小型转子振动模拟实验系统的设计说明书论文

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 学 生 学 号 指导教师 二一 年 六 月 八 日济南大学毕业设计- 1 -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。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，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 1 2，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。 3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济南大学毕业设计- 2 -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。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，成效并不济南大学毕业设计- 3 -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 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， 并已产品化。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 2 3 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 ninterference St ress Measurement System) 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，利用磁性齿轮，可在内外转子之间提供一物理绝缘，因而维护成本最低、噪声最小。利用分段时间的有限元方法，对其静特性和空载与负载运行进行模拟，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; 定子半径济南大学毕业设计- 4 -60 mm; 内转子内半径 60.6mm; 内转子外半径71.4mm; 定子环内半径 72mm; 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 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。济南大学毕业设计- 5 -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,该方法用线阵济南大学毕业设计- 6 -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。济南大学毕业设计- 7 -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济南大学毕业设计- 8 -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 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。 892.2 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济南大学毕业设计- 9 -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。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，因济南大学毕业设计- 10 -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。图 6 微变电容检测图2.2.3 电涡流传感器测量电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济南大学毕业设计- 11 -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2.3 运动转子振动的接触式测量2.3.1 电阻应变片法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。济南大学毕业设计- 12 -图 8 电阻应变片的结构2.3.2 磁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。图 磁电式传感器测量电路方框图磁 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 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 )。济南大学毕业设计- 13 -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，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wdP=式中， 为工作机实际需要的电动机输出功率，KW； 为工作机需要的输入功率，dP wPKW； 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：(KW) wWFVP10=或 (KW)Tn95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，； 为工作机的转速，r/min； 为工作机的效率。 1314mwnw根据经验设计，现的转子的质量分别是 800g，600g。转子的尺寸为mm， mm。轴的直径按照 mm 计算。2576197614根据转矩公式济南大学毕业设计- 14 -=JT然而转动惯量公式2irm因此可得 =321321JJ+=+dV综上所述可得 =0.21（kw）wP3.2 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 mm。4510873.2.1 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。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 152.0953TTdnPW=式中： -扭转切应力，MPa；TT-轴所受的扭矩， ；MN-轴的抗扭截面系数， mm3Tn-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； -许用扭转切应力，MPa 。T2.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。济南大学毕业设计- 15 -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 24+=ca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切应力 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 ，则计算应力为22)(4aca+=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 ；当3.0扭转切应力为脉动循环变应力时，取 ；若扭转切应力也为对称循环变应力时，6.0则取 1=对直径为 d 的圆轴，弯曲应力为 ，扭转切应力 ，将 和 代WM=WT2=入式，则轴的弯矩合成强度条件为 1617)()2(4)( 1_22+=TTca式中： 轴的计算应力，MPa；caM 轴所受的弯矩， ；mNT 轴所受的扭矩， ；W 轴的抗弯截面系数， mm3；3.2.2 轴承的设计济南大学毕业设计- 16 -（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 ，应折合rFa成一个当量载荷 ,即0ParFYX00+=式中， 及 分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数。0XY按轴承载荷能力选择轴承的公式为 0PSC式中， 称为轴承静强度安全系数。0S（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 ，于是修正额定寿命为1a10Lan=式中： 可靠度为（100-n）%（破坏概率为 n%）时的寿命，即修正额定寿命；nL可靠度不为 90%时的寿命修正系数，1a由此可得 18 )(601PCnaL=式中，修正额定寿命的 的单位为 h。n济南大学毕业设计- 17 -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 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