基于电磁感应的扭转振动测量方法

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1、第24卷第3期实验力学Vo1．24No．32009年6月JOURNALOFEXPERIMENTAIMECHANICSJun．2009文章编号：1001—4888(2009)03‘0233—06基于电磁感应的扭转振动测量方法张敏杰，郭丹(清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室，北京100084)摘要：设计了一种基于电磁感应效应的转子扭转振动测量方法。该方法的思路是使线圈与永磁体做相对运动，根据线圈切割磁感应线的速度与感应电动势正相关的原理，由线圈两端的电压变化量计算各点的瞬时速度变化量，进而积分求出扭振信息。算法上采用半周期插值以及与标准信号进行对应点比较，保证了瞬时

2、速度变化量的精确度。装置设计方面通过适当的空间布局，在一定程度上消除了轴向振动和部分横振的影响。实测验证表明，该方法得出了与输入载荷一致的扭振信息，具有精确性良好，安装简易，操作方便的特点。关键词：转子；扭转振动；电磁感应；瞬时速度中图分类号：TB936文献标识码：A0引言在回转机械中，轴的扭转振动是一种振动形式，它是由于作用在轴上的扭矩随时间变化而产生的旋转振动。对于大型回转机械，这种振动的破坏性很强，极易引起机械结构疲劳破坏，尤其是当振动频率接近机械结构的固有频率时，破坏性将会更严重。因此对扭转振动进行测量具有重大意义小。测量扭振的方法可分为接触法和非接触法两类。接触法

3、主要是将传感器安装在轴上，测量信号可以通过集流环或有线、无线电发讯等方式传输到仪器上。非接触测量主要有测齿法、激光法等，这些方法无须在轴上安装传感器，利用非接触方式感测轴的扭振。各种测量方法都有其应用局限性。接触法的缺点是需要在转子上安装专用传感器，由于转子常工作在高温下，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。非接触测量法中，“测齿法”要求转子上有比较严格的等分机构，而且其准确程度直接受到所建立的测量基准的影响，其信号的提取和分析工作也较复杂。基于激光多普勒效应的扭振测量方法是利用激光束照射转子表面时产生多普勒频移效应来测量扭振]。该方法测量过程易受被测物表

4、面状况的影响，而且受其他杂散光的影响较大，测量设备复杂昂贵。本文研究基于电磁感应的扭转振动测量及相应的信号提取方法，基本思路是使线圈与永磁体做相对运动，根据线圈切割磁感应线的速度与感应电动势正相关的原理，由线圈两端的电压变化量计算各点的瞬时速度变化量，再由瞬时速度变化量积分求出扭振信息。与其他方法相比，该方法有以下优点：a)对硬件性能要求不高．b)利用信号的幅值提取扭振，算法较简单；c)能较好地消除轴向振动和部分横振的影响。1测量原理电磁感应现象即闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，如果不*收稿日期：2009—01-25：修订日期：2009—0

5、418通讯作者：郭丹(1970一)，女，博上，副研究员，主要研究方向：机械动力学和微系统动力学。E—mail：guodan26@mail．tsinghuaedu．cn234实验力学(2009年)第24卷是闭合回路，则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生电势差——感应电动势。当导体L在磁场中运动时，导体内的自由电子受到的洛仑兹力为：厂一一e(×B)(1)其中，一e为电子所带电量；为洛仑兹力；是线元E处导体的速度；百是线元处的磁场强度。由(1)式可得作用在单位正电荷上的洛仑兹力为：k一一×(2)——P于是得动生电动势：r+'÷r￡一jlk·dL—I(V×B)

6、·dL(3)—JL不论导体是否闭合，只要作切割磁感应线的运动，导体中都会产生动生电动势]。可以看出，若在每一时刻，B和L是定值，且V与B垂直的话，则感应电动势的大小与线圈在磁场中的相对运动速度成正比。由此可以设计感应电路，使随轴转动的磁体不断通过固定的线圈，当轴平稳旋转时，感应电动势是稳定且规则的波形；当有扭振发生时，速度的变化就会以与之成正比的量在电动势上体现出来，而速度的变化表征了扭振信息，通过一定的算法，即可得出扭振。2测量装置设计如图1，测量装置信号发生的主体结构由线圈和测量转子构成。测量转子由内盘体，扇区形永磁体和外圈组成。内盘体和外圈为不导磁材料，如铜铝等，它们

7、共同起着约束永磁体的作用；永磁体的极性在转子轴线方向上，采用一正一反间隔安装。测量转子固定于被测轴上，随轴转动。线圈缠绕在略大于磁体的扇区形导磁材料上，两个线圈相对地安装在磁体盘两侧，这样通过把两个线圈中信号叠加的方法可以有效消除轴向振动以及部分横振的影响。图1测量转子和线圈不意图Fig．1Schematicdiagramofthemeasuringrotorandcoil当磁体盘随被测轴转动的时候，磁体依次通过线圈，线圈切割磁感线产生感应电动势。由前文的理论推导公式(3)可以看出，在磁体盘相对于线圈的运动过程中，