基于悬臂梁的涡电流测震系统的设计学位论文Word格式.docx

1、输送设备是将物体由一个地方通过输送管道输送到另一个地方的设备，来节约人力资源，提高生产效率。广泛应用于冶金、煤炭、建材、化工等行业中的粉末状和颗粒状物料输送的振动输送机，采用电动机作为动力源，使物料被抛起的同时通过管道做向前运动，达到输送目的。给料设备在某种程度与输送设备有共同之处，例如：振动给料机、单管螺旋喂料机、振动料斗等。拿振动料斗来说,它是一种新型给料设备,安装在料仓下部，通过振动使物料活化，能有效消除物料的起拱、堵塞以和粘仓现象，以解决料仓排料难的问题。总而言之，机械振动在现实生活生产中有多种多样的应用，有的是直接应用，有的是间接应用。科学的力量是非常强大的,只有把科学转变为科技才能

2、用来造福人类，造福社会。1.1.2 振动研究目的机械振动对于大多数工业机械、工程结构和仪器仪表来说是有害的，它常常是造成机械结构恶性破坏与失效的直接原因。据统计，我国每年因运输车辆振动致使包装不妥的产品受损、失效以和破坏造成的经济损失达数亿元。超出规范标准的振动能够缩短机器寿命，影响机械加工质量，降低机械电子产品的使用性能，甚至产生公害，以和污染环境等。1995年7月初，天全某水泥厂2号机立窑在更换风机时，忽视了共振现象的产生以和其危害，在7、8两个月时间里，发生了连续损坏3台罗茨风机以和一台215kW电机的重大设备事故，造成直接经济损失40多万元。通过现场事故分析与补救措施处理，实践证明：此

3、次重大设备事故，是由共振现象造成，损失严重，教训深刻。共振对人体产生有着较大危害，人体各部位有不同的频率，如眼球频率约为60HZ，颅骨频率最大约为200 HZ。把人体比作一个整体来看，水平方向的固有频率约为3-6 HZ，垂直方向的固有频率约为48HZ。因此国家规定：要求各类振动机械地振动频率必须大于20 HZ,并且要尽量避免振动源频率与人体有关部位固有频率产生共振。振动测量从航天航空部门发展起来，现在在在动力机械、交通运输、建筑等工业部门和环境保护、劳动保护等方面也有其重要作用。现在，振动分析以和振动设计已经成为产品设计中一个关键环节。学习振动力学的主要目的，就是掌握振动的基本理论与分析方法，

4、用于确定以和限制振动时工程结构机械产品的性能、寿命和安全的有害影响。振动有其可利用的一面，如工业上常采用的振动筛选、振动沉桩、振动输送以和根据振动理论设计的测量传感器，地震仪等。了解振动力学地另一目的，就是通过振动理论来创造以和设计新型振动设备、仪表以和自动化设备。1.2 振动测量技术振动测量技术是从航天航空部门发展起来的，现在在工业生产以和科研领域都占有重要地位，对于航天航空、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业、环境保护等来说表现的尤其突出。振动测量的分类方法有多种。依据测量原理可以分为机械法、电测法、光电结合测量法等；依据测振传感器是否与被测物体接触，振动测量可以分

5、为接触测量以和非接触测量；依据振动传感器原理不同，又可分为加速度型、速度型、位移变化检测型。其中加速度型以和速度型属接触型测量，使用时需将其固定在被测物体上；位移变化检测型属非接触测量型，使用时无须装在被测物体上。从检测频率来看：加速度型测振传感器主要用于中、高频范围，速度型测振传感器主要用于中频范围，位移检测型主要用于直流到低频范围。1.2.1接触式振动测量在振动测量技术中，根据被测对象与测量元件是否接触分为接触式测量或者非接触式测量。传感器的信号，经数据处理后，可以获取被测对象的振动信号。自20 世纪60 年代起，人们进行了大量振动测量的理论和实践研究。实践发展过程中，常见的接触式测量方法

6、分为以下几类：压电式，电阻式，电动式。（1）压电式传感器：典型的“双向传感器”。属于发电式传感器。压电效应：当沿着一定方向对某些电介质施加力使其变形时，在一定表面产生电荷，外力去掉后，重新回复不带电状态，这一现象被称为正压电效应。在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向产生机械变形或机械压力；外加电场撒去时，这些变形或应力也随之消失，此被称为逆压电效应。工作原理：以某些物质压电效应为基础。应用：利用正压电效应可制成压电电源以和电压发生器，利用逆压电效应可制成超声发生器以和电声器件。利用压电效应，可制成测力传感器。在振动测量之中，由于压电晶体所受力是惯性质量块产生的牵连惯性力，产生的电

7、荷数与加速度大小成正比，因此压电式传感器是加速度传感器。压电式力传感器在振动试验中，除测量振动外，还经常测量对试件所施加的动态激振力。压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小以和重量轻等优点，因此获得广泛应用。（2）电阻应变式传感器：将被测的机械振动量转换为传感元件电阻变化量。实现这种机电转换的传感元件有很多种形式，其中电阻应变式的传感器是最常见的形式。电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上，由于试件受力变形，引起应变片原长变化，从而引起应变片阻值变化。实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化与其长度的相对变化成正比。 图1.1 电阻应变式测振传感器测振示意图电阻应

8、变式加速度测振传感器有两种主要类型。一是张丝式，它的主要原理是通过物体振动，带动其内部电阻丝长度发生变化，从而使其电阻发生相应变化。二是压阻式，它是利用了半导体或者某些稀有金属受力时，其本身电阻率发生改变的特性的压阻效应。电阻应变式加速度测振传感器如图1.1所示。基础振动带动质量块振动，使悬臂梁发生弯曲变形，使粘贴在梁上的应变片随之变形。由加速度频率特性可以知道，位移与输入加速度成比例，粘贴在梁上的应变片将质量块的相对位移转换成电阻变化，再经电桥转换为电压输出。通过其幅频特性，电阻应变式加速度测振传感器的频率特性主要由其内部弹簧质量决定。该类传感器工作频率低，为02KHz，可以测量超低频振动。

9、 一般与动态应变仪配合使用。在选择此类电测型测振传感器时，要充分考虑被测量的参数（位移、速度或加速度）、测量频率范围、量程、分辨率、使用环境以和相移等问题。对相位有严格要求地振动测试项目，如相关分析，传递函数分析等，应特别注意传感器和测试系统的相频特性，或者对供货商提出要求；或者在振动台上实测相差，以便对传感器作筛选或在分析时作出修正。（3）电动式传感器起源于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场内切割磁力线时，导体两端就会感生电动势，利用这一原理的传感器称为电动式传感器。从机械接收原理来说相对式电动传感器，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用电磁感应规律，因此其产生的电动势与被测振动

10、速度成正比，实际上它是一个速度传感器。1.2.2 非接触式振动测量非接触测量是以光电、电磁技术为基础，不接触被测物体，从而得到物体表面参数信息的测量方法。典型的非接触测量方法有激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量法等。 （1）电感式传感器是依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测机械振动参数变化转换成为电参量信号变化。利用线圈自感或者互感变化，实现测量的一种装置。他的核心部分是可变自感或可变互感，然后将被测量转化为线圈自感或线圈互感的变化时，一般利用磁场作为媒介或者利用铁磁体。其是把被测位移量转换为线圈自感或互感变化，而实现测量的一类传感器。因此，电感传感器有二种形式，一

11、为可变间隙式，二为可变导磁面积式。优点：结构简单可靠、抗干扰能力强、输出阻抗小、输出功率大、对工作环境要求不高、示值误差一般为示值范围的0.1%0.5%、分辨率较高、稳定性好。缺点：不宜用于快速测量。频率响应低、（2）涡电流传感器是一种相对式非接触式传感器，通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的位移或幅值。涡流线圈感抗与被测导体离线圈远近有关。涡电流传感器具有线性工作范围大、频率范围宽（010 kHZ），非接触式测量和灵敏度高等优点，主要应用于振动位移的测量、静位移的测量、旋转机械中监测转轴振动测量。涡电流传感器是成立在涡流效应原理上的传感器。涡电流传感器可以以非接触地方法测量物体

12、外貌以及金属导体的多种物理量，如位移、厚度、转速、振荡、硬度、应力等参数。这种传感器可用于无损探伤。 涡电流传感频率响应宽、布局简略、测量规模大、抗干忧能力强、活络度高，特别是具有非接触测量的优点，是以在工业出产和科技的广泛范畴内获的了广泛的应用。（3）电容式传感器是将被测量变化转换成电容量变化的一种装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。一般分为两种类型：可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可测量直线振动位移。可变面积式可测量扭转振动角位移。结构简单、易实现非接触测量、动态响应快。比较容易受干扰和分布电容影响。广泛应用于位移、压力、液位、加速度、成分含量测量中。电容式传感器可以用来测量直

13、线位移、振动振幅、角位移，尤其适合测量精密轴系回转精度、加速度等机械量、高频振动振幅。还可用来测量压力、液位、料面、压差、非金属材料的涂层、成分含量、油膜的厚度、测量电介质的密度、湿度、厚度等，在控制系统和自动检测中常常用作位置信号发生器。1.3毕业设计内容与意义该设计题目属于机电一体化系统设计内容，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、机械制造和基础、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，完成基于悬臂梁测振系统的整体设计，包括悬臂梁的机械结构系统、激振器的夹持系统、传感

14、器的调整以和固定系统、自动控制系统等几个部分。 该系统的指标如下： 1系统最大检测位移为10mm； 2传感器原始间隙的最大范围为5mm； 3激振器的固定位置可以在悬臂梁的滑槽内移动，移动范围为20 mm；4传感器可以在悬臂梁上移动范围为10 mm。本系统的设计,着重以下几个方面:（1） 经济、小型装置实验设备应该是小型的、成本低的, 应充分利用实验室现有装置, 并且便于操作和管理。（2） 能完成预定测试要求试验装置应根据要求产生不同的振动频率, 且将各点振动结果准确测量出来, 还要找出其共振点,确定固有频率。（3） 测试结果数字化为了克服模拟信号测量和读数的误差, 可以采用单片机系统对振动信号

15、进行分析处理, 以得到更加准确的振幅值。通过分析, 确定被测系统固有频率。2 悬臂梁测振系统总体设计2.1系统结构组成本系统采用稳态正弦激振方法, 对试件施加一个稳定单一频率的正弦激振力, 在试件到达稳定状态后, 测量振动响应和正弦力的幅值比,从而得到该激振频率时的幅频特性值。因此, 整个系统主要分为以下几部分组成: 激振装置、被测装置、测量装置和单片机系统。2.1.1 被测装置被测装置采用悬臂梁, 激振器连杆与悬臂梁相连, 同时将涡电流传感器固定在梁的长度方向。在传感器正下方安装螺旋调整装置, 固定在悬臂梁的底座上, 来调节连接在螺杆上的金属平板和传感器间的原始间隙。同时在悬臂梁的底座上开有

16、T型通槽, 当传感器需测量梁上不同点的振动时, 可以相应移动螺旋调节装置, 来保持两者在垂直方向上的对正性。与此同时,用千分尺调节结构作为螺旋调节装置, 调节范围为0-5mm, 精度为0.01mm。2.1.2 激振装置激振装置主要由信号发生器、电动式激振器、功率放大器等组成, 在系统中，选用有线性特征的悬臂梁作为被测装置，在其端部与激振器连杆相连，信号发生器产生标准的稳态正弦波, 经过功率放大后输入到激振器, 激振器根据要求产生频率不同的正弦激振力, 作用在被测装置上。在实验时对于激振力的幅值,可进行恒力控制, 方法是采用高阻抗输出的功率放大器, 给激振器输送恒定电流来实现恒力输出。图2.1

17、稳态正弦激振实验框图2.1.3 测量装置由于涡电流传感器属非接触式传感器之列，且具有线性工作范围大、频率范围宽（010 kHZ），灵敏度高和非接触式测量等优点，主要应用于振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量、静位移的测量。 再加上出于经济方面的考虑，故采用涡电流传感器作为测试装置。图2.2 涡电流测震系统组成框图涡电流测振仪输出一个稳定的电压信号, 单片机接收并测量到的结果也是一个稳定的数值。当金属平板相对于传感器沿轴线方向水平移动时, 由单片机系统上测量到的结果也是一系列随位移变化的数值。当金属平板相对于传感器作往复运动即按一定频率振动时, 经单片机系统测量处理后可得到振动系统的频响

18、特性。2.1.4单片机系统单片机是一种集成在电路芯片上，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、只读存储器ROM、多种I/O口以和中断系统、随机存储器RAM、定时器/计时器等功能（可能还包括脉宽调制电路、显示驱动电路、A/D转换器等电路、模拟多路转换器）集成到一块硅片上，从而构成的小而完善的一个计算机系统。单片机具有功耗低、体积小、扩展灵活、控制功能强、使用方便和微型化等优点，广泛应用在仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如频率、湿度、温度、电压、功率、厚度、角度、长度、流量、元素、压力、速度、硬度等物理量的测量。采用单片机控制使仪器仪表微型化、智能化、数字化，且比

19、采用电子或数字电路功能更加强大。例如精密的测量设备：示波器、功率计及各种分析仪等。2.2 系统测试步骤工作时将涡电流传感器固定在工作台架上，传感器测头与下方的金属平板表面的原始间隙为1mm左右。当金属平板与传感器处于相对静止状态时，涡电流测振仪输出一个稳定的电压信号，单片机接收并测量到的结果也是一个稳定的数值。当金属平板相对于传感器沿轴线方向水平移动时，由单片机系统测量到的结果也是一系列随位移变化的数值；当金属平板相对传感器作往复运动时，即按一定频率振动时，经单片机系统测量处理后可得到振动的振幅以及振动过程的情况。由低频段向高频段逐次改变信号发生器频率时，需注意应该保持激振力值的稳定性。每改变

20、一次频率，一定要等测试系统和悬臂梁都到达稳态后才可读数。这时，可从数码管显示器上观察各频率的振幅值。当发现悬臂梁产生共振时，应尽量在该点附近取频率间隔小一些，以便找到准确的共振频率。从键盘上输入信号幅值，可得到各频率点的幅值比，最后由打印机打出幅频特性曲线。具体步骤如下：1将传感器垂直紧固在测量台架的悬臂上，传感器和测量台架的台面应按仪器要求保持一定的间隙。2接通仪器电源。调整测量台架立柱上的螺母，使传感器上下移动，让测量仪指示在“0”刻度处。3移动传感器下面的金属平板，观察仪器输出结果。4固定金属平板，让传感器处于振动状态，观察仪器输出结果。5对该实验重复三次，记录下每次实验结果。3 悬臂梁

21、测振系统整体结构设计根据实验室现有悬臂梁，对其进行测量，然后通过测量数据，参考实验室悬臂梁结构进行系统所需悬臂梁设计。由实地测量观察可知，本部分主要包括：被测装置、激振装置、测量装置。3.1 涡电流传感器涡电流传感器能静态和动态、高线性度、高分辨力、非接触地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种线性化的非接触计量工具。涡电流传感器能准确测量探头端面与被测体（金属导体）之间动态和静态的相对位移变化量。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析、分析测量、振动研究中，对非接触的位移信号、高精度振动，能准确连续地采集转子振动状态的各种参数。如轴的轴向位置和径向振动、振幅。从轴承学、转子动力学的理论上

22、分析，大型旋转机械的运动状态主要取决于其核心转轴，而涡电流传感器能直接以非接触的方式测量转轴的状态，对诸如转子的不对中、不平衡、轴裂纹、发生摩擦和轴承磨损等机械问题的早期判定，可以提供关键信息。涡电流传感器以其测量范围宽、长期工作可靠性好、分辨率高、灵敏度高、抗干扰力强、响应速度快、结构简单、不受油污等介质的影响等优点，在大型旋转机械状态的故障诊断与在线监测中得到广泛应用。3.1.1涡电流传感器基本原理 根据法拉第电磁感应原理描述，块状金属导体置于变化磁场中或在磁场内作切割磁力线运动时，导体内将产生涡旋状的感应电流，此电流涡叫电流，此现象称为涡电流效应。根据涡电流效应制成的传感器称为涡电流传感

23、器。前置器中的高频振荡电流通过延伸电缆进入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变磁场。当被测金属体靠近磁场时，则会在此金属表面产生感应电流，同时该涡电流场也会产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体电导率、线圈的几何形状、电流频率、磁导率、几何尺寸和头部线圈到金属导体表面距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的磁导率、电导率、头部体线圈与金属导体表面的距离D、尺寸因子、频率和电流强度I等参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F（, , , D,

24、I, ）这一函数来表示。通常我们能做到控制, , ，I这几个参数在一定范围内恒定不变，则线圈特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然整个函数是非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取近似为线性的一段。通过前置器电子线路处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体距离D的变化转化成电流或电压的变化。输出信号大小随探头与被测体表面之间的离距而变化，涡电流传感器就是根据这一原理来实现对金属物体的振动、位移等参数的测量。工作过程：当被测金属与探头之间距离发生变化时，探头中线圈的Q值发生变化，Q值变化引起振荡电压幅度变化，这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化为电压（

25、电流）变化，最终机械位移（间隙）转换成电压（电流）。由上所述，涡电流传感器工作系统中可把被测体看作传感器系统的一半，即涡电流传感器的性能与被测体有关。按照涡电流在导体内的贯穿情况，可分为高频反射式和低频透射式两类，但是从基本工作原理上来说仍然相似。涡电流传感器最大的特点是能对厚度、位移、速度、表面温度、材料损伤、应力等进行连续非接触式测量，另外还具有灵敏度高，体积小，频率响应宽等特点，具有极其广泛的应用。本实验采用85811系列的25探头涡电流传感器。其具体参数如下：量程 （mm） 10灵敏度 （mv/m） 1工作频率 （Hz） 0-4000分辨率 （m） 10工作温度 （） 探头-30+12

26、0 前置器-30+70线性度 （%） 1.5供电电源 VDC -24温漂 （%） 0.2 图3.1 涡电流传感器3.3.1 涡电流传感器的固定 涡电流传感器并非固定不动，因此需设计一支撑架能够实现传感器在悬臂梁的移动，如图3.2所示。支撑臂通过螺栓连接与滑块相连，而滑块则放置在悬臂梁底座的T形槽内。需要移动时只需松开螺栓将滑块移动到相应位置即可。滑块如图3.3所示。图3.2 涡电流传感器支撑臂 图3.3 滑块3.2 悬臂梁的设计做为被测装置，悬臂梁对涡电流传感器的特性具有很大影响。（1）悬臂梁材料对传感器的影响 传感器特性与被测体的磁导率、电导率有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时

27、，由于磁效应和涡流效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，从而传感器灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铝，铜，合金钢等）时，相对与弱磁效应来说涡流效应要强，因此涡电流传感器感应灵敏度要高。（2）悬臂梁表面平整度对传感器的影响 不规则的被测体表面，会给实际测量带来附加误差，因此被测体表面应平整光滑，不应存在洞眼、凸起、凹槽、刻痕等缺陷。一般要求：对于振动测量来说被测表面粗糙度要在0.4um0.8um之间；对于位移测量来说被测表面粗糙度要在0.4um1.6um之间。（3）悬臂梁表面磁效应对传感器的影响 涡电流效应主要集中在被测体表面，如果加工过程中形成残磁效应，及结晶结构不均匀

28、、淬火不均匀、金相组织不均匀、硬度不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会使测量波形发生畸变。（4）悬臂梁表面镀层对传感器的影响 被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的厚薄、材质不同，传感器的灵敏度会略有变化。1支撑臂；2悬臂梁；3底座图3.4 悬臂梁结构图（5）悬臂梁表面尺寸对传感器的影响由于探头线圈所产生的磁场范围是一定的，被测体表面所形成的涡流场也是一定的，这样就对被测体表面大小有了一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径1.5倍以上；当被测体为圆轴并且探头中心线与轴心线正

29、交时，要求被测轴直径为探头头部直径3倍以上，否则传感器灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与探头头部直径相同时，其灵敏度下降到72%左右。被测体厚度也会影响测量结果。被测体中涡电流场作用的深度由材料导电率、频率、导磁率决定。如果被测体太薄，将造成涡电流作用不够，致使传感器灵敏度下降，一般要求用厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料和厚度大于0.05mm以上的铝、铜等弱导磁材料，灵敏度不会受其厚度的影响。根据以上原则确定选用表面经过渡锌后的45钢悬臂梁。结构图3.4：悬臂梁底座与支撑臂中心部位均一T形槽，其结构如下图所示： 图3.5 T形槽 悬臂梁的底座与支撑臂之间由卡板连接，如下图所示：图3.6 悬臂梁卡板3.3 激振装置的选择3.3.1 激振器激振装置：附加在某些机械和设备上用来产生激励力的装置，它是利用机械振动的重要部件。激振器能够使被激物体获得一定形式及大小的振动量，从而可以对物体进行振动和强度测试，或者对振动测试仪器和传感器进行校准。激振器还可以作为激励部件组成振动机械，以实现物件或物料的输送、筛分、密实、成型和土壤砂石的捣固等。按激励型式不同,激振器分为惯性式、电磁式、电动式、气动式、液压式和电液式等型式。激振器可产生单向或多向、简谐或非简谐激