差频式悬浮轴振动测量传感器的设计.docx

差频式悬浮轴振动测量传感器的设计ronggang导语：本文设计了具有高精度的悬浮轴振动测量传感器，并在测量经过中实现了振动信号处理的数字化0引言悬浮轴转动时略微受到干扰就会产生微小的不稳定的振动，这种振动将影响悬浮轴的正常运动状态，因此，对悬浮轴的振动位移进展无干扰测试极其困难，假如再要求测振传感器灵敏度高、稳定性好、抗干扰才能强，施行起来那么更加困难。目前，在非接触测振传感器的研究方面，主要有电涡流测振传感器和激光传感器。但是，电涡流测振传感器轻易受到附近的电磁干扰和温度的影响，激光传感器本钱高，稳定性差。考虑到电容传感器构造简单、灵敏度高、动态特性好，完全可以知足使用环境，以此为根底，本文设计了具有高精度的悬浮轴振动测量传感器，并在测量经过中实现了振动信号处理的数字化。1总体设计原理悬浮轴振动测量传感器的设计包括电容传感器的设计、振荡电路的选取、光电编码器的采样、差频计数的实现、单片机智能控制几大局部。其根本原理是：首先，利用导电介质电容传感器将振动位移的变化转换为电容量的变化，由于电容传感器为振荡电路中的电容元件，因此，电容量的变化会引起振荡器输出频率的变化。同时，选择另一只电容传感器作为温度补偿传感器，通过振荡器同样得到一个频率信号。振动信号的采样是由光电编码器的等转角取样实现的，在光电编码器、门电路及单片机硬软件的配合下，将2个高频信号输入差频计数器就能得到固定时间间隔内的计数值，送C8051F020单片机进展存储和处理，得到计数差值并转换成振动位移的大小，实现框图如图1所示。2传感器的研制2.1测量电路悬浮轴的振动位移测量电路由两局部组成：一方面利用导电介质电容传感器将悬浮轴振动位移的变化转换成电容量的变化;另一方面，利用反射式光电编码器实现悬浮轴转动的等角度采样，保证采样的精度。2.1.1导电介质电容传感器的设计利用改变电容极板面积S和极板之间间隔d的方法，均可以到达改变电容量C的目的。选用变极距式电容传感器实现对悬浮轴的振动位移测量。为使传感器能将振动位移的变化转换成相应的电容量变化，使两者成单值函数关系，并保证悬浮轴在转动和受外界干扰时的真实运动状况不发生改变，导电介质传感器以悬浮轴本身作为电容器的动极板，采用温度对材料膨胀系数影响小的铜作为静极板。另外，设计时对电容传感器的灵敏度、线性及寄生电容的影响也给予充分考虑。设计时采用2只电容传感器：1只用于测量，1只用于温度补偿。而且，每只电容传感器又都是2只电容器串联组成的，这样，既解决了电容传感器导线的连接问题，又减少了寄生电容的影响。设用于测量的电容传感器电容量为C，用于温度补偿的电容传感器电容量为C0，设计的详细参数如下：2只电容器的初始安装极板间距均为x0=25m;绝缘材料的厚度d1=10m;每个极板的覆盖面积A=0.5cm2;测量振动的范围为-2525m即极板间距z范围为050m;0=8.85×10-12F/m，r=2.30，其构造简图如图2所示。首先，极板间距和振动位移x的关系为x-x0=x1由于每只电容传感器均由2只电容串联构成，考虑极板外表绝缘膜厚度，得到测量电容传感器的电容量C和温度补偿电容传感器的电容量C0分别为2.1.2利用光电编码器实现等转角采样光电脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它将机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。设计中利用反射式光电编码器实现了高精度的等转角采样，其输出为脉冲信号，脉冲个数与旋转位移有关。悬浮轴的转速是50rad/s，光电编码器采用等转角2°间隔采样，那么每个采样周期约为t=111s，即光电编码器输出频率为9kHz的脉冲信号。悬浮轴连续变化的振动信号转换经过为连续信号离散信号，根据信号采样理论：假设连续信号ft是有限带宽的，其频谱的最高频率为fm，那么信号ft可以用等间隔的抽样值来唯一的表示，而最低抽样频率fs=2fm，即fs2fm。由于光电编码器的抽样频率fs=9kHz，因此，传感器可以测得的悬浮轴振动的最高频率fm其中，反相器G1，G2选择了74HC04芯片六反相器。RS是保护电阻，经过硬件电路的调试，得到RS=20.3k。Rf是反应电阻，也是整个振荡电路的延时环节，它的阻值大小直接影响到振荡频率的大小，因此，要公道确定反应电阻参数Rf。由于电容传感器极板间距与振荡频率的关系是：极板间距越大，振荡器的振荡频率越高，计数器的计数值越大。为了保证测量结果的准确性，当极板间距最大时，计数器的计数值应该到达满量程的90%左右。本设计采用串行输入/12位并行输出的差频计数器，它的计数范围为0212，计数时间T应略小于采样周期取100s，那么Rf的参数确定经过如下：2.2.2差频计数的实现差频计数器采用频率计数的方法，外部晶体振荡器通过门控电路得到采样基准信号和计数复位信号，在采样基准信号上升沿来后计数器计数使能，计数模块开场对输入的频率信号进展计数，计数时间恰为T，计数复位信号用于每一次测量开场时对计数模块进展复位，在计数复位信号的上升沿将采样的数据结果锁存，并去除上次测量的结果。计数时一方面考虑到电容传感器的温度补偿，采用了2个计数器差频计数的方式;另一方面，计数器本身由于采样时间和计数脉冲的不同步性存在±1的计数误差，加上差频计数器由2个计数器构成，更增大了计数误差，因此，关键是消除这局部误差的影响。假设两电容传感器的容量C，C0经振荡器输出的频率信号分别对应为f，f0，即f=fD+ft，7f0=ft，8式中fD为振动位移引起的频率变化;ft为环境温度引起的频率变化。这样，通过差频计数器的差频输出能消除环境温度对测量结果的影响f=f-f0=fD9差频计数器的工作原理是在计数时间T内分别对2个频率信号进展计数，测得的脉冲个数分别为n，n0，那么有n-n0=f-f0T，10式中n-n0为两计数器的差值。由此，只要获得公道的计数时间T，就可以得到2个频率信号的计数差值，设计时，T是利用单片机计数光电编码器的输出脉冲确定的。由于光电编码器采样的时间间隔约为111s，一个采样周期内除了计数外，必须留有计数值的记录和运算时间，所以，选取T=100s2.2.3数据的处理由于悬浮轴振动位移与单片机输出计数值成单值函数关系，最后，利用C8051F020单片机编写软件程序把计数差值转换成振动的位移量实现振动位移的存储和分析。其中，振动位移分别用2个字节进展存储，振动位移的正负根据减法器的进位位确定，它存储在一个独立的单元中，设定00H表示振动为正，01H表示振动位移为负。综合式2、式3、式6、式11可以推导计算出振动位移与计数器的差值之间的关系如表1。3完毕语悬浮轴振动测量传感器可以测量振动频率小于4.5kHz，振动范围在-2525m内的振动位移量，实现了转动时对其振动位移的测量，同时，防止了对本身运动规律的干扰，而且，硬件采用差频测量、光电编码器控制等角度采样，结合软件的数据处理，在很大程度上进步了测量精度，消除了传感器调理电路电源波动、环境温度变化、分布电容的影响，还能屏蔽电磁干扰，保证了测量结果的可靠性，可应用在特殊的测控环境中。