（光学工程专业论文）高速线阵ccd扭振测量方法研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 捅斐 本文在对现行的扭振测量方法进行介绍的基础上，建立了一种基于高速 线阵c c d 的轴系扭振测量的新方法，该方法首先在被测轴上预先标记一条螺 旋标记线，作为高速线阵c c d 摄象机的被摄物。当轴转动时，如果轴上没有 扭振，则c c d 输出图象上只有一个斑点在移动，并且斑点是匀速变化的；如 果此时有扭振，则c c d 输出图象上可能有多个斑点在移动，斑点的运动速度 是非匀速的。斑点位置或速度的变化携带了轴的扭振信息，通过相应的数据 处理算法，可以得到轴上包含的扭振状态。 本文采用遗传算法对c c d 输出位置坐标做数据处理，并通过m a t l a b 软 件编程实现，最终得到轴上所包含的扭振信息，从仿真结果来看，该扭振测 量方法切实可行，并具有精度高、非接触测量、实施方便等优点。 关键词：高速线阵c c d ，扭振测量，遗传算法 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t s t h i sp a p e ro nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tm e - t h o d ，e s t a b l i s h e dan e wm e t h o do fm e a s u r i n gt h et o r s i o n a lv i b r a t i o nb a s e do nt h e h i g h s p e e dl i n e a ra r r a yc c d t h e m e t h o di st e s t e df i r s ti np r e - m a r k e ds h a f to fa s p i r a lt a gl i n ea sah i g h s p e e dl i n es c a nc c dc a m e r ao ft h ep h o t om a t e r i a l w h e n t h es h a f ti sr o t a t i n g , i ft h e r ei sn ot o r s i o n a lv i b r a t i o no nt h es h a f t ，t h ec c do u t p u t i m a g et h a tt h e r ei so n l yo n es p o ti nt h em o b i l e ，a n dd o ti sau n i f o r mc h a n g e i fa t t h i st i m et h e r ei st h et o r s i o n a lv i b r a t i o n ，t h ec c d o u t p u ti m a g em a yh a v em o r e t h a no n es p o ti nt h em o b i l e ，s p o t st h en o n u n i f o r ms p e e do fm o v e m e n t s p o t c h a n g e si np o s i t i o no rv e l o c i t yt oc a r r yt h et o r s i o n a lv i b r a t i o ns h a f ti n f o r m a t i o n ， t h ea d o p t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gd a t a - p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，c a nb ei n c l u d e di n t h et o r s i o n a lv i b r a t i o ns h a f ts t a t e i nt h i sp a p e r ，u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mp r o c e s st h el o c a t i o no ft h ec c d o u t p u t c o o r d i n a t e s ，a n dr e a l i z et h r o u g ht h em a t l a bs o f t w a r ep r o g r a m m i n g i nt h ee n d ，t h e i n f o r m a t i o nc o n t a i n st h es h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o n f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e t o r s i o n a lv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o di sf e a s i b l ew i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g h p r e c i s i o n ，n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，e a s yi m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dl i n e a ra r r a yc c d ，t o r s i o n a lv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ， g e n e t i ca l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：差荔3 苏 日期： 2 p 夕7 年彳月，7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 羞喜琨 日期：2 。9 甲年月7 日 导师( 签亍：渺锯 叫年占刚日 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 轴系扭振研究的背景及意义 在现代工业生产和制造领域，汽轮机、涡轮机、发电机、风机、航空发 动机等大型旋转机械，轴系扭振是一个普遍存在的问题，只是由于具有一定 的隐蔽性而常被忽视。 扭转振动是轴系常见的振动形式之一。机械、电气、动力或负荷等方面 短暂的冲击和瞬变过程，会造成所传递的扭矩发生短暂或持续的波动，从而 导致旋转轴系产生扭转振动。扭振发生时，轴的应力状态周期性地变化，这 将引起轴本身及轴上零件的疲劳，轻n y l 起较大的噪声并加速零件的磨损， 从而缩短其工作寿命。重则形成裂纹、切口，并逐渐扩散，导致轴系的断裂 和崩溃，其后果往往是毁灭性的恶性事故，损失极为惨重。此外，轴系的扭振 还使机器的运行平稳性受到破坏，以及造成一些其它不良影响【。 轴系的扭振问题在很多实际应用中存在。例如在轧钢机中，由于坯料不 均匀和轧辊打滑，作用在轧辊上的轧制力矩随机变化，使其传动轴系因随机 激励而发生扭振。又如内燃机曲轴受到周期性的转矩冲击，同时滑块( 活塞) 、 连杆等构件等效到曲轴上的转动惯量是变化的，因而曲轴存在着严重的扭转 振动。 还有些机器中，在起动和停车时，由于轴的扭转变形，造成相关部件运 动不协调，从而破坏了机器的正常运行。在细纱机中，前、中、后罗拉均为 细长轴，当从一端输入扭矩使其转动时，由于罗拉上的负载不同，因此各罗拉 在起动时扭转变形不同，造成各罗拉末端不能同时启动，使前、中、后罗拉 末端的运动不协调，就会造成纺纱断头，而当罗拉发生扭振时会发生纺纱粗 细不匀的细结现象，因此使机器工作质量下掣刭。 哈尔滨i ：稗人学硕+ 学付论文 在大型汽轮发电机组中，由于负载的突然变化，或非正常运行方式产生 的轴系扭振，在某些电厂中造成了一些事故，引起机组破坏。由此可见，转 子的扭振对设备性能和安全造成严重威胁。为此，机械电子工业部明文建议 在i o o m w 以上大型汽轮发电机组使用扭振监测装置，以加强对扭振信号的 监测和预防事故的发生。但是，截止目前，轴系的扭振测量技术还很不成熟。 这是因为与测量横向振动相比，测量扭振要困难的多，这是因为轴系扭振信 号与横向振动信号相比，其幅值要微弱的多，使得扭振信号提取与分析更加 困难。 因此，对轴系扭转振动机理进行深入的分析研究，研究新的扭振测量方 法，以克服传统测量方法的固有弊端，具有极其重大的理论和实践意义。 本文首先对轴系的扭转振动机理进行分析的基础上，比较分析目前不同 的扭转振动测量技术，研究并建立的一种基于高速线阵c c d 的测量轴系扭转 振动的新方法。该方法通过设计一种基于高速线阵c c d 的轴系测扭装置提取 和分析由轴系扭振转化的扭振信号，从而获知轴系的扭转特性，并通过相应 的算法可以实现对轴系扭振的监测，该方法具有数据稳定、信息量大、准确 性高、灵敏度高、操作方便等特点。 1 2 轴系扭振测试技术的发展历史及现状 轴系的扭转振动会对系统造成极大的危害，具体的可以分为以下几种口1 ： 1 幅值过大的扭振，会在轴系中产生很大的瞬态扭矩，从而可能导致转 子轴系的主轴发生断裂。一般的扭振即使不会立即造成轴系损坏，也会通过 疲劳累积作用在应力集中的特殊部位产生疲劳裂纹，缩短轴系寿命。 2 轴系扭振是一种剧烈的能量交换现象，由于材料的阻尼会使轴段发热， 严重时会使某些部位烧熔。 3 轴系的扭振可能通过耦合作用传递到机械的其他部位，严重时可能破 坏整个系统。 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 由于轴系的扭转振动对系统运行的安全和性能影响极大，因此对轴系扭 振的研究和测试一直是工业领域一个重大的课题。自上世纪初期世界上第一 台扭振仪问世以来，随着科学技术的发展和对轴系扭转振动机理的深入研究， 扭振测量装置经历了机械式、模拟电路式、数字电路式等不同的发展阶段。 近几年，国外又研制成功基于激光多普勒效应的扭振测量方法。 不同阶段的扭振测量技术，具有不同的形式和特点，性能和应用范围也 不同。下面以几个有代表性的仪器来介绍一下扭振测量的发展历史： 机械式扭振测量仪以盖格尔扭振仪为代表。它足1 9 1 6 年由德国人盖格尔 设计的，主要用于内燃机轴系扭振测量。这是测餐扭振的最早仪器，它模仿 惯性式速度传感器原理，设计巧妙，实现了绝对测量，从信号获取到记录全 部采用机械结构。使用时，把待测轴用皮带与扭振仪的皮带轮相联，使轴的 扭振传递到仪器的架上，飞轮以架的平均角速度旋转，皮带轮以架的瞬态角 速度旋转，二者之间用蝶形弹簧联接，它们之间的相对角位移用杠杆测量并 放大后去推动记录笔。该方法因轴的扭振是通过皮带传递到测量架的，皮带 的弹性振动会引起失真。机械式测量记录系统，响应带宽非常有限。又因蝶 形弹簧不能太软，频率很低的扭振也不能测量，不能满足高转速、高频率扭 振信号测试的要求。但由于简单实用，该方法一直用到最近，还是测试中、 低速柴油机扭振的主要仪器。 模拟电路式扭振仪根据传感器和转子接触与否，可分接触式和非接触式 两种。接触式扭振仪( 如丹麦的d i s a 、英国的g 3 1 8 、上海内燃机所的s z n 1 型电感调频式电子扭振仪等) 的特点是将传感器( 测扭应变计，压电加速度 计等) 安装在转子上，测量信号再经过集流环或者无线电发射方式传给仪器。 这种方式的缺点是需要在轴系上安装专用传感器，由于轴系常工作在高温下， 加上结构特性复杂，对这些专用传感器的安装保护不易实现。另外，由于大 型旋转机械转轴表面线速度较高，所以很容易造成传感器失效或者误差变大。 3 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 而非接触测量法一般采用“测齿法 。代表仪器有英国a e 公司的，1 型，美国a t l a n t a2 5 2 4 、2 5 3 8 、2 5 2 1 型，上海电力成套设备研究所研制的d t v 8 8 扭振测量仪以及美国本特利公司的扭振仪等。它借助安装在转子上的码盘、 齿轮或者其它等分结构，通过测量角速度的不均匀性而达到测量扭振的目的。 但这种方法必须要求转子上有严格的等分机构，而且其准确程度直接受到所 建立的测量基准的影响。另外，由于轴系扭振信号微弱，其信号的提取和分 析工作也极其复杂，难以保证其测量的准确性。有些轴系上可以安装齿轮的 地方不多，且齿轮的齿数不能太多，导致这种方法的测量点很少，动态特性 也不理想。由于模拟电路式扭振仪采用模拟电路对信号进行传输、存储和分 析处理，因此都存在着抗干扰能力差，对低频、低扭角( o 1 0 ) 测试困难的 问趔4 1 。 从上世纪7 0 年代初美国及欧洲一些大型汽轮发电机组相继发生扭振导 致大轴断裂等破坏性事故以来，对大电网大机组条件下扭转振动的监测成为 轴系扭振研究和测试领域的新兴的课题【5 明。国内外都相继开展了这一领域 研究，相继研制出利用数字电路和计算机的强大的数据传输和处理功能的新 型扭振仪。这类仪器无论在测量精度、动态性能和抗干扰能力上都比模拟电 路式扭振仪有显著的进步，称为数字电路式扭振仪。 国内则是在1 9 8 4 年由东南大学研制出我国第一台n z 1 型微机扭振监测 仪，经过一年时间的现场实测，于1 9 8 9 年1 月成功的通过鉴定，是在非接触 模拟扭振仪的基础上改进的新型扭振仪。这台微机扭振仪采用数字处理技术， 利用紧凑可靠的单片机，对安装在齿轮旁的传感器输出的齿轮脉冲进行计算， 求出转速、扭角、频率，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。 东南大学在研制成功并小批量生产n z 1 型微机扭振仪后，立即开始了 高档的i i 型扭振仪的研制。它采用1 9 8 8 年美国新推出的8 0 8 9 型1 6 位单片机， 4 哈尔滨t j 稃大学硕十学位论文 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。 东南大学十多年来长期从事汽轮发电机组扭振监测仪研制工作，研制的 n z 1 、2 型扭振仪相继通过部级鉴定并获奖，在大型电厂中得到推广应用。 目前又与7 1 1 研究所合作，根据柴油机轴系扭转振动测试的需要提出性能、 指标等要求，改进而成n e t 通用型扭振分析记录仪。经过多年来在多次实 船轴系扭振测试中的应用1 6 l ，证明其性能达到了预定的指标和要求。 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。 上世纪9 0 年代初期，清华大学热能工程系动力工程及控制实验室也先后 研制出d k i 型和d k i i 型高精度轴系扭转振动测量系统，其主要用于大型 汽轮机发电机组轴系扭振的监测。该系统采用“脉冲时序法 的原理，在齿 轮盘附近安装非接触式传感器。在传感器信号进入计算机之前，采用了一种 独特的数字化处理方法，没有采用a ，d 转换器，从而提高了测量精度。并将 d k - i i 扭振测量系统经过改进安装在宁夏大武口发电厂3 号机组轴系上安装 运行，实现对扭振的实时检测。该系统运行平稳，而且抗干扰能力强，运行 效果良好。通过理论分析及实际验证，d k - i ia 型扭振监测系统的确能提高 测量的精度i 。 另外，近几年国外还研制成功基于激光多普勒效应的扭振测量仪1 8 j 。其 原理是利用激光束照射转子端面时产生的多普勒效应来测量扭振，如丹麦 b k 公司推出的2 5 2 3 型扭振测量仪和m m 0 0 7 1 型扭振传感器。 5 哈尔滨。门窜大学硕十学位论文 这类扭振测量仪由光学探头、信号处理和信号分析三大部分组成。当激 光束照射到轴的表面时，轴表面的线速度使散射光产生多普勒频移，频移量 的瞬间值表征了轴的瞬念角速度，除去直流分量，就可得到转子的扭振响应。 基于多普勒效应的扭振测量法不需要在轴上建立测量基准，测点容易设置， 实现了扭振的绝对测量1 9 j 但该方法的测量精度受到转子的横向振动、转子 截面的圆度误差的直接影响，很难提高其测量精度，而且测量设备复杂昂贵。 总之，目前国内和国外先进技术相比，无论是对轴系扭振机理的研究还 是在测扭仪的性能上，还存在不小的差距。扭振测量的重点和未来的发展方 向，是实现对大型旋转机械在高速运行状态下的扭振监测，尤其是对突发事 件引起的剧烈扭振的监测。因此，如何深入研究大机组、大电网条件下的扭 振机理研究，开发、改进和完善我国新型的扭转振动监测仪器，以缩短和发 达国家的差距，促进我国国民经济的发展，是旋转机械状态监测和故障诊断 领域的迫切任务。 1 3 论文的主要内容 论文的主要内容如下： 第一章绪论。介绍了轴系的扭振测量的意义和国内外轴系的扭振测量技 术的发展历史和现状。 第二章对现行轴系的扭振测量方法介绍。介绍目前使用的轴系扭振的接 触测量法、非接触测量法以及基于激光多普勒效应的测量法并比较它们之间 的异同及优缺点。 第三章介绍一种新的轴系扭振测量方法，并对该方法进行建模、理论分 析。 第四章介绍遗传算法的历史、原理、特点及应用。 第五章对本文所用的基于高速线阵c c d 轴系扭振测量的新方法使用软 件进行仿真，产生仿真数据，然后利用遗传算法对产生的数据进行扭振模态 6 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 信息提取，得到扭振中包含的各模态参数，证明这种高速线阵c c d 扭振测量 方法的可行性。 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章现有扭振测量方法介绍 目前，轴系扭振测量的方法主要可以分为两大类：接触测量法和非接触 测量法。接触测量法将传感器安装在轴上，测量信号再经过集流环或者无线 电发讯方式传给仪器。而非接触测量法一般采用“测齿法”，它借助安装在 轴上的码盘、齿轮或者其他等分结构，由磁电式、涡流式或光电式非接触传 感器，感受扭振引起的不均匀脉冲信号，通过二次仪表的解调处理后达到测 量扭振的目的。另外，还有一种方法，如果将多普勒测速方法做恰当的设计， 还可以利用激光来测量扭振。 2 1 接触测量法 为监测轴或轴上零件( 如叶片等) 的动态应力，把应变片贴在轴上，作为 敏感元件，来测量剪应变，剪应变随时间的变化情况就反映了轴的扭振，应 变片的布置要能消除轴的横向振动的干扰，并能实现温度影响的自动补偿。 文献【1 0 j 提供了几种可行的方案。 接触测量法是将传感器( 如测扭应变计，压电加速度计等) 安装在轴系 上，利用传感器直接感受轴系的扭转信号。扭转信号经过集流环或者无线电 发讯方式传送给仪器，再经过仪器分析和处理从而获得被测轴系原始扭转振 动的特征。其代表性产品包括丹麦的d i s a 、英国的g 3 1 8 、上海内燃机所的 s z n 一1 型电感调频式电子扭振仪。 接触测量法的方式之一是把测扭应变计作为敏感元件。 其测量原理是：将专用的测扭应变计用应变胶粘贴在被测轴系上并组成 应变电桥。当轴系发生扭振时，测扭应变计感受来自轴系转轴的剪应变，剪 应变随时间的变化情况就反映了轴系的扭振。 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 一 稳压电源卜一 麻变桥 一j ；激励电源j 1 5 v v v f 转换器 一 一蚕线咎射卜j 十 r 厂 厂 - 冲调电路。 一无线接呸) j 图2 1j n 3 3 8 型智能数字式转矩转速传感器原理图 图2 1 是j n 3 3 8 型智能数字式转矩转速传感器原理图【1 1 1 。其测量过程是： 扭振发生时，应变桥传递到的毫伏级扭矩信号被高精度仪表放大器放大至千 毫伏级强信号，再经过v 伊转换器变换成与扭应变成正比的方波信号。通过 轴上的微型信号发射器，非接触地传递到轴外的信号接受器上，再通过解调 就还原成与v f 转换出的方波同频率的信号。由于在有效的量程范围内，传 感器的转矩频率输出与对应的转矩值基本上成线性关系。因此，通过对频率 大小的分析即可获知对应扭矩的大小。 上述方法具有较高的灵敏度和较宽的频响范围，但由于轴系常工作在高 温下，因此粘贴应变计时，良好的绝热保护是关键的一环，应变计的布置应 能实现温度影响的自动补偿。 接触测量法的另一种方式是通过压电加速度计作为敏感元件来测量扭 振。用压电加速度计测量扭振时，也必须在轴上设计专用的传感器安装机构， 如图2 2 所示。在被测轴系上安装一个与之同速转动的安装盘，将一对特性 相同的加速度计对称安装在安装盘上，加速度计的敏感方向和轴系截面的切 线方向严格一致，二者到轴系中心的距离完全相同f 1 2 l 。 9 哈尔滨。i j 稃火学硕十学位论文 被 安装盘 图2 2压电式加速度计测量扭振 其测量原理是：轴系发生扭振时，安装盘在随轴系旋转的同时，也产生 与之同步的扭振。由于两个加速度计对称安装，在切向方向其扭转振动信号 相同，在径向方向横向振动引起的测量误差大小相等，方向相反。因此把两 个加速度计的输出信号相加除以2 即可得到被测轴系的扭振信号。对于上述 两种方式，一个共同的难点就是信号的传输问题。由于电荷信号微弱而且不 易传输，如何把两加速度计和应变计的输出信号准确地从旋转轴上取出，是 测量成败的关键。一般常用的有以下两种方式： 1 集流环引电器方式。 采用集流环引电器是实现动静部件之间传递信号的常用方法。集流环引 电器主要由两部分组成：一部分与传感器的引出线相连并随轴旋转，另一部 分与测量仪器相连，两部分之间应具有良好的减耐磨特性和良好的导电性。 1 0 哈尔滨1 ：稗人学硕十学位论文 集流环引电器分拉线式、碳刷式、水银式和感应式四种。由于集流环引 电器动静部分之间电阻的不稳定性，加上摩擦静电干扰，这种传输方式会降 低信噪比。 2 无线电发讯方式。 无线电发讯方式也称遥测。传感器输出信号用导线引至无线电发讯器， 经调制放大后，靠装在轴上的天线发射到周围的空间，在发射天线附近的静 止结构上安装接收天线，经解调放大和校j 下后，送记录或分析仪器。发讯器 有调幅式和调频式两类，其电源町采用电池或者感应供电方式。由于收发天 线之间的距离直接影响信号的强弱，这种测量系统在使用前，要预先标定。 与集流环方式相比，无线电发讯方式具有使用方便，测量精度高的特点，随 着大规模集成电路的发展，扭振的无线电发讯方式会得到更多、更广泛的应 用。 接触测量法把传感器直接安装在轴上作为敏感元件，直接感受轴系的扭 振信号。但这种方法存在着不足之处，其一是传感器感受的扭振信号微弱， 信噪比差，扭振信号提取和分析困难；其二是必须在轴上安装扭振信号传输 装置，有时不得不改变转轴的原来结构( 如安装齿轮) ，从而影响轴系的固有 特性；其三是轴系一般工作在高温环境下，需要对传感器进行隔热保护措施， 而且传感器的布置必须消除横向振动的影响，由于旋转机械的结构复杂，因 此，对这些传感器的安装保护不易实现。此时，非接触测量法就显示出了它 的优越性。 2 2 非接触测量法 非接触测量法一般都是基于脉冲时序法的测量原理。它借助安装在轴上 的码盘、齿轮或其他等分结构，有磁电式、电涡流式或光电式传感器，感受 扭振引起的不均匀脉冲信号，通过二次仪表的解调处理后达到测量扭振的目 的。 哈尔滨f ：稃人学硕十学何论文 当轴系旋转时，装在轴系上的齿形结构在传感器上感应出钟形脉冲电平 信号序列，其幅值和相位都可能携带轴的扭振信息，这取决于所用传感器， 如用电涡流式位移传感器，扭振信息存在于脉冲的相位信息中，经鉴相器解 调后得到扭振信号，这是调频法。若用电磁式速度传感器，则扭振信息既存 存f 信号的幅值也存在于相位信息中，通过检波，积分平滑并去掉直流分量 后，也可得到扭振信号，这是调幅法。 下面以调频法为例说明其工作原理f 1 3 j 。设轴系发生单一频率的简谐扭振 时，某一截面的角位移为： y o ) 子a s i n ( t o , t + p )( 2 - 1 ) 式中吐为振动角频率，a 和口为该截面处的振幅和初相位。 对于以稳定转速工作的轴系，设啤为轴的旋转角速度，则其运动方程为： 驴o ) = t o r t + a s i n ( t o , t + 日) ( 2 - 2 ) 如果以稳定转速工作的轴系，当其受到周期性激振力矩时，转子的扭振 包含不同频率和幅值的简谐分量，这时有： 们) = t o r t + 4s i n ( t o k t + 0 k ) ( 2 3 ) 再考虑到轴系的弯曲振动，同理，它亦可分解为多个频率成分。设第f 个频率分量的弯曲振动对扭振产生影响的瞬时值为y ；，则有： 驴p ) = t o , t + 乏爿s i n ( “吼) + y 。 ( 2 - 4 ) 如果在被测轴系截面处有一齿形盘，那么，用非接触传感器测量可以产 生一个脉冲串，当轴系做匀速转动时，脉冲串位置反映了各齿在齿盘圆周上 的排列位置。当轴系存在振动时，各脉冲的位置发生了变化，振动使得脉冲 信号发生了相位移，提取这种相位移，就得到振动的一组采样值，上面的脉 冲串携带了轴旋转运动的全部信息。 1 2 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 上述调频法假定齿轮的间距严格等分，不存在分度误差；调幅法假定齿 轮不存在齿廓误差，这两项误差是影响测量精度的主要因素。由于扭振幅度 相对于齿问距很小，信号的相位调制幅度是很小的，对频率解调电路的精度 要求将很高；扭振引起轴的角速度波动与平均角速度相比也很微弱，信号的 幅值调制度很小，因此，对幅值解调电路的精度要求同样是很高的。 传统的解调方法是通过硬件( 比如鉴频器) 直接得出扭振信号。然而该方 法本身的精度不会太高，而且难以消除齿盘的齿分度不均匀所造成的影响。 为解决这一难题，清华大学研制的d k - i i a 型扭振监测系统用数字方法来记 录脉冲间隔，用软件方法来实现解调。具体方法是： 用高速计数器来测量脉冲之间的间隔( 实际上是脉冲到来的时问) ，得到 一组组的数字信号。计算机软件对这些数字信号进行处理，事先测最出齿盘 的齿分度信息，得出基准值，再将实际得到的数值与之进行比较，即可分离 出扭振信息。 显然，用这种数字式的测量方法不但提高了测角的分辨率，而且避免的 齿分度不均匀所带来的误差，因而提高了测量的精度。 非接触测量法不需要在轴上安置特殊装置，而是利用轴上已有的等分结 构，测量准备工作较少，测量过程也不干扰轴的正常运转。但该方法要求轴 上有回转等分结构，一般的大型旋转轴上仅有一个测速齿轮，而一个测点显 然是不够的，这使测点数目大受限制，可行的解决办法是：利用轴上的准等 分结构作为扭振测点( 如联轴节周向的一组螺钉) ，在轴平稳运转状态下，测 出各螺钉之问的周向分度误差，作为基准数据去修j 下测量结果。 2 3 基于多普勒效应的测量法 当激光照射到运动的物体上时，被物体散射( 或反射) 的光的频率将发 生改变，这种现象成为多普勒效应。相应地，将散射( 或反射) 的光的频率 与光源光频率的差值成为多普勒频移。激光多普勒测速技术，在测量流体速 1 3 哈尔滨i ：群大学硕士学位论文 度方面，国外已广泛应用。国内应用研究也不少，这一技术的最突出特点是 非接触测量，灵敏度高，响应速度快。我们以丹麦b - k 公司的t o r s i o n a l v i b r a t i o n t r a n s d u c e rm m 0 0 7 1 扭振测量系统为例说明其测量原理l 堋。 m m 0 0 7 1 的功能是测量角振动，主要是用于轴类零件的非接触扭振测量。 如图2 - 4 。测量时，只需在被测轴上粘贴一条专用的激光反光带，用激光传 感器m m 0 0 7 1 向其照射，接受其反射回来的激光，并转化为相应的电信号后 逮信号 _ 光电探义 磁带记采杖 删譬h 标 图2 - 42 5 2 3 型澈光扭振测量系统组成 传输给扭振仪2 5 2 3 进行放大和处理。得到用数码管显示的扭转角速度、角位 移、转速信号的大小。 图2 - 5 是m m 0 0 7 1 光路原理示意图l l s l 。传感器的发光元件是c a a 1 a s f 镓 铝- 砷k 激光器总功率1 5 r o w ，其波长为7 8 0 嘲。激光器产生的激光由分光 镜分成等强度的两束平行光。其间距为d = l o m m 。当光束达到被测转轴后被 反射反射光聚于同一传感器上的光点探测器上，反射光的频移分别为，矗 兰等和，d ，。垒 ，经过光孔进入光电二极管，多普勒频移为，d 。，n 。一，k 甲 孑一j 臻吾 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 = 了2 0 x 广l ，其中d = 凡c o s a a + r s c o s 口口。光点二极管输出的电信号，包含直 v a 角速度输出 图2 - 5m m 0 0 7 1 光路原理不葸图 流分量和交流分量，交流分量的频率为厂d ，d 代表了轴的旋转角速度。当 轴发生扭振时，围绕某一平均值上下波动，形成一个不连续变频、变幅的 随机信号输出【3 5 ，3 6 】。即扭振信号被转速信号所调制( 调频) 。通过上述测量原理 可知，基于激光多普勒效应的测量法只需要轴系上有一段光洁表面，因此测 点容易设置，不需要专门建立测量基准，并实现了扭振的绝对测量。但该方 法在测量轴系扭振时，其测量精度会受到轴系截面的圆度误差的影响，难以 保证测量的准确性。 2 4 小结 哈尔滨i j 稃人学硕+ 学位论文 传统的扭振接触测量法都需要在轴系上直接安装专用传感器，容易影响 轴系固有的动态特性，同时，由于旋转机械的机构特性复杂，加上常工作在 高温下，因此，对这些专用的传感器的安装保护不易实现。 传统的扭振非接触测量法从本质上来说是相对比较法，都必须要求在轴 系上有严格的等分结构，而且其准确程度直接受到所建立的测量基准的影响， 扭振信号的提取和分析工作也极其复杂。 基于多普勒效应的扭振测量法虽不需在转轴上建立测量基准，测点也容 易设置，但其测量精度受到轴截面的圆度误差的直接影响，很难提高测量精 度。 扭振监测的重点和未来发展方向，是实现对大型旋转机械在运行状态下 的扭振监测，开发可靠性高的实用扭振监测系统方面。 因此，通过对轴系扭振不同测量方法的比较、分析，研制新的轴系测扭 方法和装置，是旋转机械状态监测和故障诊断领域的一项迫切任务。 1 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第3 章c c d 测量扭振的方法及原理 在2 0 0 6 年全国振动工程及应用学术会议上，哈尔滨工业大学高欣等人介 绍了一种利用c c d 技术非接触测量轴系扭振的方法【1 6 l 。该方法将调制有扭 振信息的黑白相问的条纹图案作为测量信号，通过相关算法得到扭振信息。 但该方法对每个条纹的灰度值和线阵光源的光强均匀性要求相对苛刻，实现 比较困难。 针对这种方法的缺点，哈尔滨工程大学温强等人提出了利用高速线阵 c c d 测量扭振的新方法，该方法首先在被测轴上预先标记一条螺旋标记线， 作为高速线阵c c d 摄象机的被摄物。通过对这条螺旋标记线在c c d 摄像机 成像线上成像斑点的运动状态的测量，得到被测轴上某一区间的扭转角和扭 转力矩。与现有方法相比较，具有数据稳定、信息量大、精度高、可一次性 多参数多断面测量、非接触方式测量、实施方便等优点。 3 1 测量装置及方法 下面是高速线阵c c d 扭振测量装置图3 - 1 ： 首先将被测轴上，预先标记一条螺旋标记线，作为高速线阵c c d 摄象机 的被摄物，并将线阵c c d 摄象机的扫描线与被测轴平行；这条螺旋标记线在 空间展丌是一条直线。当轴转动时，c c d 摄象机的成象线上就有一个或者多 个斑点在移动，如果此时轴上没有扭振，则斑点的运动是匀速运动的，如果 此时轴上有扭振，则斑点的运动速度是非匀速的，斑点速度或者位置的变化 携带了轴的扭振信息；通过适当的信息提取方法，就能够得到轴上各截面的 扭振状态。该方法只需在被测轴上标出一条螺旋线，而螺旋标记线的平面展 开为直线，非接触方式测量，所以便于实施：图像信号相对简单，是一个开 关量，即只需判定成像斑点的位置即可，对光强或灰度不敏感，因而对光源 要求不高，保证了测量精度；同时通过斑点运动状态还可估算扭转力矩。 1 7 哈尔滨i j 稗人学硕十学位论文 八 一t 一一a _ 1 ， ? 二 ? 3 4 u 5 上7 6 图3 1 高速线阵c c d 扭振测量装置的示意图 如图3 1 所示，高速线阵c c d 扭振测量仪包括：1 被测轴、2 螺旋标记 线、3 l e d 线阵光源、4 高速线阵c c d 摄像机及对准机构、5 数据处理单元、 6 人机交互界面。 将空间一条带有颜色的直线附帖在被测圆柱轴上，则这条直线在被测轴 的侧面上是一条螺旋标记线。其中，轴上螺旋标记线为一条螺旋角为定值的 螺旋线。当l e d 线阵光源照射到被测轴上，螺旋标记线就成为高速线阵c c d 摄像机的被摄物，线阵c c d 摄像机的扫描线与被测轴平行。当轴旋转时， c c d 摄像机的成像线上就有一个( 或多个) 斑点移动，如果被测轴只有正常 的旋转而没有扭振，则斑点的运动是匀速的，如果旋转的被测轴还存在扭振， 扭振信息被调制到作圆周运动的螺旋标记线上，变形的螺旋标记线在高速线 阵c c d 摄像机上的像为一非匀速运动的连续扫描斑点，也可能出现多个斑 点，则斑点的运动是非匀速的，斑点速度的变化携带了被测轴的扭振信号。 1 8 哈尔滨l ：稗人学硕十学位论文 高速线阵c c d 摄像单元将斑点图像信号转换成数字信号并与数据处理及控 制单元接口，数据采集与处理单元将采集到的斑点转换数字量，再采用适当 的数据处理方法获得被测轴的扭振状态，同时还能计算得到轴上的端面扭转 力矩。l e d 线阵光源由超高亮发光二极管( l e d ) 组成，具有强度稳定、节 能等许多优点。数据处理单元是一个高速数字电路系统，与线阵c c d 摄像机 相连接，其功能是处理图像信号、解算扭振数据。对准机构的功能是调整c c d 摄像机、被测轴及螺旋标记线的相对位置关系，根据线阵c c d 摄像机提供的 图像数据，通过手动或电动调整，使线阵c c d 摄像机的成像线与被测轴轴线 平行，进一步调整可以使螺旋标记线与被测轴轴线成某一已知角度。人机交 互界面单元与数据处理单元相连接，其功能包括显示、提示报警和数据转存 接口。 该方法首先确定被测轴与线阵c c d 成像线的角度关系，即通过通过手动 或电动调整线阵c c d 摄像机使被测轴的任一断面完全进入摄像机中心视场， 并转动调整线阵c c d 摄像机使成像线段长度最小，此时可认为摄像机成像线 与被测轴轴线正交，从而确定了被测轴与线阵c c d 成像线的角度关系，并进 而找到被测轴轴线与线阵c c d 成像线成平行关系时线阵c c d 摄像机的位 c c d 斑 点 位 置 坐 标 图3 - 2 没有扭振时图像斑点位置坐标与时间关系曲线 1 9 哈尔滨。1 ：币旱人学硕 学何论文 置，然后以摄像机的成像线中心为轴，旋转c c d 摄像机9 0 度，则被测轴轴 线与c c d 摄像机成像线平行。 当被测轴上没有扭振时高速线阵c c d 扭振测量方法及测量仪能提供出 螺旋标记线的图像c c d 斑点位置坐标与时问关系曲线，如图3 2 。 当被测轴上存在扭振时高速线阵c c d 扭振测量方法及测量仪能提供出 螺旋标记线的连续运动图像c c d 斑点位置坐标与时间关系曲线，如图3 3 ； 对该曲线作去直流分量处理( 将图3 3 曲线与图3 2 曲线作差得到的新曲线) 后，对分离出的新数据进行信息提取，即町得到被测轴被测量段内诸截面上 的扭振振幅、频率及其相位关系。 c c d 斑 占 位 置 坐 标 图3 - 3 被测轴上有扭振时高速线阵c c d 斑点位置坐标与时间关系曲线 3 2 测量原理 在如图3 4 所示的坐标系中，被测圆柱轴的旋转轴为o z 轴，被测圆柱端 面为o x y 平面。被测轴侧面上的螺旋标记线在空间展开为一条直线o m ，当 圆柱轴在没有扭振的情况下旋转，螺旋标记线的参数方程即p 点坐标表达式 为 2 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 y d 图3 4 轴上标记线的平面展开图 慝x - - r c s i n o s c ( f i t ) 协1 ， 等比留口( 3 - 2 ) q 。 b = a l c o s ( a j i t + 破) ( 3 - 3 、 2 1 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 式中a f 、劬、瞻( i = 1 ，2 ，n ) 分别为第i 种扭振模式扭转角的幅值、频率和相 位。则总扭转角随时间t 变化的函数关系为 p 善佛。善4 c o s ( 哪够) 。舢 ) ， 0 图3 5 扭转前后轴上标记线的平面展开图 当圆柱被测轴发生扭转振动时，如图3 5 所示，p 为该直线上任一扫描点。 此时，圆柱轴系仍以角速度q 旋转，任意时刻螺旋标记线在线阵c c d 上成象 的过程就可看成一条平行于z 轴以速度v = f t , r 运动的直线从下而上扫描，且 直线在t = o 时与z 轴重合，则p 点的y 轴坐标为y 1 = f 2 r t 。另一方面，由图 3 5 易得 y 1m z l ( t g a + z 0 ) - z ， t g o f + z 荟n 4 c o s ( 哗+ 仍) 】( 3 - 5 ) 由此可得，p 点对应在线阵c c d 上的位置随时间的变化关系为 7 f f 2 r t 幺。石曩n i 磊i p 6 ， 留a + z 善4 c 。s ( q f + 够) p 。6 于是扭转角鳄l 起的斑点在z 方向上移动速度的变化跏为 肌孥一y ( 3 7 ) 出 vv 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 斑点位置或者速度的变化蕴涵了被测轴的扭振信息，通过适当的数据处理算 法就可以从线阵c c d 斑点移动速度的改变中得到轴系的扭振信号。 3 3 小结 本章介绍了一种高速线阵c c d 测量扭振的新方法，并对该方法的实现方 式做了介绍，通过建模、理论推导，得出c c d 输出图象中斑点位置的变化或 者斑点在z 方向上移动速度的变化蕴涵了被测轴的扭振信息，通过适当的信 息提取算法，就可以得到轴系中的扭振信号。该方法具有可次性多断面测 量、非接触方式测量、实施方便等优点。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第4 章遗传算法 4 1 遗传算法的发展简史 早在4 0 年代，生物学家们就试图用计算机模拟自然遗传系统。5 0 年代， 工作于澳大利亚的a s f r a s e r 用一个1 5 位的串表示具有三个基因的染色体来 研究异位显性现副1 7 1 ，并设计了“适应度函数”来选择“父代。受此启发， 美国m i c h i g a n 大学的j o h nh o l l a n d 发现了基于适应度的人工遗传选择的基本 作用，并对群体操作进行研究，于1 9 6 5 年首次提出了人工遗传操作的重要性， 并将之应用到自然和人工系统中。他在6 0 年代就开始使用选择、交叉和变异 操作，并且提出了遗传算法的基本原理模式定理。 1 9 6 7 年，h o l l a n d 的学生j d b a g l e y 在论文中首次使用“遗传算法 这 一名称【1 8 】。他发展了选择、交叉、变异等遗传操作，并对染色体选择进行了 详细的研究，提出了适应度定标( s c a l i n g ) 的概念和算法自我调整的思想， 以防止早熟收敛。他还将遗传算法应用到了博奕法中。 1 9 7 5 年，h o l l a n d 出版了专著a d a p t i v e i nn a t u r ea n da r t i f i c i a ls y s t e m ， 书中系统地阐述了遗传算法的基本理论和方法，为遗传算法奠定了理论基础。 同年，d e j o n g 在论文中做了大量的计算实验，把模式理论和函数优化结合起 来，建立了d e j o n g 五函数测试平台，并且定义了评价遗传算法收敛和动态性 能的标准【1 9 】。此后，d e j o n g 的学生j g r e f e n s t e t t e 开发编制了g e n e s i s 软件 包，以推广遗传算法在函数优化方面的研究，他还促进发起了第一个国际遗 传算法会议i c g a ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ng e n e t i ca l g o r e t h m ) 。 1 9 8 3 年，h o l l a n d 的学生d g o l d b e r g 在博士课题中第一次把遗传算法用 于实际的工程系统煤气管道的优化。1 9 8 9 年，他出版了遗传算法领域另 一重要著作g e n e t i ca l g o r e t h m si ns e a r c h ，o p t i m i z a t i o n ，a n dm a c h i n e l e a r n i n g 2 0 1 。从此，遗传算法进入了蓬勃发展的时期，算法的应用研究更加 哈尔滨下稗人学硕十学付论文 广泛，理论研究也更加深入丰富。值得一提的是z m i c h a l e w i c z ，他在著作 g e n e t i ca l g o r i t h m s + d a t as t r u c t u r e s = e v o l u t i o np r o g r a m s 中详细介绍了一些实 数遗