一種利用差動變壓器式傳感器測量振動的檢測系統(tǒng)研究_圖文

1、2009年2月第37卷第2期機床與液壓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)機械工程學(xué)院講師,主要研究方向為傳感器與測控技術(shù)、虛擬儀器、測試信號與信息處理技術(shù)。電話:130*,E -mail:wangxin wei19771631com 。一種利用差動變壓器式傳感器測量振動的檢測系統(tǒng)研究王欣威,慕麗(沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧沈陽110168摘要:介紹了差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)、輸出特性和利用其構(gòu)建振動測試系統(tǒng)的方法。分析了影響振動測試系統(tǒng)測量精度的幾個

2、主要原因及有效解決辦法。結(jié)果表明,經(jīng)過機械結(jié)構(gòu)以及測量電路的調(diào)節(jié)及補償,振動測試系統(tǒng)的測量精度得到了明顯提高。關(guān)鍵詞:差動變壓器;振動測試;零點殘余電壓中圖分類號:TP206文獻標識碼: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,除了對各種機械設(shè)備提出低振動和低噪聲要求外,還需要對機器的運行狀況進行監(jiān)測、分析、診斷,對工作環(huán)境進行控制。為了提高機械結(jié)構(gòu)的抗振性能,有必要進行機械結(jié)構(gòu)的振動分析和振動設(shè)計,而這些都離不開振動測試工作。差動變壓器是一種互感式電感傳感器,它可將微小的機械量如位移、振動、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、對工作環(huán)境要求不高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點。因而被廣泛應(yīng)用于各種工程物理量檢測與自動控制系統(tǒng)中。本文作者針對利用差動變壓器組建振動量測試系統(tǒng)出現(xiàn)的問題及解決方法作了詳細的介紹,并對實際振動測試系統(tǒng)的測量精度進行了實驗驗證。1差動變壓

6、器的結(jié)構(gòu)及工作原理差動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)化為電壓值進而實現(xiàn)位移量的測量2。圖1所示為差動變壓器結(jié)構(gòu)與原理圖,其中圖1(a 為實驗中采用的三段式開螺管式差動變壓器結(jié)構(gòu),它由初級線圈N 1和兩個結(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,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,M a =M b ,輸出電壓U o =0;當(dāng)銜鐵偏離中間位置時,M a M b ,變壓器處在差動工作狀態(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)差動變壓器結(jié)構(gòu)、電氣、磁路等參數(shù)完全對稱時,輸出電勢U o 與輸入位移x 才成線性關(guān)系4。2利用差動變壓器構(gòu)建實際振動量測試系統(tǒng)實際構(gòu)建的振動量測試系統(tǒng)組成如圖2 所示。圖2典型振動量測試系統(tǒng)組成實驗中,被測工件采用懸臂梁;激勵源為低頻振蕩器,輸出頻率為530Hz,幅值可調(diào);差動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影響振動量測試系統(tǒng)測量精度的主要因素分析311零點殘余電壓的影響及消除辦法31111零點殘余電壓產(chǎn)生的原因當(dāng)差動變壓器鐵芯處于線圈中間位置時,由于對稱的兩個次

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,差動輸出電壓應(yīng)該為0,但實際情況并不為04,如圖5所示為差動變壓器產(chǎn)生的零位輸出電壓的波形。在零點附近總會有幾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,把零位移時差動變壓器輸出的電壓稱為零點殘余電壓。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變壓器性能優(yōu)劣的重要指標5 。圖5零點殘余電壓輸出削頂波形零點殘壓產(chǎn)生的根本原因主要有以下幾方面:(

10、1兩個次級線圈結(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殘余電壓存在。磁路工作在磁化曲線的非線性段,激勵電流產(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外殼,同時起到磁屏蔽的作用,要求高時也可09機床與液壓第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。同時控制鐵芯的最大工作磁感強度,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償就成為消除零殘的最好的辦法6

12、。因而在實際使用時往往從傳感器的安裝精度和測量電路兩方面來實現(xiàn)零殘的補償。(1保證傳感器的安裝精度如圖3所示,將差動變壓器傳感器安裝在工作臺連接橋板上。首先用手按壓振動臺,保證差動變壓器的鐵芯沒有卡死現(xiàn)象,同時調(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,給傳感器初級線圈加入交流電源,頻率為5kHz 左右,幅值為4V,同時利用示波器觀察差動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償辦法來消除零殘電壓,如圖8所示。在沒接入補償電路時,在差動變壓器安裝的最佳位置,如圖7所示,零點殘余電壓U o =4215mV,而接入補償電路后仔細調(diào)節(jié)串、并聯(lián)電阻R W 1、R W 2,會使U o 幅值下降可達到U o =5mV,如圖9所示, 波形近似為一條接近零點的直線。圖8 零點殘余電壓補償電路圖9接入補償電路后輸出電壓波形這時差動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補償后的傳感器電壓輸出波形312測量電路的影響差動變壓器測量振動

14、信號,不經(jīng)過測量電路時,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。實驗中,將差動變壓器輸出信號接入,用手按住振動平臺(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接近零點的直線。圖11相敏檢波器輸出此時,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,同時利用示波器分別觀察19第2期王欣威等:一種利用差動變壓器式傳感器測量振動的檢測系統(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殘余電壓時,差動變壓器輸出振動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 標準的正弦波形。313電源激勵頻率和電壓的選擇提高電源頻率有下列優(yōu)點:(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。但過高的電源頻率會產(chǎn)生負面影響,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增

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,激勵幅值增加,也可提高靈敏度,但激勵過大會產(chǎn)生負面影響,如線圈發(fā)熱、磁能飽和等等,致使零殘電壓增大。因此,我們選擇激勵幅值為4V 以下,激勵頻率5kHz 左右,得出的波形比較接近包絡(luò)波形。表1為激勵電源幅值、頻率不同時,輸出電壓的變化。表1激勵電源不同幅值和頻率時的輸出電壓(峰-峰值U o (P -P V激勵電源頻率f /kHz激勵電壓幅值U /V2468101214164結(jié)論采用差動變壓器組建振動量測試系統(tǒng),其原理簡單,檢測電路一般采用集成電路。通過仔細調(diào)節(jié)傳感器安裝升降臺和進行合理的電路補償,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,也可看到,合理選擇電源激勵電壓的頻率和幅值對測量結(jié)果有明顯的影響。在實際測量中,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【1】強錫富.傳感器M