电一体化产品,如:

CNC机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等等。

第一，选择步进电机步距角,以确保输出功率大于负载功率的要求。

在选择了步进电机的功率,首先计算机械系统负载转矩、电机低频起动矩频特性能满足机械负荷,并有一定的优势,从而保证其可靠运行。

在实际工作过程中,各种频率矩负载转矩必须存在于频率响应曲线。

最大静态扭矩Mjmax一般大型电动机、负载转矩。

步进电机、步距角的选择应与机械系统相关,所以你可以得到所需的脉冲当量的机器。

在机械传动过程中为了使它更小的脉冲当量,一个人可以改变导螺杆,其次是的细分驱动步进电机可以通过到完成的全过程。

但是故障能改变的只有其决议,而不改变其准确性。

电机的准确性是由电机的固有特性决定的。

选择功率步进电机、荷载应估计机械负荷惯性和启动这台机器所需的频率,因此,惯性和频率特性对步进电机的匹配程度有一定的差距,以确保最高速加工机床的精度。

1.3.2单片机控制电机驱动

单片机只输出信号，经过隔离电路再经过功率开关电路驱动电机。

控制普通的三项异步电机可以单片机输出信号经三极管后驱动一个小功率继电器，由继电器来驱动交流接触器，进而控制电机。

也可以单片机信号经三极管放大后直接驱动功率继电器。

至于驱动伺服，单片机端口的信号经过光耦隔离后可以直接驱动，伺服驱动器本身需要的驱动信号都是弱电信号。

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。

步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

图18051单片机控制原理图

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。

其基本原理作用如下：

（1）控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。

例如：

三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

（2）控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

（3）控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。

调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

1.3.3非接触式测量

非接触式测量是根据光学、电磁科技,没有关于这个案子的物体表面测量的方法获得表面参数信息。

典型的非接触式测量方法,如激光三角法、涡流、超声波测量、机器视觉测量等。

电涡流传感器是一种相对较非接触式传感器测量传感器测量尖端和对象之间距离的改变物体的位移或振幅振动。

涡流传感器具有很宽的频率范围（0~10千赫）、线性工作范围、灵敏度高、非接触测量等,主要用于静态位移的测量,测量、旋转机械振动位移监测轴振动的测量。

基于感应传感器获得的相对机械式传感器感应传感器的原理是可以测量的机械振动参数的变化转换为电子信号参数的变化。

因此,感应传感器具有两种形式,一个变量的差距,第二列是可变磁区。

电容式传感器,一般分为两种类型。

你可以改变公共区域的“数字鸿沟”的类型和变量类型。

可变间隙式可以衡量的线性振动位移。

可变的地区类型可以衡量的角位移的扭转振动。

1.3.4光纤传感器

光纤传感器：

研究光在调制区内,外界信号与光的相互作用,即研究光被外界参数的调制原理.外界信号可能引起光的强度,波长,频率,相位,偏振态等光学性质的变化,从而形成不同的调制。

光纤传感器可以分为两大类:

一类是功能型（传感型）传感器;

另一类是非功能型（传光型）传感器。

（1）功能型传感器

是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。

优点：

结构紧凑、灵敏度高。

缺点：

须用特殊光纤，成本高，

典型例子：

光纤陀螺、光纤水听器等

（2）非功能型传感器

是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。

光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

无需特殊光纤及其他特殊技术，

比较容易实现，成本低。

灵敏度较低。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器。

光电检测方法具有精度高、响应快、无润滑,等等,但很多参数可以测量、传感器的结构简单,灵活多样的形式,因此,光电传感器在检测和控制被广泛地使用着。

在光电传感器实现了各种各样的光学检测系统的关键元件光电转换,这是光信号（红外线、可见光和紫外光辐射）为电子信号在设备中。

光电传感器是光电转换元件作为传感器的设备。

它可以用来检测的直接结果的光量的变化,如non-electricity光照强度、光、辐射、温度、气体成分分析;

也被用来检测能量进入光的强度变化,如在其他non-electricity部分直径、表面粗糙度、应变、位移、速度、加速度、震动、和形状的对象、状态识别的工作。

有一种非接触式光电传感器,响应速度快,性能可靠的特点,因此在工业自动化和机器人已被广泛采用。

1.5研究前景及展望

振动测量采用传统的接触式测量方法如应变计式传感器,这项技术已日趋成熟,但耗时的安装和应变规,工作年限短,传感器的负荷和体积的空气动力学特性的树叶,因此这项技术已被很大的局限性。

扭转振动的固有频率提高测量系统的性能,以适应高速度、高精度、综合监测的要求、非接触式尖端技术是定期旋转身体振动广泛采用。

传统的振动测试方法分为机械和电气测量方法;

机械方法有其内在的缺陷,一般来说,接触式测量,更无法满足日益增长的需求工程勘察,大部分电测量方法具有灵敏度高,频率范围,动态线性范围宽的分析和遥感勘测,等,取代机械振动测量方法的研究已经成为主要的测量领域中方法,而是它易受电磁干扰测量过程及其它环境因素,并不能满足超高分辨率的速度,以及测量的要求。

作为近年来,光学检测技术的持续发展,出现了大量的测量方法基于光学技术,几乎所有的实现非接触式测量。

与传统的接触式测量方法相比,这些方法的结构简单、精度高、高压、耐腐蚀、能易燃易爆环境下的运行可靠,抗干扰、动态范围、无损测量的一系列优点,被广泛使用,其前景是十分广阔的。

2高速回转体运动参数测试系统的设计方案

2.1基于光纤传感器的振动测量法

光纤传感器是一种光学性能检测的群众来感应通过外部环境（物理、化学、生物等）变化的一种设备。

光纤传感器用于测量,因此它的传递和调制的光信号,灵敏度高,零点漂移和抗干扰等,它适用于易燃、易爆、强腐蚀性介质的电磁场,恶劣的工作条件、生产和维修困难的地方，这得到广泛的关注近年来发展十分迅速。

基于光纤非接触叶片振动测量系统主要由光纤传感器、信号预处理、叶尖时间测量、采集处理软件四部分组成。

其测试原理是:

在转子件上安装磁钢,以获得定位参考脉冲信号,其时间间隔为Tu；

在被测级叶片机匣上方安装两只光纤传感器,间隔为L；

在旋转状态下,光纤脉冲信号与参考脉冲信号的间隔时间为Tb,若叶片振动时,其叶尖经过两光纤传感器的时间间隔将发生变化TV,根据其变化量得到叶尖振动速度af值,即:

af=L/Tb-L/TV,由此得到叶片振幅、相位、频率等振动参数。

在振动测试光纤传感器作为主要的非接触式测量仪器,安装方便、精确测量的优点,利用雷射光源和计算机数据采集与处理系统中的光纤干涉技术来进一步提高测量准确度和分辨率,扩大了测量范围、提高了测量速度,为实现实时自动分析干涉条纹。

任何身体健康上的数量可以被转化为纤维只要光程差的变化,可以用来测量光学干涉仪,如位移、应变、振动、压力、温度等）比典型的光学测量方法具有较高的灵敏度和精密度。

图2.1光纤干涉测量技术系统的基本配置

2.2电涡流式振动测量方法

在转子振动测量、涡流位移传感器作为主要的非接触式测量仪器、安装方便、精确测量的好处。

在旋转机械、轴扭转振动是一种振动,其原因是作用在轴转矩随时间的变化所造成的扭转振动的固有频率。

对大型旋转机械的振动具有破坏性的较强机械结构可以很容易造成疲劳,尤其当振动频率接近的固有频率的机械结构,将会有更多的破坏性。

基于电磁感应的扭转振动测量及相应的信号提取方法,其基本思想是创建线圈和永久磁铁,做相对运动时,根据线圈切割磁线路的速度和当时的感应电压是相关的原则,从线圈电压变化计算瞬时变化速率的计算点的数量,然后瞬时速度的整体扭转振动的信息。

与其它方法相比,该方法具有如下优点:

要求较低的硬件性能;

利用扭转振动幅值的信号提取算法是比较简单的,能更好地消除轴向振动和横向振动的部分。

通过设计了系统扭转振动的测量装置,转子扭转振动信号会脆弱到另一个较大的电磁感应信号幅值的提取和分析方法本身,有助于简化系统。

图2.2测量转子和线圈示意图

根据电涡流传感器的工作原理,在排除其他混杂因素影响测量精度的情况下,有两个主要的原因:

第一,更高的转子残余通量测站中,大通量。

自从加工过程中磁性金属零件很贴切,如果在最后的处理是不完备的,消磁转子磁链将会带来更大的冲击涡流传感器转子感应涡流的大小,从而影响表面的测量精度。

第二,转子的表面材料密度不一致的结果。

当转子轴是伪造的,在这个过程中,如果没有完全锻造、转子将导致在粗糙的表面的金属颗粒密度之间的差异,使转子表面的金属导率。

这是同样的距离,表面在转子的涡流传感器在不同地点和不同的强度感应涡流的结束,其在不同感应圈产生感应电压,从而导致不准确的测量结果。

优点:

幅度的大小的方法来减少的数额数据采集与处理的困难;

利用著段和对应点比较算法中准确地提取瞬时变化速率的大量设备的同时很好地消除了生产、销售、安装过程中的系统的安装方法;

使用相对精度可以消除一些轴向振动和横向振动的影响;

整个装置结构简单,容易建造低成本。

缺点:

测量装置可改变的扭转振动特性的测试对象;

结果的路中电磁信号的电磁感应,容易受周围的环境。

电磁屏蔽可以安装正确的设备,但这将复杂测量过程。

2.3接触式测量方法

常见的接触式测量方法可以分为以下几类：

压电式，电阻式，电动式等。

它主要是利用固定转轴上各种传感器得到与转速有关的信息。

接触法的缺点是需要在转子上安装专用传感器,由于转子常工作在高温下,加上结构特性复杂,对这些专用传感器的安装保护不易实现。

由于本设计采用高速回转体，大部分传感器将失效,而且安装不方便，所以这类方法受到限制，故本方案不予以采用。

3高速回转体运动参数测试系统的机械部分设计

根据对振动测量的误差分析的研究，振动测量仪器的精度主要取决于机械部分精度，其中回转精度是最重要的精度指标。

所以本测量仪的设计对机械部分进行了重点的设计，力求使所设计的仪器能够尽可能好的提高测量精度，从而达到提高产品质量、降低测量成本、提高测量效率的目的。

3.1步进电机的参数选择

3.1.1选择计算原理

选择步进电机需要进行以下计算：

（1）计算齿轮的减速比

根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:

i=（φ.S）/（360.Δ）（3-1）

式中，φ---步进电机的步距角（o/脉冲）；

S---丝杆螺距（mm）；

Δ---（mm/脉冲）

（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。

Jt=J1+（1/i2）[（J2+Js）+W/g（S/2π）2]（3-2）

式中Jt---折算至电机轴上的惯量（Kg.cm.s2）

J1、J2---齿轮惯量（Kg.cm.s2）

Js---丝杆惯量（Kg.cm.s2）W---工作台重量（N）

S---丝杆螺距（cm）

（3）计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt（3-3）

Ma=（Jm+Jt）.n/T×

1.02×

10ˉ2（3-4）

式中Ma---电机启动加速力矩（N.m）

Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量（Kg.cm.s2）

n---电机所需达到的转速（r/min）

T---电机升速时间（s）

Mf=（u.W.s）/（2πηi）×

10ˉ2（3-5）

Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m）

u---摩擦系数

η---传递效率

Mt=（Pt.s）/（2πηi）×

10-2（3-6）

Mt---切削力折算至电机力矩（N.m）

Pt---最大切削力（N）

（4）负载起动频率估算。

数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为

fq=fq0[（1-（Mf+Mt））/Ml）÷

（1+Jt/Jm）]1/2（3-7）

式中fq---带载起动频率（Hz）

fq0---空载起动频率

Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m）若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算。

（5）运行的最高频率与升速时间的计算。

由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。

（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。

负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。

一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2～0.4）Mmax.

3.1.2确定参数

（1）选择保持转矩

保持转矩也叫静力矩，是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

由于步进电机低速运转时的力矩接近保持转矩，而步进电机的力矩随着速度的增大而快速衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以说保持转矩是衡量步进电机负载能力最重要的参数之一。

比如，一般不加说明地讲到1N.m的步进电机，可以理解为保持转矩是1N.m。

（2）选择相数

两相步进电机成本低，步距角最少1.8度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，适用于高速且对精度和平稳性要求不高的场合；

三相步进电机步距角最少1.5度，振动比两相步进电机小，低速性能好于两相步进电机，最高速度比两相步进电机高百分之30至50，适用于高速且对精度和平稳性要求较高的场合；

5相步进电机步距角更小，低速性能好于3相步进电机，但成本偏高，适用于中低速段且对精度和平稳性要求较高的场合。

（3）选择步进电机

应遵循先选电机后选驱动器原则，先明确负载特性，再通过比较不同型号步进电机的静力矩和矩频曲线，找到与负载特性最匹配的步进电机；

精度要求高时，应采用机械减速装置，以使电机工作在效率最高、噪音最低的状态；

避免使电机工作在振动区，如若必须则通过改变电压、电流或增加阻尼的方法解决；

电源电压方面，建议57电机采用直流24V-36V、86电机采用直流46V、110电机采用高于直流80V；

大转动惯量负载应选择机座号较大的电机；

大惯量负载、工作转速较高时，电机而应采用逐渐升频提速，以防止电机失步、减少噪音、提高停转时的定位精度；

鉴于步进电机力矩一般在40Nm以下，超出此力矩范围，且运转速度大于1000RPM时，即应考虑选择伺服电机，一般交流伺服电机可正常运转于3000RPM，直流伺服电机可可正常运转于10000RPM。

（4）选择驱动器和细分数

最好不选择整步状态，因为整步状态时振动较大；

尽量选择小电流、大电感、低电压的驱动器；

配用大于工作电流的驱动器、在需要低振动或高精度时配用细分型驱动器、对于大转矩电机配用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能；

在电机实际使用转速通常较高且对精度和平稳性要求不高的场合，不必选择高细分数驱动器，以便节约成本；

在电机实际使用转速通常很低的条件下，应选用较大细分数，以确保运转平滑，减少振动和噪音；

总之，在选择细分数时，应综合考虑电机的实际运转速度、负载力矩范围、减速器设置情况、精度要求、振动和噪音要求等。

综合本次实验对电机的要求，依据上述原则，再结合经济等因素的影响，最终确定步进电机型号为FL86BYG80。

3.2机械部件设计

底座是测量装置和夹具安装的平台，底座上采用平面度较高的平导轨和直线度较高的侧导轨，来进行测量，导轨的加工精度要求高。

竖直部分工作台内设滑槽，使装有传感器的支架能够滑动，通过改变传感器与回转体之间的距离而增加测量范围和精确度。

本测试系统动力装置——步距电机，采用螺栓连接竖直方向将底座固定在工作台上，采用滑块联轴器连接一高速回转轴，轴上用深沟球轴承固定，在回转轴的径向、横向端面分别固定有传感器支架，用以分别测量回转体横向跟径向的相关运动参数，通过单片机传输处理数据。

4高速回转体运动参数测试系统的电路部分设计

4.1测量仪器传感器的选用

可用于振动测量的传感器有：

光纤传感器、光电传感器、电容传感器、电涡流传感器、电感传感器等。

4.1.1传感器的选用原则

（1）灵敏度

一般来讲，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越