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。我們測(cè)量得到的信號(hào)是轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的時(shí)域波形，該信號(hào)實(shí)際上是旋轉(zhuǎn)部件的角速度隨時(shí)間變化的曲線，因此，為了得到轉(zhuǎn)角變化曲線，不管是時(shí)域還是頻域處理方法，都需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行一次積分。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。

 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，簡(jiǎn)稱為扭振，不同于我們所說的常規(guī)振動(dòng)。除了常規(guī)的振動(dòng)之外，扭振是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為的另一種表現(xiàn)形式，通常與其他振動(dòng)荷載同時(shí)出現(xiàn)，也就是說結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，除了常規(guī)的振動(dòng)之外，還有可能存在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭振會(huì)引起結(jié)構(gòu)疲勞，同時(shí)也會(huì)引起振動(dòng)、噪聲、舒適性等方面問題。扭振會(huì)引起結(jié)構(gòu)疲勞，同時(shí)也會(huì)引起振動(dòng)、噪聲、舒適性等方面問題。對(duì)于自由的剛體而言，共有6個(gè)自由度，即三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，我們可以把運(yùn)動(dòng)自由度分為平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)兩類。如果用牛頓第二定律來描述，那么，平動(dòng)對(duì)應(yīng)的是三個(gè)加速度，轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是三個(gè)角加速度。平動(dòng)對(duì)應(yīng)的載荷是力，轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的載荷是力矩。

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。工程振動(dòng)測(cè)試方法在工程振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，測(cè)試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測(cè)量方法及測(cè)量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成三類。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。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)軸沒有力的相互作用,工作過程中不受軸向負(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。通過把扭振計(jì)算的力矩和轉(zhuǎn)角位移看作系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào),依據(jù)拓?fù)渌枷?建立信號(hào)之間的扭振信號(hào)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型。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。如果采用非接觸式扭矩測(cè)量,傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)軸無附加外力,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。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步歸納得出兩種實(shí)現(xiàn)非接觸扭矩測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù),分別是:無線信號(hào)傳輸和特殊扭矩敏感材料的使用,并通過新扭矩測(cè)量工程實(shí)例予以證明和解釋。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)。這樣就會(huì)直接導(dǎo)致控制的準(zhǔn)確性難以保證。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)。