（测试计量技术及仪器专业论文）转子径向振动测量方法的研究.pdf

摘要 论文题目：转子径向振动测量方法的研究 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：王党树( 签名 指导老师：邱宗明教授( 签名 乔卫东副教授( 签名 摘要 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己不能满足工业生产的需要，势必要寻求一种新的 测量方法。 基于这些原因，本文提出一种测量方法，该方法用线阵c c d 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c c d 光敏面上，c c d 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u s b 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c c d 传感器、计数器、单片机、简易u s b 接口与计算机组成测量系统。 根据上面测量原理，本文设计了光学系统、硬件电路系统、软件系统，实验证明该方法 可以实现中低速转子径向振动位移测量，克服了电涡流传感器对测量环境和对被测对象要求 苛刻的缺点。 关键词：线阵c c d ；转子振动；简易u s b ；小波变换 a b st r a c t 1 3 t l e ：s t u d yo fr o t o rr a d i 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 m a j o r ：m e a s u r e m e n tm e t r o i o g y t e c h n o l o g y a n di n s t r u m e n t n a m e ：d a n g s h uw a n g s u p e r v i s o r ：p r o f z o n g m i n gq i u a s s o c i a t ep r o f w e i d o n gq i a o a b s t r a c t 涮鹊 s i g n a t u r e ：垒兰鱼芗咖叼 s i g n a t u r e a tp r e s e n t ，t h ee d d y - c u r r e n ts e n s o rw h i c hi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o ni su s e dm o s t l yj nv i b r a n tr a d i a ld i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n to ft h er o t o r , t h e r e b yn o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei sa l l o w e de x i s t i n ga r o u n dt h er o t o rt h a ti sm e a s u r e d i na d d i t i o n ，t h e r o t o rb em e a s u r e dm u s tb cap u r em e t a la n di t sm a t e r i a li s u n i f o r m h o w e v e r , t h e r ea r e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eh e r ea n dt h e r en o w a d a y s ，a n dw eo f t e nu s et h ea l l o yr o t o ri ns o m e a p p l i c a t i o n ，t h u st h em e t h o dh a v ec o u l d n tm o o tt h ec u r r e n ti n d u s t r i a lp r o d u c t i o nn c c d sa l r e a d y ，s o w e m u s ts e e ka n e w o n e a c c o r d i n g t ot h e s er e a s o l l s ，al l e wm e t h o do ft h ev i b r a n tr a d i a ld i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ti s p r e s e n t e di n t h i sp a p e r 1 1 l el i n e a r - c c di sa c t e da si m a g es e n s o ra n di sp l a c e da tt h er a d i a l d i r e c t i o no ft h er o t o ri nt h i sm e t h o d p r o v i d i n gt h el i g h t i n g ，r o t o rv i b r a t i o ni si m a g i n go nt h ec c d p h o t o s e n s i t i v eu n i t , w h i c hw i l lo u t p u tt h es i g n a lu n d e rt h ed r i v eo ft h ep e r i p h e r a ld r i v ec i r c u i t s f u r t h e r , t h ev i d e os i g n a lm u s tb em a g n i f i e d ，f i l t e r e da n dt w ov a l u ep r o c e s s e d ，w ec a r lg e ta r e c t a n g u l a rp u l s ew i d t ht h a tr e p r e s e n t sr a d i a lv i b r a n td i s p l a c e m e n to ft h er o t o rf i n a l l y , t h ec o u n t e r c o u n tt h ev a l u eo ft h i sp u l s ew i d t hu s i n gp u l s ef i l l i n g ，t h ev a l u ea r es a m p l e db ym c ua n da r e s e n dt oc o m p u t e rt h r o u g hs i m p l eu s b i n t e r f a c e ，h o s tc o m p u t e rd e a lw i t ht h o s es a m p l i n gd a t a , a n d t a k ef o u r i e r 、w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nw i t ht h e m ，t h e nw ec a nk n o wi ft h e r ei ss o m ef a u l to nt h e r o t o r , a n dt h em o m e n to ft h ef a u l t t h u sam e a s u r e m e n ts y s t e mw i l lb ec o m p o s e do ft h e l i n e a r - c c ds e n s o r , t h ec o u n t e r , t h em c u ，t h es i m p l eu s bi n t e r f a c ea n dt h ec o m p u t e r b a s e do nt h ep r i n c i p l ea b o v e ，t h i sp a p e rd e s i g n e do n e o p t i c a ls y s t e m ，o n eh a r d w a r ec i r c u i t r y a n do n es o f t w a r es y s t e m b ye x p e r i m e n t ，t h em e t h o dw a sf o u n d e dt h a tc a nm e a s u r et h er a d i a l v i b r a n td i s p l a c e m e n to fl o w s p e e dv i b r a n tr o t o r ，o v e r c o m i n gt h eh a r s hs h o r t c o m i n g sw h a t e d d y - c u r r e n ts e n s o ra p p e a l e df o rt h er o t o rr i g o r o u s l y k e yw o r d s ：l i n e a r c c d ：r o t o rv i b r a t i o n ；s i m p l eu s b ：w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：旌红。7 年3 月垆 学位论文使用授权声明 本人了排在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师张牟包垆j 月垆 绪论 1 绪论 1 1 引言 大型旋转机械是指汽轮机、压缩机、水轮机、发电机等机械设备，是电力、石油化工、 冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关键设备。而转子是这些旋转机械最关键部位， 特别是旋转机械的许多故障因振动引起，这样振动测量与试验就成为工程技术界非常重视的 课题。转子机械振动监测技术是了解和掌握这些设备在使用过程中的运行状态，确定其整体 或局部是否正常，早期发现故障及其原因，并预报故障发展趋势。 特别是2 1 世纪以来，随着工业生产和科学技术的发展，机械设备的可靠性、耐用性、 可维修性和安全性的问题日益突出，促使了人们对机械设备振动监测技术的研究。一方面， 随着现代设备日益大型化、复杂化、自动化和连续化，设备一旦发生故障，轻则停机，造成 重大的经济损失，重则造成设备毁坏和人身伤亡，引起严重后果。同时，利用状态监测系统 有利于提高了设备运行的可靠性，延长了设备的寿命，也使得设备的维修工作更加高效而科 学；另一方面。信息传感技术、信号处理技术以及现代测试技术等相关学科的发展，特别是 计算机技术及网络技术的飞速发展，为设备振动监测提供了强大技术支持，从而使上述需要 成为可能。在这种情况下，受医疗诊断学中一些基本逻辑思想启发，形成一门新学科设 备振动监测学。设备振动监测学主要完成以下工作“”： 1 及时掌握设备运行状态异常或故障的早期征兆，以便采取相应的措施，将故障消灭 在萌芽状态，避免或减少重大事故的发生。 2 一旦发生故障，能自动记录下故障产生过程整数据信息，以便事后进行故障原因分 析，缩短维修时间和费用，提高设备利用率，避免再次发生同类事故。 3 通过对设备状态异常的原因和性质进行分析，采取适当措施，对设备状态实行在线 调整，延长运行周期，为生产和维修决策提供科学依据。 4 通过监测得到的大量机器运行状态数据，可以更充分地了解机器的性能，为改进设 备设计、制造水平及产品质量提供有力的依据。 5 随时掌握设备运行状态的变化情况、各部分性能的劣化程度和机械性能发展趋势， 对设备状态变化情况做到心中有数，提高设备管理现代化水平。 在大型旋转机械的状态监测中，转予的径向振动参数由于其含有极为丰富的机器运行状 态信息，已被公认为最重要的参数之一。理论和实践证明，各种大型旋转机械的运行状态， 包括许多常见的故障信息都明显或隐含在转子的径向振动信号中。在所测出转子径向振动位 移信号中除了转子振动位移信号外，采用正确的信息提取、分析和处理方法，还可以得到转 子的轴心位置、轴心轨迹和转子振动工频的幅值与相位等重要信息，充分利用这些状态信息， 就可以知道当前转子运行状态，及时掌握设备运行状态异常或故障的早期征兆，完成上面设 备振动检测部分工作。因此转子振动的位移测量是旋转机械运行状态监测的非常重要一部 分。 西安理工大学硕士擘住论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 转子振动测量发展历程 旋转机械振动的监测作为一种解决工程问题的一种有效方法和手段，大概经历了如下的 发展历程”。： 二十世纪2 0 3 0 年代人们对机械的振动问题主要靠技术人员的经验和技巧，利用原始的 检测手段来判断机器工作正常与否。由于缺少检测振动的仪器，不能测出与振动有关的参数。 又由于计算手段不完善，也不可能进行可靠的动力学分析，常常根据实际的经验数据列出表 格，作为机器振动分析参考。 二十世纪4 0 年代，由于第二次世界大战，大量的军事设备可靠性要求提高，需对设备 进行诊断和检测，因此振动检测仪的重要性逐渐被人们所认识，各种电传感器和记录仪的出 现，能够测量振动、疲劳和应力参数，随后出现能够分析复杂振动信号的分析仪，逐渐推动 振动理论的研究和发展。 二十世纪5 0 年代，电涡流传感器被广泛用于旋转机械振动监测，电涡流传感器能够非 接触的测量旋转机械的振动状态，而不像过去那样通过测量机壳的振动来间接测量转轴的振 动，因为转轴是振源，最能代表机器的运动状态，因此电涡流传感器得到广泛的发展，为振 动检测提供可靠手段，也为转子动力学，轴承等学科提出先进的检测手段。 二十世纪6 0 - 7 0 年代，振动检测仪逐渐在旋转机械上配套。同时这个时期内，数字电路， 电子计算机发展很快。当计算机进入信号处理与分析领域时，测试技术便出现一个新分支一 “数字信号处理与分析技术”，这种技术提供了对各种物质运动的分析和识别信息它是建 立在利用快速傅立叶变换和计算机基础上的。因此它能够采用非时域特征的函数分析，深入 描述物体的运动性质和动态过程。在这一时期各种基于数字信号处理原理的频率分析仪，及 其它以微处理器为核心的多功能信号分析仪器大量涌入，从而大大加强了对振动信号时域的 分析功能。 二十世纪7 0 8 0 年代，旋转机械的振动监测和分析系统在许多发达国家开始研制，并把 实验室的研制成果推广到工业部门的应用。例如日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统” ( m a c h i n e r yh e a l t hm o n i t o r i n g ) ，美国西屋公司的“可移动诊断中心”( m o b i l ed i a g n o s i s c e n t e r ) ，美国中心发电部的透平检测设备( t u r b i n es u p e r v i s o r ye q u i p m e n t ) 和试验设备检测 ( t e s te q u i p m e n tm o n i t o r i n 砂。与此同时，数字信号特征提取的方法也取得了长足发展。7 0 年代初，国内外许多专家针对传统傅立叶变换，频率分辨率不高，谱图有畸变，随机起伏明 显，不光滑，陆续研究出许多分辨率较高，可完成频率局域性分析的现代谱分析方法。这些 数字信号处理方法为准确分析振动信号，实现故障诊断提供了充分的理论依据。 二十世纪9 0 年代至今，随着诊断理论和方法的深入研究，计算机软件的大量开发，旋 转机械的保护与诊断系统的功能更加完善，由离线分析诊断机组状态发展为在线监视和诊断 机组状态，旋转机械的振动与检测趋于智能化、网络化。目前振动检测仪器的分类： 2 绪论 a ，按照功能和测量范围可分为以下三类 便携式测振仪：这类仪器外接惯性传感器、速度传感器或加速度传感器，主要用于机壳 的振动的测量，精度较低。根据检波电路不同，读数可分为峰一峰值，峰值和有效值，已从 传统的模拟式发展到数字式。有些还配有选频网络，可测出主要频率成分的幅值。它可用于 一般设备振动状态的手工检测。产品有g e n t l yn e v a d a 公司的t k s i ，德国s c h e n c k 公司的 v m r o m e m 2 0 等。 内含微处理器的移动式数据采集器：它是由传感器与微处理器组成的可以与计算机通信 的智能仪器。在现场使用时，可设置组态、保存和打印测量数据并可实现报警。现场采集的 数据可以通过接口电路上传到计算机中，以便进行深入的分析和故障诊断。目前这类仪器可 实现振动位移、速度、加速度的测量，并经过计算显示频谱图、测点轴心轨迹图以及趋势分 析图等。根据这些图表可以掌握机组运行的工作状态，及时发现故障。这类产品有日本r i o n 公司的v m - 8 3 v t - 8 5 测振仪；时代公司t v l l 0 、t v 2 6 0 、t v 3 0 0 测振仪等。 计算机在线检测与诊断系统：这类系统集数据采集、信号分析、数据管理为一体，是一 个多信息处理系统。它能够实时在线对机组进行状态监测、分析和诊断。系统可由多台计算 机组成网络，每台计算机负责不同的监测处理工作，各台计算机之间可互相通信。 b 从结构上分为两类 以软件为主体来实现主要数据采集和分析功能。因而除了计算机和必要的外设外。仅需 少量的硬件。这类系统结构简单，价格比较便宜，软件丰富而且根据所需功能容易更改，但 分析速度慢，实时性差。如b e n t l yn e v a d a 公司的p d m 2 1 d d m 2 。 以硬件为骨架来实现主要的数据采集和分析功能。主机的主要作用是协调各仪器的工 作，进行数据和文件的管理。数据采集和分析功能由专门硬件来实现。该类系统采集和分析 速度快，但价格昂贵，且不易改动，灵活性差。如s c i e n t i f i c a t l a n t a 的m 6 q u 0 。 此外国内一批高校、研究所及有关工厂正在大力开发计算机检测与诊断系统及各种各样 的便携式振动数据采集器，并在理论研究、测试技术等方面取得了不少成果。但与国外先进 的理论及技术水平相比仍有差距。因此越来越多的人正在广泛深入地研究旋转机械振动检测 与分析的理论和方法，并进行各类监测诊断系统的研制。 1 2 2 传统测量方法 目前振动的测量，有电涡流型、速度型、加速度型、电容型、电感型，后两种因受周围 介质影响较大，目前已经很少使用”1 ，下面分别介绍前三种传感器的基本原理及各自的特 点和使用场合。 a 加速度传感器 加速度传感器利用压电材料( 如石英、陶瓷和酒石酸钾钠) 的压电特性，当有外力作用 在这些材料上时便产生电荷，输出的电荷与振动的加速度成正比，所以称为加速度传感器。 加速度传感器不能作静态测量，只能作动态测量。采用加速度传感器要获得振动速度信 号，必须经一次积分，要获得位移信号，必须经过两次积分，由此使原来的振动信号衰减 西安理工大学硕士学位论文 9 8 以上，灵敏度明显得不足，而且外界干扰影响大，并且不是非接触式测量，所以加速度 传感器结构虽然简单，而且特别牢靠，但不能用于转子测量。 b 速度传感器 速度传感器的工作原理实际上是一个往复式永磁小发电机，其结构是，在传感器外壳上 用弹簧连接动线圈，动线圈内固定一个磁铜。传感器的外壳固定在振动物体上时，整个传感 器跟着振动物体一起振动，而处在空气间隙内的动线圈是用很软的簧片固定在传感器的外壳 上，其自振频率很低。当振动物体的振动频率0 9 乏1 5 0 ) 0 时，动线圈处在相对( 相对传感 器外壳) 静止状态，线圈与磁钢之间发生相对运动，动线圈切割磁力线而产生电动势e ，如 式1 1 所示。 e = b l v( 1 1 ) 式中卜磁场强度； i ，一感应线圈导线长度； v - 一相对运动速度。 当b 、l 一定时，输出电动势e 正比于振动速度v ，所以称为速度传感器，要取得与振 动位移成正比的振动信号，传感器的输出信号必须经过积分回路。从上面介绍的结构和工作 原理，可以看出，该传感器不是非接触式传感器，结构复杂，安装也不方便，不适合旋转的 转子的振动测量。 c 电涡流传感器 当金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中的漩涡那 样，在导体内形成闭合回路，称之为电涡流，这种现象也被称为涡流效应。电涡流传感器就 是在涡流效应的基础上建立起来的，其核心部分就是一个激励线圈。它测量原理如图1 1 所 示。 图i - i 电涡流传感器测量原理示意图及等效电路图 f i g 1 is k e t c h m a p o f p r i n c i p l e o f e d d y c u r r e n ts e n s o r m e a s u r e m e n t a n de q u i v a l e n t c i r c u i t 如果把电涡流传感器置于金属导体附近，给传感器激励线圈厶通上高频电流( 1 2 m h z ) 时，在线圈厶周围空间就产生了正弦交变磁场墨，处于交变磁场中的金属导体就产生 感应电涡流l ，厶也将产生交变磁场，根据楞次定理，皿的方向与日的方向相反，由于 磁场风的反作用使激励线圈厶的有效阻抗发生变化。图i - i ( b ) 为等效电路图。 一般来讲，线圈的有效阻抗变化与导体的电导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电 4 绪论 源频率以及线圈到被测导体的距离有关i 6 j 。如果改变上述参数中的一个参数，而其余参数 恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。并且假定金属导体是均匀的，当只有距 离变化时，阻抗的变化就可以反映激励线圈到被测金属导体间距离的变化且两者之间的关 系是线性的。线圈阻抗变化值是线圈与金属导体之问距离x 的单值函数。 将传感器的涡流线圈接入振荡回路；震荡回路输出一个与x 值有关的高频谐波，经高频 放大、检波、滤波，后便可以得到一个与x 值大小成正比的输出电压。输出电压的直流分量 表示线圈与金属之间的静态间隙；若线圈与金属导体之间存在振动，则有交流电压输出，它 表示金属导体相对于线圈的位移值，因此这种传感器也叫位移传感器。 1 3 课题任务及意义 目前几乎所有的大型机组都安装了电涡流位移传感器来检测转子的径向振动。电涡流传 感器能静态和动态非接触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测 量工具。 根据电涡流传感器测量原理发现电涡流传感器存在如下缺点： 电涡流传感器对环境要求苛刻，特别是对磁干扰敏感，但在机械加工过程中金属部件极 易产生磁性，如果在最终加工中消磁不彻底，将导致转子磁通量较大，影响涡流传感器在转 子表而感应电涡流的大小，从而影响测量精度。另外表而材质疏密不一致。由于转子轴为锻 件，在加工过程中，如果锻压不彻底，将导致转子表层金属品粒疏密不匀，使得转子表面金 属电导率出现差异。即在相同的距离，涡流传感器在转子表面不同位置感应出不同强度的电 涡流，从而在感应线圈两端感应出不同的感应电压，导致测量失准，对于非金属或合金材料 将都不能进行测量。因此势必要寻求新的测量方法，弥补电涡流传感器的测量方法的不足和 缺陷。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 电荷耦合器件是二十世纪7 0 年代初发展起来的新型半导 体光电集成器件，目前c c d 应用技术已成为集光学、电子学、精密机械、与计算机技术为 一体的综合性技术。它己成为现代光电子技术和测控技术领域中最活跃、最富有成果的新技 术。c c d 图像传感器具有广泛的应用价值，具有理想的扫描线性，可进行象素寻址，可变 换扫描速度，畸变小，特别适用于测量物体尺寸、位置及表面缺陷；有数字扫描能力，象元 的位置可由数字代码确定，便于和计算机结合；光敏元间距的几何尺寸精确，可以获得很高 的定位精度和测量精度；不受电磁场影响，对环境没有苛刻要求“。同时该测量系统稍 做改动也可以在线测量线径材料，比如在线检测电线、烟卷，光线直径等。 基于以上的原因本文提出了线阵c c d 测量转子振动的方法，在此基础上设计出一种经 济、简便、高效率的测量系统。在该系统中以c c d 为核心器件，线阵c c d 作为图像传感器， 并把其置于转予的径向，在照明系统和成像光路的作用下，转子振动位移影像成像在c c d 的光敏面上，c c d 输出振动视频信号，在后续的处理电路作用下，最终输出标准的矩形波 信号，该矩形波信号与转子的振动位移成比例关系，在计数器芯片作用下，并配以单片机以 及简易u s b 接口与计算机相结合组成一个测量系统。因为采用了光学成像法的非接触测量 西安理工大学硕士学位论文 方法，从而弥补传统测量方法的不足。基于这些要求本课题要完成以下的内容： ( 1 ) 设计一套光学系统包括照明和成像系统； ( 2 ) 设计线阵c c d 正常工作脉冲驱动电路； ( 3 ) 对线阵c c d 输出视频信号的进行调理使之成为与转子振动位移成线性关系的矩 形波信号； ( 5 ) 设计单片机系统对输出信号的进行数据采集； ( 6 ) 设计一套上下位机接口电路，用于上下位机通信，传送采集的数据： ( 7 ) 编写单片机软件和上位计算机软件； ( 8 ) 在转予振动试验台上模拟转子经常产生的振动，进行试验、检验该系统是否达到 设计目的，并对实验采集的信号分别进行傅立叶变换和小波变换，对两种变化进行对比分析 得出各自的优缺点。 本课题涉及到机械、光学、光电子学、电子技术、计算机、信号处理和分析、计算机软 件等学科领域，其内容广泛，为转子振动的动态测量提供了一种新的测量途径，具有广泛 的推广前景和现实意义。 6 测量原理与设计方案 2 测量原理及设计方案 在进行转子振动径向位移测量方案设计时，提出了两种测量方案，一种是激光三角法， 另一种是线阵c c d 测量法，下面分别对这两个方案进行对比论证，从中找出最优的设计方 案 2 1 激光三角测量法 2 1 1 激光三角测量原理 图2 1 所示为直射式激光三角法的测量原理。半导体激光器l d 发出的光投射在柱面 镜l l 上，通过柱面镜的扩束效应形成光带，这一光带投射在被测物体表面形成光刀9 1 。 其散射光经过透镜l 2 后，成像于面阵c c d 中。a 为入射光轴与接收光轴的夹角。o 为接收 光轴与c c d 器件夹角。a 为基准点的物距，b 为基准点的像距。 当开始测量时，光刀照在转子表面0 处，其漫反射光通过成像透镜l 2 成像于面阵c c d 为0 ，当转子径向振动时，光刀照在转子体表面a 处，其漫反射光通过透镜成像c c d 上a 。 设0 0 之间距离为a ，a a 之问距离为b ，转子径向位移变化x 时其对应于c c d 上的像也产 生位移x 。可得到入射到转子表面的光刀位移x 与其像位移x 。的精确关系如下： a x s i n 8 面忑五盖丽 1 ) 6 s i n 口一s i n ( a + 口) 图2 - 1 激光三角法测量转子振动示意图 f i g 2 is k e t c h m a p o f l a s e r t r i a n g u l a t i o n p r o f i l e m e a s u r e m o n tr o t o r v i b r a t i o n 将b 设计为9 0 。除0 点的像是清晰成像在接收器c c d 上之外，物面沿入射光轴a o 上变化时其余的点均未清晰成像于接收器c c d 上，而是成像于c c d 的前方或者后方， 从而在c c d 面阵上形成一个模糊的图像，即产生所谓的弥散斑。由于弥散斑引起的测量 误差在一定的范围内很小。取b = 9 0 。得到位移计算公式( 2 2 ) 为 x = 一 n x b s i n 乜工c o s n ( 2 2 ) 7 西安理工大学硕士学住论文 由于光刀照在被测转子表面后，漫反射光通过c c d 摄像机摄入，经数字信号处理可 在计算机屏幕上获得光刀的数字图像。因此可以组成图2 2 所示测量系统，由于接收器 件c c d 是位置敏感型电荷耦合器件，光刀经转子反射光经成像镜头成像在c c d 光敏面 上，c c d 像的位移将转化为不同的模拟电量，经过图像采集卡采集到计算机上，计算机 对采集的图像进行计算处理可以求出光刀中心位置的象素偏移量。理论上c c d 光敏面上 像的位移x 与计算机屏幕上光刀中心位置的象素偏移量成一一对应的线性关系。又因为 x 与x 在一定范围内近似为式2 2 的线性关系，所以我们可以通过定标，确定屏幕上一个 象素代表实际的位移量，后通过计算光刀中心位置的象素偏移量即可以获得实际发生的位 移x 。 图2 - 2 激光三角法测量原理框图 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o nb l o c kd i a g r a mo f l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n t 2 1 2 存在的问题 从前面的分析中，我们可以发现用三角法测量，存在以下问题： ( 1 ) 当转子振动变化范围较大时，由于弥散斑的影响较大，光刀中心位置难以准确提 取，从而在很大程度上影响了测量精度。 ( 2 ) 只有当转子相对于参考点作小范围移动时，系统的响应才是近似线性的。 ( 3 ) 三角法测头是通过接收被测物体表面的漫反射光来判断被测物体的位移量。被测面 表面的材质对测量结果有很大影响。如果转子的镜面反射很强，那么当一束光线入射时，与 入射光轴p o 相对于入射点被测物面法线o o 的对称方向o s 上就会出现一个高亮度的镜 面反射光斑。如图2 3 所示。 l 图2 - 3 三角法测量误差示意图 f i g 2 3s k e t c hm a po f e r r o ri nt r i a n g u l a rl a s e rm e a s u r e m e n t 当镜面反射光方向o s 位于三角法测头接收光轴o l 位置附近时，在接收器件上除了出现漫反 射形成的光斑外还会出现另一个镜面反射形成的光斑。因此三角法测量时对被测表面的材质 的要求比较高，只有当被测表面为理想漫反射面时，才能得到较好的测量结果。对被测物体 材质的这种要求使得该测量方案不适合我们的设计要求。 8 测量原理与设计方案 2 2 线阵c c d 测量转子振动法 2 2 1 测量原理 如图2 4 实体测试示意图所示，光源发出的光经光路处理形成平行光，挡光板底端以上 和转子母线以下部分的光线被挡住，而转子母线顶部上方和挡板以下韵光线将透射过形成一 光带。透射光经光学系统按一定倍率成像在c c d 的光敏面上，c c d 器件光敏面把经光线照 亮与部分没有投射光线的影像都转换成与光强成正比的电荷量，用一定频率的时序脉冲驱动 c c d ，在c c d 输出端获得被测的视频信号。视频信号的每一个离散电压信号的大小对应着 该光敏元所接收光强的强弱，信号输出的时序则对应光敏元位置的顺序。因此在c c d 的光 敏面被照亮的区域与未被照亮的区域位置和大小与透射过挡板下与转子母线上方的光线宽 度成线性比例关系，在后续的电路处理下我们可以检测出c c d 光敏面上亮区的大小，也就 检测出透射光线的宽度1 “”。 转子 图2 - 4 转子振动测量示意图 f i g 2 4 s k e t c hm a po fm e a s u r i n gr o t o rv i b r a t i o n 利用上面所介绍的原理就可以测量转子径向振动位移，如图2 - 5 所示。挡光板底端在整套检 测系统安装后，它的位置固定不变是测量一个参考点，对应于c c d 光敏面位置记为1 ；而 转子最高位置母线( 即转子挡住平行光线与透过平行光线的交界处) 是转子径向变化点也是 实时测量点，把该点在c c d 光敏面位置记为，( 在转子平衡不动时把该点记为n ) 一旦转 子径向有振动产生，那么透射的平行光带宽度随着转子径向振动位移的大小而变化，c c d 光敏面上的，也围绕平衡点n 而变化，从而c c d 光敏面上的亮区宽度，也变化。在后 续的信号处理电路中对c c d 输出的视频信号进行放大和滤波，二值化处理后可以得到宽度 为，矩形波信号( 在转子平衡时矩形波宽度记为n n ，) ，用单片机和数据采集系统对与 转子径向振动位移成正比的方波进行测量，用式2 3 可以得到转子振动位移量信息。 9 西安理工大学硕士学位论文 1f 1 几1f 1n 几1r l r 哪1 1nnn 几广 m n ：i n 几几几n 几几嗍n 几nn 几r 图2 - 5 平行光带在c c d 光敏面位置示意图 f i g 2 5 d i a g r a m o f t h e l o c a t i o n o f p a r a l l e l o p t i c a lb a n d o l 2 t h e c c d p h o t o s e n s i t i v e a r e a 工，型! l 二些 ( 2 3 ) 芦 式中：声为光学系统放大倍率。 2 2 2 测量系统总体结构 根据上面介绍的测量原理，设计了如图2 - 6 所示的测量系统m 1 。系统由如下几个模块 组成：光学系统、线阵c c d 驱动部分、信号调理部分、数据采集系统、上下位机通信系统、 上位机系统。下面分别简要说说各个模块的功能： 图2 - 6 测量系统整体框图 h g 2 6t h ed i a g r a mo fm e a s u r e m e n t 光源系统：光源系统是产生平行光，使线阵c c d 像敏面有一定照度， 成像系统：为了提高测量精度而进行的成像放大功能。 线阵c c d 驱动电路：提供c c d 正常工作的时序脉冲信号，并使脉冲信号有一定的驱动 能力。 信号调理：对c c d 输出的视频信号进行放大、滤波、二值化处理使得测量信号变为方 波信号。 数据采集：在单片机的控制下，采用计数方式对输出的矩形波信号进行数字量化。 上下位机通信系统：采用一种简易u s b 接口方式，使采集到的信号上传到上位计算机。 上位计算机系统：主要完成采集的数据信号接收和接受方式选择。 因为测量的是转子振动的径向位移，因此就存在频率问题。此外数据采集和上位机与下 位机通信接口是两个关键部分，在进行方案设计时单独把这三个部分进行论证，下面分别给 予介绍。 a 数据采集方式 1 0 测量原理与设计方案 测量系统中，数据采集的方式有好多种，有a d 转换方式、v f 变换方式，填充脉冲方 式“”。根据不同的场合不同的要求选用不同的采集方式。在不要求图像灰度的系统中为提 高处理速度和降低成本，尽可能采用二值化图像处理方式。实际上许多检测对象在本质上表 现为二值情况，如图纸、文件的输入、物体尺寸、位置的检测等。在输入这些信息时采用二 值化处理是恰当的。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值( o ，1 ) 对待。光学系统把 被测对象成像在c c d 光敏面上。由于被测物与背景在光强上的变化反应在c c d 视频信号中 所对应的图像尺寸边沿处会出现明显的电平变化，通过二值化处理把c c d 视频信号中图像 与背景分离成二值电平。 由前面测量原理知道，当整个系统测量系统安装完成后，转子未旋转处于平衡位置时， 输出宽度为n n l 矩形波视频信号，当转子径向有振动时，此时c c d 输出的视频信号是宽度 为n n 2 的矩形波视频信号，把这两个信号作为8 2 c 5 4 的门控信号，对这两个矩形n n i 、n n 2 波计数，所得脉冲数个数分n l 、n e 这两个脉冲数就分别代表转子静态平衡时和转子振动时 光带在c c d 光敏面宽度。由式2 4 可以具体的求出转子径向振动位移量。 ，= ( 拧2 一, 1 ) a ( 2 4 ) 式中a 表示脉冲当量数，也就是一个计数脉冲代表几何长度，这个值是系统标定得到的。 然后把所计的脉冲数送入单片机，单片机通过u s b 接口与上位计算机通信，上传所计 的脉冲数，完成系统的数据采集。 b 接口电路选择 表2 - 1 几种接口比较 t a b 2 1s o m ec o m p a r a t i v eo f i n t e r f a c e s 接口名称最大速率 特点 串口 1 1 5 2 k b p s 通信距离较大，不支持热拔 并口 2 m b p s 通信距离较近，不支持热拔 p c l 1 0 5 6 g b p s 通信距离近，不支持热拔 t j s b 0 n1 2 m b p s 通信距离较近，支持热拔 u s b u s b ( 2 0 14 8 0 m b p s 通信距离较近，支持热拔 传统的外设与主机的通信一般是基于p c i 总线、r s 2 3 2 串口或者并口。p c i 总线虽然具 有很高的传输速度，但其缺点是传输距离短，需要专门的驱动，插拔特别麻烦。r s 2 3 2 虽然 结构简单，但其传输速度慢，主机串口有限。并口虽然比串口传输速度快，但其体积大，同 样并口数目有限。上面提到的三种接口都不支持热插拔。通用串行总线u s b 是康柏、i b m 、 微软、d e c 公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通信标准。其标准是由 u s b l 1 发展到现在的u s b 2 0 ，将设备之间的数据传输度由1 2 m b p s 到现在的4 0 0 m b p s 速度 的提高可以让用户使用到高效的外部设备1 4 1 0 而且具有多种速度的外部设备都可以连接到 u s b 2 0 上，无需担心数据据传输时发生瓶颈效应。该总线接口可以连接多个设备，最多可 西安理工大学项士学位论文 达1 2 7 个，具有安装方便即插即用的优点。现在的p c 机几乎都支持u s b 接口，u s b 接口 成为数据传输的主流。表2 - 1 是p c i 、串口、并口、与u s b 的比较。 由于u s b 总线接口速度快，支持热插拔，安装使用方便，所以该系统的上下位机接口 选择u s b 接口方式。 c 采样频率的确定 采样定理告诉我们，当采样频率大于被测信号的最高频率两倍时，就可以通过获得的数 据无失真地恢复被测信号 1 5 1 0 在实际中，为了保证被测信号的质量，采样频率是被测信号 最高频率的3 - 4 倍，在工程中有时取到1 0 倍左右。这是我们进行信号处理遵循的基木定理。 线阵c c d 采样点与线阵c c d 积分时间有密切的关系：在每一个积分时间之内，只能获得一 个采样点，在实时采样的定时采样方式下，积分时间就是最小的采样周期。为了充分利用线 阵c c d ，积分时间就等于采样周期。 在该测量系统选用日本东芝t c d l 4 1 c 线阵c c d ，关于选用该器件和该器件特点在第四 章详细介绍。从器件手册查出t c d l 4 1 c 的驱动频率范围为0 1 到2 0 m h z ，即每个象元的读 出周期为t | l _ l f m i a 到1 f 。从t c d l 4 1 c 的工作原理可知，由于结构上的安排，左右两端 o s 分别首先输出1 3 个虚设单元的脉冲，再输出5 1 个暗信号脉冲，才连续输出2 5 0 0 个脉冲 信号，这2 5 0 0 个脉冲信号就是所要求的输出信号。第2 5 0 0 个信号脉冲后，再输出7 个暗电 流脉冲，接下去可输出多余的无信号脉冲因此t c d l 4 1 c 一次扫描至少包含有n 个时钟周 期：n - - 1 3 + 5 1 + 2 5 0 0 + 7 = 2 5 7 1 所以每次光积分所需要的最短时间( 光积分周期) 为 z 毛一n 一2 5 7 1 品 ( 2 5 ) 根据式2 5 可以求出c c d 输出一帧信号频率范围为： f 。j i ( 2 6 ) 2 5 7 1 x 。 由上面介绍知道t r = l f m i n 到l f m a x 范围变化的，其中f m i n = o i m h z , f m a x = 2 0 m h z ，代 入式2 6 求得f 范围为：3 8 9 h z 到7 7 7 9 0 7 f i z 。如果取c c d 典型驱动频率i m h z ，c c d 输 出一帧信号频率为3 8 9 h z ，这是信号的采样频率，依照采样定理那么1 8 4 5 h z 以下的转子振 动信号都可以采集到。一般转子振动工频是转子旋转频率。因此对于转速为1 1 0 7 0 r r a i n ( 转 分) 以下转子的径向振动，该测量系是可以测量的。 2 3 本章小结 本章中提出了激光三角法与线阵c c d 两种测量转子振动的方案，对两种方案的优缺点 进行了对比，最后确定了线阵c c d 方案，该方案可以满足中低速转子的振动测量要求，对 被测对象要求不严格。最后对该方案的各模块要完成的功能作了简要介绍，并对方