扭振測(cè)量基本原理

將磁電式傳感器對(duì)正齒輪安裝,當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),傳感器上感應(yīng)出與齒形有關(guān)的脈沖信號(hào)。將該信號(hào)進(jìn)行處理得到標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖波。再將矩形脈沖波輸入到單片機(jī)的高速輸入部件(HSI),采用測(cè)周法測(cè)量每個(gè)脈沖的時(shí)間寬度。在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置，它僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。具體方法是,利用單片機(jī)的高速計(jì)數(shù)功能,對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)時(shí)間由該矩形脈沖控制,根據(jù)計(jì)數(shù)值可以計(jì)算得到每個(gè)脈沖的時(shí)寬值。當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),軸系無(wú)扭振,如果齒輪齒形完全相同時(shí),則與每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度都相同,即為軸系轉(zhuǎn)動(dòng)周期除以齒數(shù);當(dāng)軸系存在扭振時(shí),每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度發(fā)生變化,其與原寬度之差的大小反映扭振的大小。因此,只要測(cè)出每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的矩形脈沖寬度的變化,就可以得到軸的扭振。

      測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩是一種特別適合細(xì)長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)量方案。該方案多是在旋轉(zhuǎn)軸的同軸方向上加裝柔性扭桿,通過(guò)測(cè)量扭桿旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度測(cè)量扭矩。從此，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)、運(yùn)行進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期，效率高、重量輕的高速轉(zhuǎn)子日益普遍。已有的測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩的方案有:電磁式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、光電式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、激光式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、電容式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩等。

      測(cè)反作用力測(cè)扭矩是通過(guò)測(cè)量制動(dòng)扭矩(為阻止電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)而施加的反扭矩,該扭矩就叫做制動(dòng)扭矩)測(cè)扭矩的一種扭矩測(cè)量方案,這種方法有一定的局限性,只能測(cè)靜態(tài)力矩。采用這種方案的扭矩測(cè)量案例有:扭力扳手、靜態(tài)扭矩實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置等。

非接觸測(cè)量可以滿足對(duì)于扭矩測(cè)量的眾多需求:

1)長(zhǎng)期不間斷、高可靠性扭矩測(cè)量。一般性扭矩傳感器一旦失效,不僅會(huì)造成扭矩傳感器自身的損壞,更嚴(yán)重的是會(huì)造成被測(cè)量設(shè)備的重大機(jī)械損壞。轉(zhuǎn)子振動(dòng)的基本特性旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要部件是轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)型式雖然多種多樣，但對(duì)一些簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，為分析和計(jì)算方便，一般都將轉(zhuǎn)子的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為一圓盤裝在一無(wú)質(zhì)量的彈性轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸兩端由剛性的軸承及軸承座支承。例如:應(yīng)變式扭矩測(cè)量裝置中應(yīng)變計(jì)的引線需要靠滑環(huán)(見(jiàn)圖1)引出,長(zhǎng)時(shí)間工作后,滑環(huán)極易發(fā)熱老化,甚至斷裂脫落,所以出于可靠性的考慮,該方案多用于低速旋轉(zhuǎn)軸的短期扭矩測(cè)量。如果選擇非接觸式扭矩傳感器測(cè)量扭矩,它與旋轉(zhuǎn)軸沒(méi)有力的相互作用,工作過(guò)程中不受軸向負(fù)載和彎曲載荷,所以零件損耗小,工作壽命長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期不間斷、可靠性測(cè)量扭矩。

2)高動(dòng)態(tài)性精磚扭矩測(cè)量。傳感器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響扭矩測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)性的重要問(wèn)題,因?yàn)閭鞲衅魇怯兄亓康?安裝在旋轉(zhuǎn)軸上后就相當(dāng)于增加了一個(gè)“額外質(zhì)量”,這一質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)軸較輕或者轉(zhuǎn)速較慢的情況下是不能忽略的,那便會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速明顯下降,測(cè)量得到的扭矩大小將受到嚴(yán)重影響。從介紹一般性扭矩測(cè)量入手,在分析了非接觸扭矩測(cè)量的應(yīng)用需求后,發(fā)現(xiàn)非接觸扭矩測(cè)量技術(shù)的突破性發(fā)展為實(shí)現(xiàn)不間斷、高可靠性、高動(dòng)態(tài)性扭矩測(cè)量提供了關(guān)鍵性的解決方案,時(shí)極大的提高了對(duì)被測(cè)裝置控制的準(zhǔn)確性。如果采用非接觸式扭矩測(cè)量,傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)軸無(wú)附加外力,這可以從根本上提高測(cè)量的動(dòng)態(tài)性和精準(zhǔn)性,同時(shí)有助于提高系統(tǒng)的分辨率。

3)準(zhǔn)確控制被測(cè)裝置。因?yàn)橐话阈耘ぞ販y(cè)量裝置的體積大,并且要與旋轉(zhuǎn)軸直接接觸,所以存在著一個(gè)不可避免的問(wèn)題,即由于安裝位置不當(dāng),或者接觸測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的干擾力或扭矩而改變旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這類干擾是隨機(jī)的,很難評(píng)估和定量,而扭矩測(cè)量往往又是作為控制單元的反饋信號(hào)。分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障時(shí)，一般都是指平行振動(dòng)，即振動(dòng)質(zhì)量?jī)H沿著直線方向往返運(yùn)動(dòng)，包括轉(zhuǎn)軸軸線垂直方向的徑向振動(dòng)和沿軸線方向的軸向振動(dòng)兩種形式。這樣就會(huì)直接導(dǎo)致控制的準(zhǔn)確性難以保證。唯有采取非接觸式扭矩測(cè)量,從源頭上消除傳感器施加在旋轉(zhuǎn)軸上的附加力,末端控制的高準(zhǔn)確性才有可能實(shí)現(xiàn)。