DK3型軸系扭振測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)精

1、DK2型軸系扭振測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)張艷春,等DK2型軸系扭振測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)DesignandImplementofDK2IIIShaftingTorsionalVibrationMeasuringInstrument張艷春李彩霞施麗銘徐洪志231213(清華大學(xué)熱能工程系,北京100084;河北大學(xué)電信學(xué)院,河北保定71002;66393部隊,河北保定071000)摘要:介紹了DK2型軸系扭振測量儀的總體設(shè)計與各部分功能實現(xiàn)。該型測量儀基于脈沖時序計數(shù)原理設(shè)計,在前端信號處理部分引入跟蹤濾波和峰值時序檢測技術(shù),并利用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷蚒SB接口完成系統(tǒng)邏輯設(shè)計及數(shù)據(jù)通信。在撓性轉(zhuǎn)子實驗

2、臺上的扭振測量實驗表明,DK2型扭振測量儀可實現(xiàn)軸系扭振的較高精度測量。關(guān)鍵詞:扭振測量脈沖時序計數(shù)跟蹤濾波峰值時序檢測軸系中圖分類號:TP216+11文獻(xiàn)標(biāo)志碼:BAbstract:Theoveralldesignandfunctionalimplementationof2oduced.Theinstrumenthasbeende2signedbasedonpulsesequentialcountingprinciple;andonareinvolvedinfrond2endsignalprocessingsec2tion;byadoptinglargescaledprlandthelogi

3、cdesignanddatacommunicationareachieved.Theex2perimentcarriedoutonforonalvibrationmeasurementshowsthattheDK2instrumentisabletoaccomplishhighprecisemeasurement.Keywords:TorsionalvibrationmeasuringPulsesequentialcountingTracefilteringPeaksequencedetectionShafting0引言在轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究中,軸系振動的測量分析占有重要的地位。旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系扭轉(zhuǎn)振動

4、(以下簡稱扭振)的形態(tài)通常不明顯,故因扭振造成的軸系疲勞損傷具有較大隱蔽性。一旦這種疲勞積累到一定程度,就可能導(dǎo)致軸系斷裂,其損失將極為慘重。傳統(tǒng)的A/D數(shù)據(jù)采集卡能同時記錄傳感器輸出信號的振幅和時序信息,而對于扭振測量,只需相應(yīng)的時序信息就足夠了。工程中軸系的扭振幅度往往較小,對于多通道測量來說,要求數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率較高,這樣就增加了儀器成本。本文基于脈沖時序計數(shù)原理研制的DK2型扭振測量儀,克服了測量齒盤分度不均的影響1儀器的便攜性,已成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾涌诜绞健?硬件設(shè)計扭振測量儀硬件總體設(shè)計過程是:鍵相脈沖信號負(fù)責(zé)將計數(shù)器清零并啟動計數(shù),齒波形信號經(jīng)跟蹤濾波和峰值時序檢測電路轉(zhuǎn)為齒

5、脈沖信號,送入計數(shù)器鎖存當(dāng)前計數(shù)值并存入FIFO存儲器。MCU控制部分負(fù)責(zé)判斷數(shù)據(jù)狀態(tài)并讀取數(shù)據(jù),通過USB接口上傳到計算機(jī)系統(tǒng),經(jīng)計算分析后獲得軸系的扭振信息。測量儀計數(shù)時鐘為10MHz,在工頻轉(zhuǎn)速50Hz下,儀器角分辨率為:DnnDEG=fcTr=010018°(1)。工程測量中,軸系所處環(huán)境非常式中:fc為計數(shù)頻率;Tr為轉(zhuǎn)速周期。1.1跟蹤濾波為了消除輸入信號中的毛刺等高頻干擾信號,采用性能優(yōu)良的集成濾波器MAX297結(jié)合鎖相環(huán)等完成濾波功能。濾波器的拐角頻率始終跟隨齒波形信號頻率的變化,從而獲得較好的基頻信號,恢復(fù)正確的齒脈沖相對時序。MAX297是8階低通橢圓開關(guān)電容濾波

6、器2復(fù)雜,傳感器輸出擾動較大,常為幅度不均的波形信號。因此儀器前端采用了跟蹤濾波和峰值時序檢測的方法,獲取正確的齒脈沖時序。計數(shù)與邏輯管理等部分采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷O(shè)計實現(xiàn),提高了電路集成度。該儀器還采用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。USB接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點,提高了修改稿收到日期:2008-11-07。第一作者張艷春,男,1950年生,1977年畢業(yè)于清華大學(xué),獲學(xué)士學(xué)位,副教授;主要從事渦輪機(jī)強(qiáng)度與振動計算與試驗研究。,其滾降速度快,從通頻帶到阻帶的過渡帶可以做的很窄。MAX297時鐘可調(diào)拐角頻率范圍011Hz50kHz,時鐘對拐角頻率比為501,可外接時鐘或使用內(nèi)部時鐘

7、。70PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol130No12February2009DK2型軸系扭振測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)張艷春,等此外,MAX297還有一個獨立的運(yùn)算放大器(反相輸入端已接地),可用于后置濾波、反混疊濾波等連續(xù)時間低通濾波器。圖1為跟蹤濾波部分的設(shè)計框圖。線上4。圖1跟蹤濾波部分設(shè)計框圖Fig.1Partialdesigndiagramoftracefiltering圖3計數(shù)與管理邏輯設(shè)計Fig.3Logicdesignofcountingandmanagement1.2峰值時序檢測在復(fù)雜環(huán)境下,電渦流傳感器輸出的負(fù)極性波形信號幅度常常大小不等,若采

8、用傳統(tǒng)的固定閾值波形-脈沖轉(zhuǎn)換方法,將會使得脈沖時序提前或延遲,造成較大的圓周角誤差,此時即使沒有扭振發(fā)生,也會得到虛假的扭振信號3CH372式。0的,從而可實現(xiàn)符合各種USB類規(guī)范的設(shè)備。CH372在計算機(jī)端提供了應(yīng)用層接口,它是由CH372動態(tài)鏈接庫DLL提供的面向功能應(yīng)用的API,解決,測出峰值相對時序,。較后轉(zhuǎn)換為峰值脈沖信號,從而得到正確的齒波形峰值時序,如圖2所示。所有的API在調(diào)用后都有操作狀態(tài)返回,但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)。這些API包括設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理API。因此,CH372的軟件編程接口簡潔易用,與本地端的單片機(jī)通信非常方便。MCU控制單元負(fù)責(zé)控制CPLD

9、讀取計數(shù)值,緩沖數(shù)據(jù),控制USB接口芯片完成與計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸,處理狀態(tài)信息的讀寫與顯示等功能。MCU選用AT2圖2基于相位延遲的峰值時序檢測Fig.2TimingpeakdetectionbasedonthephasedelayMEL公司的AT89C52,Flash型51芯片,通用性強(qiáng)、軟件編程方便。圖4為USB接口實現(xiàn)框圖。該部分設(shè)計中,信號延遲時間受輸入信號頻率f的影響。結(jié)合模擬電路知識和比較器的原理,當(dāng)選擇fL1R19+R16時,其影響合適的L及R值,滿足2即可忽略。1.3計數(shù)與管理邏輯計數(shù)與管理邏輯電路采用大規(guī)?？删幊踢壿嬓酒珻PLD設(shè)計實現(xiàn)。本文采用Xilinx公司的XC95288

10、XL。圖4USB功能實現(xiàn)框圖Fig.4ImplementationdiagramofUSBfunction該芯片具有288個寄存器、6400個有效門電路,最高工作頻率可達(dá)95MHz、邏輯門傳輸時間為10ns,而本設(shè)計中計數(shù)時鐘周期為100ns,計算驗證該部分傳輸時延造成的誤差可忽略。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。1.4MCU控制與USB接口USB接口部分采用南京沁恒公司的芯片完成。CH372是USBV111全速設(shè)備接口芯片,內(nèi)置了USB通理論上,當(dāng)軸轉(zhuǎn)速為3000r/min,測盤齒數(shù)為120,4個通道工作時,需要的USB數(shù)據(jù)傳輸速率至少為:4×4×120=96ksps60(2)在實驗

11、室測試本儀器USB接口上傳速率為18112ksps,完全滿足扭振測量的需要。信中的底層協(xié)議,具有8位數(shù)據(jù)總線和讀/寫控制線及中斷輸出,可以方便地掛接到單片機(jī)等控制器的系統(tǒng)總自動化儀表第30卷第2期2009年2月2軟件設(shè)計測量軟件界面采用VisualBasic語言(以下簡稱71DK2型軸系扭振測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)張艷春,等VB)編程實現(xiàn)。VB提供了數(shù)據(jù)控件(datacontrol)、數(shù)倍頻(即軸轉(zhuǎn)動角頻率)31Hz和二倍頻62Hz信號。另外與軸系重力矩影響有關(guān)的715Hz譜線(一倍頻和2一階扭振固有頻率的差值)也得到了體現(xiàn)。圖中還包括高階次倍頻信號。此外,對測量用的軸系應(yīng)用分段連續(xù)質(zhì)量模型的方法進(jìn)

12、行了扭振固有頻率的數(shù)值計算,得到軸系的一階扭振固有頻率為23151Hz,可見數(shù)值計算與實驗測量結(jié)果吻合很好。實驗還采用本所早年研制的DK-A型扭振測量儀前端信號處理的方法對同一轉(zhuǎn)子軸系進(jìn)行了扭振測量,其中轉(zhuǎn)子扭振一階固有頻率湮沒在背景的雜波中,不易識別。這也表明采用本文所述前端信號處理的方法在復(fù)雜環(huán)境下對軸系扭振固有頻率的測量取得了較高的精度。3據(jù)管理器(datamanager)及數(shù)據(jù)訪問對象(DAO)等功能強(qiáng)大的工具,很容易連接到Access數(shù)據(jù)庫文件。軟件還結(jié)合Matlab語言的COM組件技術(shù),編制了信號處理模塊,實現(xiàn)了VB與Matlab的混合編程,達(dá)到了強(qiáng)化信號處理功能、美化人機(jī)交互界面

13、的效果。圖5為軟件功能結(jié)構(gòu)圖。圖5軟件功能結(jié)構(gòu)圖Fig.5Structureofsoftwarefunction4,前端信號處,提高了抗。在模擬復(fù)雜環(huán)境下對扭振頻率的測量,獲得了較高的精度。另外采用MCU和USB接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制,增強(qiáng)了接口通用性和儀器便攜性。大規(guī)模可編程邏輯器件的應(yīng)用,也大大提高了電路設(shè)計集成度,增加了穩(wěn)定性。本文開發(fā)的DK2型軸系扭振測量儀對于軸系扭振的測量,具有一定的應(yīng)用價值和研究意義。參考文獻(xiàn)1傅海忠.用于大型旋轉(zhuǎn)軸系的扭轉(zhuǎn)振動測量技術(shù)的研究D.3實驗驗證。并對扭振波形進(jìn)行了數(shù)字信號處理與分析,獲得了滿意的效果。圖6為軸系轉(zhuǎn)速為1860r/min時扭振波形的現(xiàn)代功

14、率譜圖(固有頻率測量)。北京:清華大學(xué),1990.2何成兵.汽輪發(fā)電機(jī)組軸系彎扭耦合振動研究D.北京:華北電力大學(xué),2003.3張勇,蔣滋康,朱偉,等.DK2A型扭振監(jiān)測系統(tǒng)J.清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1996,36(7):19-23.4周守昌.電路原理M.北京:高等教育出版社,2004.5王正,李德玉.大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的扭振?；捌鋵嶒烌炞CJ.中國電機(jī)工程學(xué)報,1994,14(1):27-33.6王治國.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動及其控制過程研究J.圖6扭振波形現(xiàn)代功率譜圖Fig.6Modernpowerspectrumoftorsionalvibrationwaveform由圖6可知,

15、軸系一階扭振固有頻率2315Hz,一上海大中型電機(jī),2007(2):22-23.(上接第69頁)4鄭丹丹,劉明蘭,何超.基于GPRS/GSM的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)監(jiān)控、安防監(jiān)控等各個方面,具有一定的應(yīng)用價值和研究意義。參考文獻(xiàn)1李伯成.基于MCS251單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計M.北京:電計J.自動化儀表,2007,28(12):49-51.5曾一凡,曾輝.C8051F基于ZNE2100PT的以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(5):36-38.6陳明計,周立功.嵌入式實時操作系統(tǒng)SmallRTOS51原理及應(yīng)子工業(yè)出版社,2004:1-7.2鮑可進(jìn).C8051F微控制器原理及應(yīng)用M.北京:中國電力出用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:30-51