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1、毕业设计题目小型转子振动模拟实验系统的设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级机自0705学生王学斌学号20070403200指导教师马玉真二0一 一年六月八日1前言1.1转子振动检测的背景及意义旋转机械是广泛用于各行各业，其中许多设备都是生产流程上的关键机械设备， 是企业进行设备状态监测的主要对象。加强监测和改善诊断设备等，以确保设备充分 而有效地运行，提高生产经营，提高产品质量，提高企业经济效益具有重要意义，与 传统设备振动监测系统，一般的传感器，组成信号处理电路，测试结果显示，控制面 板，这些部件，是一个独立的检测诊断设备，其主要功能是信号采集和控制，分析和 处理，并输出结果和表现。
2、由仪器制造商提供这些功能通过硬件和固件来实现的，构 成一般是固定的。正是因为它的功能是对硬件的形式，并确定了传统的故障诊断系统 只能由仪器制造商，制造和维护定义，用户不能随意改变其结构和功能，灵活性差。此外，传统的故障诊断系统的开发和开发周期和技术的更新周期长，维护成本高， 传统的故障诊断系统难以与其他仪器和设备中使用，一般都是独立使用，手动操作， 复杂，多参数测试场合，非常不方便使用，其局限性是显而易见的。与此同时，旋转 过程中的振动信号操作机械设备产生了隐藏信息，可以帮助人们正确判断旋转状态操 作过程中的各种机械的种类很多。基于上述情况，开发，设计并实现了基于振动的旋 转机械状态监测系统，
3、监测系统的分析，在此状态也是一种虚拟仪器的感觉。由计算 机，应用软件和仪器硬件三部分组成，计算机硬件和软件设备的有机集成的硬件， 计算机强大的数据分析，加工能力和硬件测量结合在一起，通过应用程序进行数据处 理，显示，存储和波形分析软件。传统的旋转机械故障检测方法来获取信号，其中大部分是基于单一传感器只能访 问该设备，一系统的部分信息，反映设备系统运行的一个方面，经常存在着不精确模 型，知识不充分等缺陷。该设备，系统复杂，条件和限制多样性单一传感器获取信息， 对传统的振动检测的检测方法，其效率往往不高，甚至有可能被误诊误判。随着信息 技术的出现和快速发展，人们认识到信息技术和旋转机械状态监测和故
4、障诊断技术， 一定能够打开一个状态监测和故障诊断的新的世界。两种技术的结合，使人民对动态 的信号研究从一维扩展到多维，从单一到多渠道，单节分析扩展到多节分析。越来越多的涡轮转子结构复杂，所表现出来的振动行为更不稳定。传统的谱分析 与轴心轨道的诊断方法有一些缺陷，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。随着微电子技术、信号检测与处理技术、计算机技术、网络通信技术以及控制技 术的飞速发展，各种面向复杂应用背景的多传感器系统大量涌现。在这些多传感器系 统中，信息表现形式的多样性、信息数量
5、的巨大性、信息关系的复杂性，以及要求信 息处理的及时性、准确性和可靠性都是前所未有的。多传感器信息融合技术最早产生 于航空电子学上的雷达目标识别问题，后来逐渐推广并应用到智能制造、过程监测、 材料成型和处理、机器人、导航、遥感，以及经济和人为系统等研究领域。传统的旋转机械状态监测和故障诊断为基础往往单通道信号的幅度来确定设备 的运行状态，当超过一定幅度的预设值，单位将报警或停机。但在实际生产中，一些 轻监视器状态为绿色时（正常），单元操作已经显然出现不正常现象。因为只有单一 传感器获取局部的信号，片面的信息环境的特点，并且获得十分有限的信息量，但是， 转子作为一个空间物体，它的振动必须属于在空
6、间领域的范畴，三向振动每一部分的 三维坐标，可以只使用了转子的完整描述和有无数的横截面。显然，用一个传感器测 量信号无法描述的转子振动空间，转子振动不能提供完整的信息。在与双通道信号是 同源信号对同一路段，使振动的两个方向，必须有一些什么样的关系，传统的方法是 在一个孤立的振动方向，一些重要信息，如不可避免的损失分析作为轨道，进动方向， 最大振动矢量等，这些信息往往是在监测和诊断中起着重要的作用。目前，涡轮现场实验，实验室模拟方法和计算机模拟是研究汽轮机组故障机理的 方法。现场试验是模拟实际单位具体故障在线检测的故障信号，提取一个故障的标志。 这种研究方法具有征兆故障关系明确、高逼真度故障状态
7、的优势。但是，这种方法具 有作为背景的噪声大，风险大，成本高的缺点。实验室研究是先设立一个单位，即模 拟试验床物理模型。然后在模拟试验台模拟机故障模拟故障信号，故障情况检测，提 取故障特征，以建立故障征兆和故障之间的映射。这种方法克服了野外实验的缺点， 是广泛使用的故障研究方法。1.2国内外转子振动测量系统的发展及现状据德国电技术杂志（E lektrotechn ik）报道，最近开发出一种新颖的双 转子感应电（DRIM ）结构上与一般的交流感应电机（ACIM ）差别很大。当磁极数少（例 如二极）的电机运行时，绕组的漏电感能减少到一般IM的70% 80%，而DRIM的 效率和功率则可增加到较高值
8、。DRIM具有特殊的定子和双转子结构，定子的外表面 和内表面均加工有齿和槽；而外转子和内转子一般均设计成鼠笼式构造。从二极定子 绕组的端部连接方式中看到，绕组端部的导线长度大幅度缩短，尤其对运行在少极 数的DR IM，由于定子绕组的漏电感和电阻比一般IM的小，故在相同的范围内能改 善DRIM的运行性能。DRIM有类似一般IM的起动过程，由于其定子绕组与一般IM的 有很大不同，故其起动特性优良，内外转子的结构对转矩很有利。4过去，重点借助开发新材料或利用优化设计方法来提高IM的效率，成效并不 显著。研究新结构电机采用数字模拟是最有效的方法，为研究DR IM的运行特性， 在实际的坐标上已建立DR
9、IM的电磁关系和数学模型，并用M a tlab语言完成了模 拟程序。这次研制的新型DRIM具有广泛的应用前景。日本安川电机公司不仅拥有VS686 ss5和Varispeed F7s等适用于大中型风机、水力机械的节能驱动系统，而且针对小容量风机水泵类负载的广大市场需求，开发 了高效的Ecoipm电动机。并与小型矢量控制变频器V1000配合，组成了小型高效 可变速的Ecoipm驱动装置，并己产品化。风机水泵类的风量和流量控制过去很少 采用变速控制。基本上由电动机拖动恒速运转，必要时仅调节挡风板或节流阀。但实 测中发现，除极短时间流量达最大值外，近90%的运行时间处于中等负载或轻载工况。 总用电量至
10、少40%以上被浪费掉。而采用Ecoipm变频调速运行，则可实现大幅度的 节能。5Ecoipm电动机的特点：（1）在0. 4 7. 5 kW容量范围内，高性能的表面式 永磁发电机（SPM ），其效率比超高效感应电动机的效率（IE3标准）还高；（2） Ecoipm电动机对比原感应电动机减小23个机座规格号，实现了小型轻量化；（3） 无需精密电子仪器的传感器，耐环境性好，可靠性高；（4）维护简单。在叶片旋转平面的机匣上安装传感器，叶片掠过传感器得到叶片振动幅值、频率、 相位等信息，从而分析整级叶片振动.美国国家技术研究中心、AEDC组织将非接触 式叶片振动应力测量系统简称为NSMS（ No n in
11、terference St ress MeasurementSystem）系统，德国 MT U 公司将其简称为 OBVM （ Opt icalBlade Vibration Measurement ）.该种测量系统和技术已广泛应用于航空发动机、电站燃汽轮机叶片 振动监测中。最近，香港大学电气与电子工程系提出一种适用于风力发电的外转子变速无刷永 磁发电机，该新型无刷永磁电机为一外转子结构，低速的外转子拓朴与风轮叶片直联， 旨在高效捕获风能。为达到高的功率密度，将同轴的磁性齿轮与永磁无刷发电机结合 一体，能使发电机设计为高速运转工况，该设计经精心加工制作，能实现对风力发 电的特定要求。此外，利用磁
12、性齿轮，可在内外转子之间提供一物理绝缘，因而维护对其静特性和空载与负载运行进成本最低、噪声最小。利用分段时间的有限元方法， 行模拟，并通过试验方法建立了原型。模拟和实 验结果证实了所设计电机的有效性。最后，作了 定量比较，证实该电机比同类产品，尺寸小、重 量轻、成本低。该电机的主要设计参数如下：内 转子额定转速1 000 r /m in，极对数3;外转 子额定转速136 r /m in，极对数22;定子圆环 的极数25;额定功率500W;额定电压220 V;额 定频率50 H z;永磁钢的剩磁感应1 T;定子半径 60 mm;内转子内半径60.6mm;内转子外半径 71.4mm;定子环内半径7
13、2mm;定子环外半径85 mm;外转子内半径86 mm;外转子外半径92mm;轴向长度40mm;机壳半径97mm;定子槽数27。国内在1984年由东南大学研制出我国第一台NZ-1型微机扭振监测仪，经过一年 时间的现场实测，于1989年1月成功地通过鉴定。这台微机扭振仪采用数字处理技 术，利用紧凑可靠的单片微机，对安装在齿轮旁的传感器输出的齿脉冲进行计算，求 出转速、扭角、扭频，并用数码显示和打印微机输出。该仪器功能较多，自动化程度 较高，且工艺简单，体积小，价格低廉。在研制成功并小批量生产NZ-1型微机扭振 仪后，立即开始了高档的II型扭振仪的研制。它采用1988年美国新推出的8098型 16
14、位单片微机，并配以适当的模拟线路，在测试精度、速度、量程、功能、智能化、 自动化等方面有较大的提高。其功能主要有：能同时高速采集来自安装在齿轮旁的传 感器的转速脉冲信号和电压、电流信号，但仍以大轴系扭振信号为主，直接分析的扭 振频谱、幅度，并根据有关的S-N曲线、振型曲线和有关公式定理确定相应危险截面 处的扭应力，进行分级和加权的疲劳寿命统计。该扭振仪可实时存储扭振超限时所对 应的扭角、电压、电流等参数，在离线状态下可对利用这些数据进行故障分析处理。最近，哈尔滨工业大学采用光纤测量技术实现航空叶轮泵高速转轴径向振动的检 测，对检测系统的工作原理做了详细介绍。设计了新型的光纤测头，提出相应的补偿
15、 方案，并对补偿机理进行了详细的分析。对测试系统的特性进行了研究，得出位移特 性调制函数表达式，给出了仿真曲线。理论计算和仿真分析表明，该测试系统能有效 地消除因光源光强波动、光纤弯曲损耗、表面反射率等因素对输出特性的影响，可以 在叶轮泵内部电磁干扰严重和高温等恶劣环境下实现对高速转轴径向振动的检测。实 验测试结果表明，随着转轴转速由1 000 r/ min提高到10 000 r / min，径向振 动幅值单调增加，这与实际情况相符合。叶轮泵超高速转轴径向振动检测的原理图如图所示，由半导体激光器发出的光 经发射光纤照射到高速转轴的表面，反射回来的光由接收器接收，把光信号转换成 电信号。转轴径向
16、振动造成转轴表面与测头之间位移的变化，引起光强信号的变化， 根据光强信号的变化便可测出转的径向振动量。图1检测系统原理框1.3转子振动检测系统的设计内容随着信息处理技术、传感器技术、网络技术以及现代测试技术等相关学科的发展， 为旋转机械的状态监测提供了强有力的技术支持，从而使旋转机械的状态监测成为可 能，在这种情况下，就形成了一门新的学科一设备状态监测。旋转机械的状态监测是 在旋转机械运行中或基本不拆卸机械结构的情况下对旋转机械运行状态进行定量测 定，通过对传感器所测信号的进行处理和分析并结合监测对象的历史状况来定量判别 旋转机械设备及其零件、部件的实时健康状态，预测旋转机械的异常及未来技术状
17、态， 并对旋转机械的故障部位、原因进行分析和判断，及时确定必要维修对策。这项技术 的根本宗旨就是运用当代一切科学技术的新成就发现设备的隐患，以便对设备事故防 患于未然。该设计题目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，完成转子模拟振动自动检测系统的整体设计，包括机械传动 系统、转子装夹系统、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. 系统采用直流电机驱动，电机
18、的转速可调，从10转/分到1000转/分；2. 电机的驱动采用直流电压控制；3. 系统采用接触测量方式和非接触测量方式，在计算机的控制下实现自动测 量。直流电机的结构包括定子和转子两部分定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑 电机，它的组成部分有主磁极、换向极、机座、端盖和轴承。1.4转子振动检测的前景与展望目前测量转子振动径向位移大多采用电涡流传感器，电涡流传感器是利用电磁效 应原理来对其进行测量的，因此电涡流传感器就要求被测对象周围不能有电磁干扰， 此外要求被测对象必须是单一金属材料,并且材料均匀。然而现在到处都有电磁干扰, 在一些应用场合还经常使用合金转子，这样目前的测量方法已不能满足工业
19、生产的需 要，势必要寻求一种新的测量方法。基于这些原因，目前提出一种测量方法，该方法用 线阵CCD作为图像传感器，并把其置于转子的径向,在照明系统和成像系统的作用下, 转子振动量成像在CCD光敏面上,CCD在外围驱动电路作用下，输出视频信号,把该信 号经过放大、滤波和浮动阈值二值化处理后,形成矩形脉宽，这个脉宽代表转子径向振 动位移量大小，计数器对该脉宽进行填脉冲式计数,单片机采集所计数值，并把该值通 过简易USB接口上传给计算机,上位计算机对采集的数据进行处理，进行傅立叶、小波 变换可以及时的发现转子有无故障，出现故障的时刻。这样用线阵CCD传感器、计数 器、单片机、简易USB接口与计算机组
20、成测量系统。目前的测试系统还是不能满足很多环境的精确测量，希望随着科技的发展能够有 更多的科技手段来提高测试系统的测量精度。并且能全自动智能化的完成所有测量和 反馈，以实现自动控制机械的安全，准确地进行。2小型转子振动模拟实验系统的设计方案2.1驱动动力的选取为了测试系统的精确度，我们选择直流电动机为该系统的动力源，直流电动机具 有以下特点：调速性能好，所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根 据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平 滑的无级调速，而且调速范围较宽。起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改
21、变电枢电压；2、改变激磁绕组 电压；3、改变电枢回路电阻。1、改变电枢电压对电机进行调速当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调速，一般只能在额定转速以下 调节；调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调 速范围较大；调速时，因中枢电流与电压无关电动机转矩不变，属恒速转矩调速，适合于 对恒转矩型负载进行调速；2、改变电动机主磁通进行调速可以平滑无级调速，但是只能弱磁通调速，即在额定转速以上调速；调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制，调速范围不大；属恒功率调速，适合于恒功率型负载调速；3、改变电枢外串电阻进行调速调速特性较软，电阻越大则特性越软，稳定度越低；空载或轻载
22、时，调速范围不大；实现无级调速困难，在调速电阻上消耗大量电能；最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）。一种模块式直流电机调速器， 集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用 光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用 PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上 构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。一种模块式直流电机调 速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元 件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常 数用pi
23、d适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电 机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。92.2运动转子振动的非接触测量非接触测量法由于其结构简单、安装便捷、监测范围广，同时不影响气流流动和 叶片频率及阻尼等优点，日益成为叶片振动监测技术的发展方向，在高速旋转振动测 量中展现出广阔的应用前景。2.2.1光电式振动测量（1）光电式传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、 辐射测量、气体成分分析等；也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量，如直径、 表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度以及物体形状、工作状态的识别等。 光电式传感器一般
24、由光源、光学元件和光电元件三部分组成。光源发出一定通量的光 线，由光电元件接收，在检测时，被测量使光源发出的光通量发生变化，因而使接收 光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被测量的大小。光 电式传感器输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电式位置传感器是利用光 电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光敏晶体管等 部件组成。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、 高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了 广泛
25、的应用。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式 四种基本形式。图4.1说明了这四种形式的工作方式。图4.1光电传感器的工作方式（2）光电法转速测量原理直射式光电转速传感器设有读数盘和测量盘，两者之间存在间隔相同的缝隙。 直射式光电转速传感器在测量物体转速时，测量盘会随着被测物体转动，光线则随测 量盘转动不断经过各条缝隙，并透过缝隙投射到光敏元件上。直射式光电转速传感器的光敏元件在接收光线并感知其明暗变化后，即输出电 流脉冲信号。投射式光电转速传感器的脉冲信号，通过在一段时间内的计数和计算， 就可以获得被测量对象的转速状态。直射式光电转速传感器的结构见图4.2。点封式矢电
26、转速传感器 汗令同盘结构示怠图输入轴倾元件唧图4.2直射式光电转速传感器的结构图它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相 连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收， 将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输 出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得 知被测转速，即n= f/N(4.1)式中：n为转速；F为脉冲频率；N为圆盘开孔数。2.2.2电容振动测量方法电容测微技术采用非接触式测量方法，具有精度高、动态性能好、分辨率高、稳 定性好、工作温度范困宽、适用于导体和绝缘
27、体材料等诸多优点，因而在航空、航天、 工业生产部门等领域的微小位移、振动、尺寸、角度、压力测量中得到广泛应用。目 前，电容测微系统正朝着智能化、小型化、模块化等方向发展，其体积将越来越小， 功能更为完善，易做成便携式仪器，用于现场检测。由于采用单片机或微机来控制仪 器的各种测量操作，包括采用基于USB接口的数据采集、数据通讯以及非线性误差 修正处理等手段，使其在功能和性能等方面均具有较大的提高。当进行微小位移或振 动测量时，测量系统的分辨率达到几个纳米甚至几分之一纳米，因此可用于测量金属 的微小变形、磨损量、端面跳动、油膜和薄膜的厚度等等。电容传感器是将被测非电 量的变化转换成电容量变化的一种
28、传感器。它有如下优点：(1) 可以获得较大的相对变化量。这就大大提高了传感器的输出信号。(2) 输入能量极低，只需要非常少的输入力。由于带电极板间静电引力很小，因 此它特别适合用于解决输入能量低的测量问题，如微小位移、振动和微小压力变化等 的精密测量。(3) 结构简单，适应性强。电容式传感器的结构相对简单，易于制造，可以做的 非常小巧，并且易于保证高的精度，以实现某些特殊测量，同时能在特殊条件下工作。(4) 动态响应好。电容传感器由于带电极板问静电引力小，需要的作用能量极小， 又由于它的可动部分质量可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动念响应快，特别适合于动态测量。又幽于其介质损
29、耗小可以用较高的频率供电，故其 系统工作频率高，适用于测量高速变化的参数，如测量振动和瞬时压力等。(5) 电容式传感器内外摩擦误差很小，大多数其他传感器由于机械部分或者磁路 部分原因，都存在内部摩擦力，这类误差很难消除。而电容传感器尤其作为位移测量 时是非接触的，不损伤被测表面，且具有平均效应，可以减少由于传感器极板加工过 程中局部误差较大而对整体测量精度的影响。(6) 温度稳定性好。电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于几何尺 寸，只从强度、温度系数、抗蠕变能力等机械特性来考虑，有利于选择温度系数低的 材料，并且因其本身发热极少，所以影响稳定性甚微。(7) 自热效应甚微。电容传感器用
30、空气或者其他气体作为绝缘介质，介质损耗少， 因此本身发热问题基本可以忽略。10利用微变电容式MEMS传感器，设计了一种角度 振动量的检测方法。以RC串 联回路直流充放电理论为基础，单片机系统为主体，实现振动量和角度偏移量的检测。 经过适当的滤波算法对原始信号进行处理，可以有效地减小噪声的干扰，并快速而准 确地分离出基波分量和高次谐波分量，进而得出较好的振动曲线和角度曲线。在振动、 角度等测量领域，采用差动式结构的MEMS电容传感器可进一步提高灵敏度，减小 非线性误差，然而，受结构微型化的影响，这种传感器的电容量一般只有几个pF， 而由外界引起的差分电容变化量就更小。2.2.3电涡流传感器测量电
31、涡流传感器就是能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨率地测量被测金属 导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移传感器能够 准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间的静态和动态距离及其变化。电 涡流传感器采用的是感应电涡流原理，前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头 线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有 金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当带有高频电流的线圈靠近被测金属 时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上 称之为电涡流。要准确检测轴的振动或位移的变化量，必须让探头工作在线性段，即
32、设法使轴振动或位移探头的零位参考点和径向振动或轴向位移探头的直流分量偏置电压设置在线性段的中点，以确保监视仪在整个检测范围内的准确性。11图7电涡流传感器原理图振 H- 汤 器检测电路放大器10被测体2.3运动转子振动的接触式测量2.3.1电阻应变片法引线覆盖层 基片昭咀乏耳职忐撇图8电阻应变片的结构该方法是在轴上粘贴电阻应变片，利用集流器装置或安装在轴上的无线发射装置 将应变信号传送到叶轮机械外部，经过前置放大处理，进行有关分析记录。该技术的 测量精度高，但是在众多的轴上粘贴应变片很烦琐，布线复杂，可靠性差。而且应变 式传感器的工作寿命较短，自身的荷重和体积也会影响待测件的特性。2.3.2磁
33、电式振动测量方法磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量(如振动、 位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机 械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有 一定的工作带宽(101000 Hz),所以得到普遍应用。12磁电式传感器直接输感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不 需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号， 则需要配用积分或微分电路。磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作 为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测
34、量及机载振 动监视系统中获得了广泛的应用。常用地测振传感器有动铁式振动传感器、圈 式振动速度传感器等。振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性（绝对）式测振传感器，要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数 k。这样，在较高振动频率下，由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时，振 动体（同传感器壳体）相对质量块的位移y（输出）就可真实地反映振动体相对大 地的振幅x（输入）。3小型转子振动模拟实验系统的机械部分设计3.1直流电机的参数选择标准电动机的功率由额定功率表示，所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作 要求的功率。功率小于工作要求，则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，
35、发热大而过早损坏；功率过大，则增加成本，并且由于功率和功率因素低而造成浪费。所选电动机功率为d n式中，弓为工作机实际需要的电动机输出功率，KW； P为工作机需要的输入功率， kw； n为电动机至工作机之间传动装置的总效率。工作机所需要功率应由机器工作阻力和运动参数计算求得，例如：P =蓊（KW）w.、Tn或P =（KW）w 9550nw式中，F为工作机的阻力，N； V为工作机的线速度，m/s； T为工作机的阻力矩，N m ； nw为工作机的转速，r/min； nw为工作机的效率。：13：14根据经验设计，现的转子的质量分别是800g，600g。转子的尺寸为W6 x25 mm， W6 x19
36、mm。轴的直径按照414 mm计算。根据转矩公式T = J xa 然而转动惯量公式J =切2 i i因此可得 J = J + J + J = m r2 +m r 2 +m r2 =1231 12 23 3a=V 2 小 d =心 d综上所述可得P =0.21（kw） w3.2试验台的设计根据经验设计和现有试验台的设计，因为实验台的尺寸的要求不是很严格，只是 起到一个支撑作用，所以我们可取试验台的尺寸为780x108 x45mm。3.2.1轴的设计（1）轴的强度校核计算1.按扭转强度条件计算，这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还 受有不大的弯矩时，则用降低许用扭矩切应力的办法给以考虑
37、。在做轴的结构设计时， 通常用这种方法初步估算轴径。轴的扭转强度条件为15PT 9550000t = w-伞t】T式中：Tt扭转切应力，MPa；T-轴所受的扭矩，N M ；七-轴的抗扭截面系数，mm3n轴的转速，r/min ；P轴传递的功率，Kw；d计算截面处轴的直径，mm；:Tt -许用扭转切应力，MPa。2.按弯扭合成强度条件计算，做出轴的计算简图，做出弯矩图，做出扭矩图。已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面(既弯矩和扭矩大而直径可能不足 的截面)做弯矩合成强度的校核计算。按第三强度理论，计算应力O =如2 + 4T 2通常由弯矩所产生的弯曲应力。是对称循环应变力，而由扭矩所产生的扭转
38、切应 力T则常常不是对称循环应变力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数 a，则计算应力为O =3 2 + 4(aT )2式中的弯曲应力为对称循环应变力。当扭转切应力为静应力时，取a尚.3 ；当扭 转切应力为脉动循环变应力时，取a 0.6 ；若扭转切应力也为对称循环变应力时，则 取a =1对直径为d的圆轴，弯曲应力为。=竺，扭转切应力T = T = T，将。和T代WWT 2W入式，则轴的弯矩合成强度条件为【间切。=(M )2 + 4(竺)2 =双2+(aT)2c W2WW式中：。轴的计算应力，MPa；M轴所受的弯矩 ，Nmm；T轴所受的扭矩 ，N mm；W轴的抗弯截面系数，mm3；3.
39、2.2轴承的设计(1) 滚动轴承的静载荷，设轴承上作用的径向载荷和轴向载荷七，应折合成 一个当量载荷P0,即P = X F +Y F00 r 0 a式中，X 0及匕分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数。按轴承载荷能力选择轴承的公式为C 0 冬 0 P0式中，S0称为轴承静强度安全系数。(2) 滚动轴承的寿命计算，滚动轴承样本中所列的基本额定动载荷是在不破坏 的概率(即可靠度)为90%时的数据。在实际中，由于使用轴承的各类机械的要求不同，对轴承可靠度的要求也就随之变化。为了把样本中的基本额定动载荷值用于可靠度要求不等于90%的情况，需引入寿命修正系数匕，于是修正额定寿命为L = a L式
40、中：L可靠度为（100-n）% （破坏概率为n%）时的寿命，即修正额定寿命；a1 可靠度不为90%时的寿命修正系数，由此可得18,106a CL = 1 （ ） 860n P式中，修正额定寿命的L.的单位为h。4小型转子振动模拟实验系统的控制电路部分设计4.1直流电动机的控制电路根据设计要求，系统采用直流电机驱动，电机的转速可调，从10转/分到1000 转/分，并且直流电动机驱动采用电压控速。现在采用光电式传感器对电动机的转速 进行采集，采集到的数据通过D/A转换器处理，得到方波型号，并将方波型号接到 CPU的或者口，通过上网的搜索，我选择ADS805为我的D/A转换器，该ADS805是 一个
41、20MHz，高动态范围，12位，线性模拟数字转换器ADC。该转换器包括一个高带 宽采样和保持，让优越的辨伪性能达到和超过奈奎斯特率。这种高带宽，线性跟踪与 保持最大限度地减少谐波，使其具有低抖动和卓越的信号噪比（SNR）性能。该ADS805 还与输入10MHz的ADS804和5MHz的ADS803兼容。该ADS805提供了一个内部或外部 参考都可以使用。该ADS805可以编程为一个2VP - P的输入范围使得操纵单运放最 容易，并提供最优越的辨伪性能。另外，5Vp- p输入范围可用于最低的输入参考 0.09LSBs均方根噪声提供优越的成像性能。也有能力之间设置2VP - P的和5Vp- P 的
42、，无论是单端或差分输入范围。该ADS805还提供了超量程标志，指示当输入信号 超过转换器的满量程范围。这个标志也可以用来降低前端信号调理电路的增益。错误 的ADS805采用数字技术，为要求苛刻的成像应用提供优良的差分线性。它的低失真 和高信噪比给予额外的保证金用于通信，医学成像，视频和测试仪器应用的要求。该 ADS805 可在一个采用 SSOP -28 封装。2021PIN DESCRIPTIONSPIHDESIGNATORDESCRIPTIOW1OVROver Range Indicator2BlData Bit 1 (D11)(MSB)3B2Data Bit 2 (D1D)0VF1 | 的
43、 WiRV4B3Data Bit 3 (D9)B1 227 %5B4Data Bit 4 (DB)6B5Data Bit 5 (D7)M 3 |36 GN&7B6Data Bit 6 (D6)3 425 INBB7Data Bit 7 (D5)阻 524 GND9B8Data Bit 8 (D4)10B9Data Bit 9 (D3)B-5 乾23 IM11B10Data Bit 10 (D2)B6 722 REFT12B11ata Bit 11 (D1)ADS0M07 82113B12Data Bit 112 (DO) (USB)14CLKConvert Clock Input期勺况REFS
44、15OEOutput Enable. H = High Impedance State.L = LOW or ffloating, normal operation(internal pull-down resistor). 10 叵jaJ SEL16+VS+5V SupplyB11 1217 GND17GNDGround18SELInput Range SelectH12叵回Ws19VREFReference Voltage SelectCLX m152DREFBBottom Reference21CMCoiminnon-Mode Voltage22REFTTop Reference23IN
45、Complenienitary Analog Input24GNDGround25INAnalog Input (+)26GNDGround27Ws+5V Supply28VDRVOutput Driver Voltage42传感器的采集电路此小型转子振动检测系统是选取了光电式传感器、电容传感器和磁电式传感器进 行数据采集的。4.2.1电容、磁电式传感器的采集电路电容传感器、磁电式传感器采集到的信号是模拟信号，需要将其转换为数字信号才能得到处理。因此，在此电路设计中我们采用了 AD7492作为此电路设计的A/D转换器。092引脚排列图nn目国可可凹因回日回15结 论随着企业设备管理的现代化，如
46、何使设备，连续，可靠，安全，高效运作，以满 足现代企业管理的要求，显得尤为重要。旋转机械设备，在过程中储备了大量的信息， 可以帮助人们正确判断旋转的状态操作过程中的各类机械振动信号操作。因此，我们设计了一个小转子振动试验系统，该系统在一个旋转机械振动产生的 信息的核心运作，以确定旋转机械的正常操作或异常的现象发生。本文讨论了该测试 方法，实施和优势的原则，设计了实验，在转子振动试验台振动试验进行了实验，以 测试这项评估，验证方法。在这个综合性，研究工作，现在将各章摘要如下：（1）在深入分析的旋转机械，振动特性和振动试验方法常见故障的原因。（2）对振动信号的时域和频域数据处理方法的详细说明。（3
47、）硬件设计，包括详细资料：滤波电路设计，信号放大电路设计，模拟数字转换 电路设计，单片机控制单元和USB接口单元的设计。（4）振动激发对转子系统的实施，振动信号，得到深入的研究。（5）系统的相关功能和参数。试验表明：具有性能稳定，可靠性高，响应速度快，成本低，系统可时域分析， 频谱分析和自相关的振动信号分析可以波峰因子，形状因子，脉冲，基带振幅值，基 本频率相，幅度和频率的监测，其他参数的旋转机械状态监测系统的功能需求，实现 对旋转机械和设备，实时监测中的振动信号。系统特点：（1）与传统的状态监测系统，基于计算机的旋转机械状态监测系统，以文书的三（信 号采集，信号分析和处理，显示模块）的功能模块都来进入计算机的执行情况，在计 算机上配置数据
