一種利用差動(dòng)變壓器式傳感器測量振動(dòng)的檢測系統(tǒng)研究_圖文

1、2009年2月第37卷第2期機(jī)床與液壓MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSFeb 12009Vol 137No 12收稿日期:2008-06-13作者簡介:王欣威,女,沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c測控技術(shù)、虛擬儀器、測試信號與信息處理技術(shù)。電話:130*,E -mail:wangxin wei19771631com 。一種利用差動(dòng)變壓器式傳感器測量振動(dòng)的檢測系統(tǒng)研究王欣威,慕麗(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽110168摘要:介紹了差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)、輸出特性和利用其構(gòu)建振動(dòng)測試系統(tǒng)的方法。分析了影響振動(dòng)測試系統(tǒng)測量精度的幾個(gè)

2、主要原因及有效解決辦法。結(jié)果表明,經(jīng)過機(jī)械結(jié)構(gòu)以及測量電路的調(diào)節(jié)及補(bǔ)償,振動(dòng)測試系統(tǒng)的測量精度得到了明顯提高。關(guān)鍵詞:差動(dòng)變壓器;振動(dòng)測試;零點(diǎn)殘余電壓中圖分類號:TP206文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-3881(20092-089-4The Study on V i bra ti on M ea sur i n g System Utili z i n g D i fferen ti a l Tran sform er Sen sorWANG Xin wei,MU L i(School ofMechanical Engineering,Shenyang L igong Universi

3、ty,Shenyang L iaoning 110168,China Abstract:The structure and out put character,the method of building vibrati on measuring syste m were intr oduced .Several main reas ons that affect the measuring p recisi on of the vibrati on measuring syste m were analyzed,and the effective s oluti on was given .

4、The experi m ental result shows that the measuring p recisi on of the vibrati on measuring system is i m p r oved by adjusting and compensating the mechanical structure and the measuring circuit .Keywords:D ifferential transfor mer sens or;V ibrati on measuring;Zer o 2point residue voltage0引言在現(xiàn)代企業(yè)管理

5、制度中,除了對各種機(jī)械設(shè)備提出低振動(dòng)和低噪聲要求外,還需要對機(jī)器的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測、分析、診斷,對工作環(huán)境進(jìn)行控制。為了提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性能,有必要進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析和振動(dòng)設(shè)計(jì),而這些都離不開振動(dòng)測試工作。差動(dòng)變壓器是一種互感式電感傳感器,它可將微小的機(jī)械量如位移、振動(dòng)、壓力等轉(zhuǎn)化為電參數(shù),是一種靈敏度較高的傳感器1。具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、抗阻抗能力強(qiáng)、對工作環(huán)境要求不高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。因而被廣泛應(yīng)用于各種工程物理量檢測與自動(dòng)控制系統(tǒng)中。本文作者針對利用差動(dòng)變壓器組建振動(dòng)量測試系統(tǒng)出現(xiàn)的問題及解決方法作了詳細(xì)的介紹,并對實(shí)際振動(dòng)測試系統(tǒng)的測量精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1差動(dòng)變壓

6、器的結(jié)構(gòu)及工作原理差動(dòng)變壓器是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象,將被測位移量轉(zhuǎn)化為線圈的互感變化。再利用測量電路將互感值轉(zhuǎn)化為電壓值進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位移量的測量2。圖1所示為差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理圖,其中圖1(a 為實(shí)驗(yàn)中采用的三段式開螺管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu),它由初級線圈N 1和兩個(gè)結(jié)構(gòu)與電氣參數(shù)完全相同的次級線圈N 2a 、N 2b 組成。線圈中心插入圓柱形鐵芯。當(dāng)N 1接入穩(wěn)定的交流電源時(shí),次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生一輸出電壓,其感應(yīng)電勢的理論計(jì)算為3:e 2a =-j M a I 1(1 e 2b =-j M b I 2(21磁芯2磁筒3骨架圖1差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理圖空載輸出電壓為:U o = e 2a - e 2b

7、 =j I 1(M b -M a =j U (M b -M a /(R 1+j L 1(3圖1(b 所示為傳感器輸出電壓U o = e 2a - e 2b =-j (M a -M b I 1其中:若二級次線圈等效參數(shù)完全對稱,則當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí),M a =M b ,輸出電壓U o =0;當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí),M a M b ,變壓器處在差動(dòng)工作狀態(tài),M a 、M b 分別增加或減少,互感M 在一定范圍內(nèi)與銜鐵軸向的位移x 成正比,則在開磁路狀態(tài)下,其輸出電勢為:U o =-j (M a -M b I 1=-2j M I 1=-2j MUR 1+j L 1(4其輸出電勢與銜鐵位移之間的關(guān)系如

8、圖1(c 所示。由此可得出結(jié)論:只有當(dāng)差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)、電氣、磁路等參數(shù)完全對稱時(shí),輸出電勢U o 與輸入位移x 才成線性關(guān)系4。2利用差動(dòng)變壓器構(gòu)建實(shí)際振動(dòng)量測試系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)建的振動(dòng)量測試系統(tǒng)組成如圖2 所示。圖2典型振動(dòng)量測試系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)中,被測工件采用懸臂梁;激勵(lì)源為低頻振蕩器,輸出頻率為530Hz,幅值可調(diào);差動(dòng)變壓器初始線圈接入高頻交流電壓,頻率在45kHz,幅值可調(diào);傳感器與被測工件如圖3所示安裝,所用典型測量電路如圖4 所示。3影響振動(dòng)量測試系統(tǒng)測量精度的主要因素分析311零點(diǎn)殘余電壓的影響及消除辦法31111零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因當(dāng)差動(dòng)變壓器鐵芯處于線圈中間位置時(shí),由于對稱的兩個(gè)次

9、級線圈反極性串聯(lián),理論上次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢應(yīng)該大小相等,方向相反。因而,差動(dòng)輸出電壓應(yīng)該為0,但實(shí)際情況并不為04,如圖5所示為差動(dòng)變壓器產(chǎn)生的零位輸出電壓的波形。在零點(diǎn)附近總會有幾mV 到幾十mV 的電壓輸出。無論如何調(diào)整,該電壓也難以消除,把零位移時(shí)差動(dòng)變壓器輸出的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。零位輸出電壓的存在使得傳感器輸出特性在零位附近不靈敏、分辨率變差、引起非線性誤差,造成實(shí)際特性和理想特性不完全一致,致使儀器測量電路不能正常工作,不利于測量并帶來測量誤差。因而零位輸出電壓的大小是評定差動(dòng)變壓器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)5 。圖5零點(diǎn)殘余電壓輸出削頂波形零點(diǎn)殘壓產(chǎn)生的根本原因主要有以下幾方面:(

10、1兩個(gè)次級線圈結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、電氣參數(shù)不對稱,以及初次級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因形成。所以,即使鐵芯處于中間位置時(shí)輸出也不為0。導(dǎo)致兩線圈的感應(yīng)電勢幅值不等,相位不同。無論如何調(diào)整鐵芯位置,兩線圈中的感應(yīng)電勢都抵消不了。(2高次諧波由于磁性材料磁化曲線的非線性造成零點(diǎn)殘余電壓存在。磁路工作在磁化曲線的非線性段,激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁通被削頂如圖6所示,這種削頂波主要是由基波和三次諧波組成,因而次級線圈零位輸出電壓便產(chǎn)生三次諧波。另外,激勵(lì)電流波形失真,內(nèi)含高次諧波分量,這也使零位輸出電壓中有 高次諧波的成分。圖6未調(diào)整前傳感器輸出電壓波形31112消除辦法為了減少零殘電壓,

11、除了對傳感器本身在設(shè)計(jì)和工藝上盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電器參數(shù)和磁路對稱、兩次級線圈繞法一致,鐵芯加工精度要高,磁性材料必須經(jīng)適當(dāng)處理,消除內(nèi)部殘余應(yīng)力使其磁性能均勻、穩(wěn)定外,還要選用導(dǎo)磁性能好的材料作保護(hù)外殼,同時(shí)起到磁屏蔽的作用,要求高時(shí)也可09機(jī)床與液壓第37卷以用導(dǎo)電材料設(shè)置靜電屏蔽層,以減小外界電磁干擾。同時(shí)控制鐵芯的最大工作磁感強(qiáng)度,使其小于磁化曲線m ax 處對應(yīng)的B m 值,以便使磁路工作在磁化曲線的線性段,減小高次諧波。這些可以靠選擇合適的傳感器來保證5。而在實(shí)際測試工作中,保證傳感器安裝精度,從而減小鐵芯與線圈的摩擦和選用合適的測量電路補(bǔ)償就成為消除零殘的最好的辦法6

12、。因而在實(shí)際使用時(shí)往往從傳感器的安裝精度和測量電路兩方面來實(shí)現(xiàn)零殘的補(bǔ)償。(1保證傳感器的安裝精度如圖3所示,將差動(dòng)變壓器傳感器安裝在工作臺連接橋板上。首先用手按壓振動(dòng)臺,保證差動(dòng)變壓器的鐵芯沒有卡死現(xiàn)象,同時(shí)調(diào)節(jié)鐵芯安裝高度,使鐵芯與線圈之間無摩擦現(xiàn)象,且大致在傳感器中間位置。這時(shí),給傳感器初級線圈加入交流電源,頻率為5kHz 左右,幅值為4V,同時(shí)利用示波器觀察差動(dòng)變壓器傳感器的輸出如圖6所示?？煽闯鲚敵霾ㄐ尾粚ΨQ且上、下波峰高度不一致。此時(shí)反復(fù)調(diào)整升降臺,使傳感器輸出波形近似對稱,如圖7所示,升降臺的這個(gè)位置即為傳感器最佳安裝位置 。圖7調(diào)整后傳感器輸出電壓波形(2零殘的外電路補(bǔ)償法從示

13、波器觀察到的零殘波形圖5可看出,它一般由基波和高次諧波兩部分組成。因而,采用加入串、并聯(lián)電阻,電容的測量電路的補(bǔ)償辦法來消除零殘電壓,如圖8所示。在沒接入補(bǔ)償電路時(shí),在差動(dòng)變壓器安裝的最佳位置,如圖7所示,零點(diǎn)殘余電壓U o =4215mV,而接入補(bǔ)償電路后仔細(xì)調(diào)節(jié)串、并聯(lián)電阻R W 1、R W 2,會使U o 幅值下降可達(dá)到U o =5mV,如圖9所示, 波形近似為一條接近零點(diǎn)的直線。圖8 零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路圖9接入補(bǔ)償電路后輸出電壓波形這時(shí)差動(dòng)變壓器輸出的波形如圖10所示,上、 下波峰近似相等,波形接近于理想的包絡(luò)線。圖10補(bǔ)償后的傳感器電壓輸出波形312測量電路的影響差動(dòng)變壓器測量振動(dòng)

14、信號,不經(jīng)過測量電路時(shí),輸出波形為如圖10所示的包絡(luò)線。要想從中恢復(fù)初始振動(dòng)信號,必須采用相敏檢波技術(shù)。如圖4為所采用的相敏檢波電路。檢波即是將被測信號由電壓調(diào)制的調(diào)幅波還原為信號原形,而相敏檢波能將信號的電壓極性反映出來。實(shí)驗(yàn)中,將差動(dòng)變壓器輸出信號接入,用手按住振動(dòng)平臺(讓傳感器產(chǎn)生一恒定輸出,利用示波器觀察檢波器輸出。如圖11所示,此時(shí)調(diào)節(jié)相敏檢波器旋鈕R W 1、R W 2和升降臺高度,觀察相敏檢波器輸出,示波器顯示的波形為一個(gè)非常漂亮半波整流波形,如圖12所示。松手后, 整流波形消失,變?yōu)橐粭l接近零點(diǎn)的直線。圖11相敏檢波器輸出此時(shí),再給傳感器初級線圈加入交流電源,頻率為5kHz 左

15、右,幅值為4V,同時(shí)利用示波器分別觀察19第2期王欣威等:一種利用差動(dòng)變壓器式傳感器測量振動(dòng)的檢測系統(tǒng)研究 圖12調(diào)節(jié)后相敏檢波電路電壓輸出波形無零點(diǎn)殘余電壓時(shí),差動(dòng)變壓器輸出振動(dòng)信號波形和相敏檢波輸出如圖13、14所示。即為非常漂亮包絡(luò)線和半波整流波形。將相敏檢波器輸出半波整流波形通過RC 低通濾波器,輸出波形如圖15所示,是一 標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。313電源激勵(lì)頻率和電壓的選擇提高電源頻率有下列優(yōu)點(diǎn):(1能提高品質(zhì)因素Q ;(2靈敏度有一定程度的提高;(3有利于放大器的設(shè)計(jì)。但過高的電源頻率會產(chǎn)生負(fù)面影響,如鐵芯渦流損耗增加,導(dǎo)線的集膚效應(yīng)會使靈敏度降低,增加寄生電容及外界干擾的影響使其零殘?jiān)?/p>

16、加6。一般選取2f >10RL,R 、L 為次級線圈的損耗電阻與電感,即頻率f 的高低應(yīng)與鐵芯材料相匹配。同樣地,激勵(lì)幅值增加,也可提高靈敏度,但激勵(lì)過大會產(chǎn)生負(fù)面影響,如線圈發(fā)熱、磁能飽和等等,致使零殘電壓增大。因此,我們選擇激勵(lì)幅值為4V 以下,激勵(lì)頻率5kHz 左右,得出的波形比較接近包絡(luò)波形。表1為激勵(lì)電源幅值、頻率不同時(shí),輸出電壓的變化。表1激勵(lì)電源不同幅值和頻率時(shí)的輸出電壓(峰-峰值U o (P -P V激勵(lì)電源頻率f /kHz激勵(lì)電壓幅值U /V2468101214164結(jié)論采用差動(dòng)變壓器組建振動(dòng)量測試系統(tǒng),其原理簡單,檢測電路一般采用集成電路。通過仔細(xì)調(diào)節(jié)傳感器安裝升降臺和進(jìn)行合理的電路補(bǔ)償,可以消除零殘電壓的影響,使得測量精度得到明顯提高。同時(shí),也可看到,合理選擇電源激勵(lì)電壓的頻率和幅值對測量結(jié)果有明顯的影響。在實(shí)際測量中,合適的相敏檢波電路和低通濾波電路也是必需的。參考文獻(xiàn)【1】強(qiáng)錫富.傳感器M