基于PSD的轉軸振動位移測量與分析

孫小超， 周 文， 李明濤， 李菊香

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

0 引 言

空心脈沖發電機作為一種新型脈沖功率電源，通過旋轉發電機系統將慣性能轉換為電能，集儲能、機電能量轉換和功率調節于一體，被認為是未來實戰化電磁炮武器系統的首選電源[1]。空心脈沖發電機為了獲取高儲能密度，轉子往往要被拖到高轉速[2]，高轉速下轉軸振動位移的測量對于空心脈沖發電機轉軸材料的選取和設計具有重要的意義。高靈敏度光電位置敏感探測器(position sensitive detector,PSD) 是一種新型的光電器件，又稱為坐標光電池，它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點位置轉換為電信號。PSD的主要特點是位置分辨率高、響應速度快、光譜響應范圍寬、可靠性高、處理電路簡單，光敏面內無盲區，可同時檢測位置的光強，測量結果與光斑尺寸和形狀無關[3，4]。PSD能獲得目標位置連續變化的信號，在位置位移、距離、角度和其相關量的檢測中獲得越來越廣泛的應用[5]。

本文采用一維PSD作為傳感器，對高轉速下轉軸振動位移進行了精確測量，為空心脈沖發電機轉軸設計提供了重要的依據。

1 PSD結構及其工作原理

PSD的工作原理基于橫向光電效應，圖1顯示了其結構[6]。PSD由三層構成，最上一層是P 層，下層是N 層，中間插入一較厚的高阻I層，形成P-I-N結構，此結構的特點是I層耗盡區寬，結電容小，光生載流子幾乎全部都在I層耗盡區中產生，沒有擴散分量的光電流，因此，響應速度比普通PN結光電二極管要快得多[7]。當PSD表面受到光照射時，在光斑位置處產生比例于光能量的電子—空穴對流過P 層電阻，分別從設置在P 層相對的兩個電極上輸出光電流I1和I2，由于P層電阻是均勻的，電極輸出的光電流反比于入射光斑位置到各自電極之間的距離，采用PSD的I1端作為原點，光電流I1和I2可以用下面方式表示

I1=I0(L-LB)/L,

(1)

I2=I0LB/L.

(2)

由上式可知，I1,I2是光能量(I0)與位置的函數。實際應用中，由于光源光功率的波動和光源與PSD間距離的變化，I0并不是一個恒定值，為了消除I0的影響，通常把輸出電流的差與和相除作為位置檢測信號，即

LB=L·I2/(I1+I2).

(3)

只要檢測出I1和I2的大小，即可以算出光點所在的位置。

圖1 PSD剖面結構圖

2 轉軸振動位移測量原理

空心脈沖發電機轉軸在高速轉動過程中，振動位移主要產生于徑向方向，其測量方法如圖2所示。激光器和PSD分別安裝在轉軸的兩側，激光器采用光強均布的一字線光源，PSD采用一維PSD，長度為L。形變前，激光器照在PSD的長度為Xa，由于激光器光強均布，以I1端為原點，光源中心點位于Xa/2處。根據PSD工作原理可以得到

圖2 轉軸振動位移測量示意圖

(4)

形變后，激光器照在PSD的長度為Xb，光源中心點位于Xb/2處，同理，可得

(5)

形變前后位移差為d1

d1=d2·L1/(L1+L2).

(6)

其中

d2=Xa-Xb.

(7)

根據式(4)～式(7)可得轉軸振動位移d1

(8)

3 系統整體方案

轉軸振動位移測量系統包括：PSD測試組件、PSD信號處理電路、主控制器C8051F040和上位機等硬件，以及各部分對應的軟件，整體結構如圖3所示。

圖3 系統整體結構圖

PSD輸出電流經過信號處理電路，轉換為適合AD采集的電壓信號，系統采用控制器C8051F040內部自帶的AD采集模塊，采用頻率和采樣時長，可通過上位機操作界面設置。C8051F040對采集信號進行數字濾波和位移計算，得出轉軸振動位移量，并通過窗口將采集數據和計算數據上傳給上位機。上位機通過操作界面對數據進行顯示，給出測量結果。該操作界面采用VB設計。

4 硬件電路設計

4.1 PSD信號處理電路

在設計電路時，首先要考慮如何放大電流信號。PSD輸出是個電流源信號，電壓源更好測量，可以將電流轉換為電壓源信號，直接測量電壓源信號。將電流源信號轉換為電壓源信號，采用的是電壓并聯負反饋電路。集成運算放大器需要選擇高輸入阻抗，失調電壓小，偏置電流小的低噪聲的運放。在電路的設計中, 還要加上電容進行相位補償。PSD信號處理電路如圖4所示，兩路采用相同電路減小誤差，首先電流信號I1和I2轉換為電壓信號，然后電壓信號進行放大，輸出方便AD采集的電壓信號，為了保證PSD測量精度，必須使兩路輸出盡可能一致。

圖4 PSD信號處理電路

4.2 主控制器電路

主控制器電路設計如圖5所示，經過PSD處理電路輸出的電壓信號V1,V2輸入到主控制器C8051F040內部AD采集模塊，采集模塊按照設置好的采樣頻率和時長對V1和V2進行采集，根據采集信號計算振動位移，通過串口傳輸給上位機，串口電路采用MAX232，程序下載電路采用JTAG接口。

圖5 主控制器電路

5 軟件設計

5.1 程序設計

主控制器采用C8051F040，AD采集模塊采用其內部AD，軟件結構流程如圖6所示，系統首先進行硬件初始化和串口設置，與上位機建立串口通信，根據上位機傳輸的AD參數對AD模塊采用頻率、采樣時間等進行設置。設置完成后根據上位機指令進行AD采集，采集完成后，對采集數據進行處理，計算轉軸的振動位移，對數據進行存儲并上傳上位機，進行顯示。

圖6 系統軟件流程圖

5.2 操作界面設計

轉軸振動位移測量控制軟件采用VB設計，軟件具有以下功能：1)AD采集測量結果圖形顯示；2)AD參數設置(包括采樣頻率、采樣周期、采樣時間)；3)串口通信連接功能；4)系統運行狀態顯示功能；5)系統控制、數據存儲功能。

控制操作界面通過串口對主控制器進行參數設置、AD采集啟動、存儲、顯示操作。

6 實驗結果與分析

采用轉軸振動位移測量系統對在研的空心脈沖電源碳纖維纏繞轉軸振動位移進行測量，測量結果如圖7所示。AD采樣頻率為10 kHz，采樣時長為120 ms，一共1 200個采樣點。圖7(a)為轉速在2 000 r/min狀態下系統測量振動位移波形圖，圖7(b)為轉速在4 000 r/min狀態下系統測量振動位移波形，圖7(c)為轉速在5 000 r/min狀態下系統測量振動位移波形，圖7(d)為轉速在6 000 r/min狀態下系統測量振動位移波形。從波形可以看出，振動位移隨著轉軸旋轉周期性變化，隨著轉軸轉速的提高振動位移量也逐漸增大，滿足試驗測量要求。

圖7 在不同轉速下轉軸振動位移測量結果波形圖

7 結 論

本文設計的基于PSD的轉軸振動位移測量裝置，采用串口與上位機通信，操作界面采用VB設計，既方便對參數進行配置，又能及時對測量結果進行存儲和顯示。利用該裝置對在研的空心脈沖電源碳纖維纏繞轉軸振動位移進行了測量，測試結果符合轉軸旋轉周期變化規律，滿足測試要求。為后續空心脈沖電源設計提供了重要依據。

參考文獻:

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