現場動平衡測試系統

/上海市計量測試技術研究院

0 引言

隨著科學技術的發展，工業生產中對設備的準確度要求越來越高，回轉體設備的故障檢測要求也隨之增加，從而促進轉子動平衡技術水平的不斷發展。

對于常見典型旋轉設備的動平衡檢測一般需要將設備的回轉體拆下后，固定在工藝軸或專門的支承上進行測量和處理，不能對包含回轉體的設備整機進行現場動平衡測試。由于受到檢測時必須將回轉體拆出的局限，對于運行中的整機設備，難以進行定期的動平衡復查。設備有問題時需要拆機進行動平衡檢測，不僅耽誤時間，而且降低了生產效率。大多數回轉體設備，并不需要長期進行動平衡測試，往往只進行定期檢測。在這種情況下，便攜的、功能靈活的現場動平衡測試系統是設備工程師的首選。

1 測量系統

現場動平衡測試系統不需要將回轉體拆出，能夠直接對整機和機組進行動平衡檢測，利用敏感元件獲取信號，通過信號處理電路提取信號，最后由數據顯示模塊顯示測量數據。這樣可以很方便地為工業生產中的設備提供定期檢測，從而及時了解機器存在的問題，快速地對機器的性能做出正確和全面的評估，很好地提高了生產安全水平和生產效率。

現場動平衡測試系統如圖1所示。一個完整的現場動平衡測試系統由一系列的單元組成，從敏感元件和傳感器開始，到信號的處理部分，最后到信號的記錄和顯示部分。如果其中任何一個元件不能獲得正確的響應，就會使信號失真，從而影響整個測量系統。另外在信號傳遞過程中，現場動平衡測試系統的每個元件均會受到干擾影響，這種干擾有可能來自外部，也有可能來自自身各個部分，所以在設計過程中要使測量結果的失真盡可能小，從而達到高準確度。

圖1 現場動平衡測試系統

現場動平衡測試系統框圖見圖2，采用加速度傳感器和轉速傳感器信號來獲取原始信號，通過信號處理電路來處理原始信號，獲得基準信號和參考信號，將兩路信號進行互相關處理，經過信號處理電路，將得到的直流分量信號進行模數轉換，通過CPU和上位機數據處理，得到轉子的不平衡量值和相位值。

圖2 現場動平衡測試系統框圖

根據現場動平衡測試系統設計的原理可知，需要加速度計和光電計數器來獲取信號，一般典型回轉體設備在使用時的轉速為600～3 000 r/min，其相應的頻率響應范圍為10～50 Hz。

1.1 加速度傳感器

壓電式加速度傳感器和磁電式速度傳感器廣泛應用于工程振動測試中，它們都是慣性式測振傳感器。測量時，將傳感器殼體固定在被測對象上，利用彈簧支撐一個慣性體（質量塊）來感受振動。加速度計是動平衡測試中的第一個環節，除了要求它具有較高的靈敏度和在測量頻率范圍內有平坦的幅頻特性曲線與頻率成線性關系的相頻特性曲線外，還要求傳感器的質量小。這是因為固定在被測對象上的慣性式測振傳感器將作為附加質量使整個測量系統的質量發生變化，從而引起系統的振動特性發生變化。

現場動平衡測試中，加速度傳感器需要具有良好的頻率特性、靈敏度高、體積小、質量小、性能穩定、抗干擾能力強以及安裝方便等特點，所以現場動平衡測試系統采用ICP壓電式加速度計，它由美國PCB公司首先提出并投入生產使用。所謂ICP壓電式加速度計是將傳統電荷輸出型的壓電式加速度傳感器與電荷放大器集成于一體，直接輸出電壓信號，增強抗干擾性、提高測量準確度以及可靠性。壓電式傳感器是一種有源傳感器，以具有壓電效應的壓電器件為核心組成的傳感器。所謂的壓電效應是指當某些材料承受機械應變作用時，其內部會產生極化作用，從而在材料的表面產生電荷；或者當材料的表面承受電場作用時會改變其幾何尺寸。壓電式加速度傳感器具體工作原理見圖3。當傳感器感受到振動體的振動加速度時，質量塊產生的慣性力作用于壓電元件，從而產生電荷Q輸出。當傳感器所包含的質量-彈簧-阻尼系統能實現線性轉換，傳感器輸出電壓與振動加速度成正比。壓電式加速度傳感器可以簡化成如圖4所示的“m-k-c”力學模型。

圖3 壓電式加速度傳感器工作原理

圖4 m-k-c力學模型

考慮到現場測量動平衡的加速度值時的各種情況以及成本等原因，選用國產型號為KD12000L的壓電式加速度傳感器，電壓靈敏度為20 V/g、頻率響應范圍0.1～200 Hz、最大量程為0.2 g、需要提供3～10 mA的24 V電壓恒流供電，廣泛應用于微弱振動信號的檢測，如地基振動檢測等。使用過程中采用磁鐵座將傳感器固定在旋轉設備上，在安裝過程中，第一，要保證安裝接觸面要求有較高的平行度、平直度和低粗糙度，使傳感器的敏感軸向與其受力方向的一致性不因安裝而遭到破壞，以避免橫向靈敏度的產生；第二，根據傳感器的承載能力和頻響特性要求的諧振頻率來選擇合適安裝方式。

1.2 轉速傳感器

轉速測量的種類繁多，按照測量原理可分為模擬法、計數法和同步法；按照變化方式又可分為機械式、電氣式、光電式和頻閃式等。現場動平衡測試系統使用的是光電脈沖計數器，其特點為量程寬、高準確度、簡單。光電脈沖計數器的具體工作原理如圖5所示，首先在回轉體設備的轉軸上貼反光條，當電機轉動時，反光與不反光交替出現，光電元件間斷地接收反射光信號，輸出電脈沖信號。

圖5 光電脈沖計數器原理

2 現場動平衡測試系統結構

現場動平衡測試系統是一種便攜式設備，所以在設計過程中要考慮到攜帶方便、高效率化以及使用方便等特點。整個現場動平衡測試系統由下位機和上位機組成，下位機主要由微處理器構成，采用Silicon Labs 公司生產的C8051F36X系列單片機，用于對數據的采集和對系統整體的控制；上位機采用LabVIEW編寫上位機軟件，用于對數據的處理、顯示和存儲。

2.1 下位機設計

下位機程序設計主要考慮信號采集的實時性、準確性和編程合理性。其程序設計主要包括：兩個外部中斷模塊分別用于采集ADC的數據和轉速脈沖信號計數；串口中斷模塊用于和上位機建立通信；定時中斷模塊用于采集內部集成ADC的數據，控制增益放大器的倍數，調節增益的大??；以及控制模塊對現場動平衡測試系統的測量模式進行切換。

現場動平衡測試系統上電后，單片機首先和上位機建立通信，根據上位機發送的命令來執行具體操作。主要包括測量模式和自檢模式的切換，測量模式下有單面平衡影響系數法和雙面平衡影響系數法，根據上位機發送的命令來確定模式的選擇。開機后，程序默認啟動自檢模式對測量系統進行校驗，采用ICL8038產生的波形作為信號源，測量模式采用雙面平衡影響系數法。通過接收上位機指令，切換到測量模式。測量時，連續采樣10個周期信號，然后取其平均值，提高測量準確度。

下位機設計中，主要是對壓電加速度信號和光電計數信號進行處理，通過RS232通信方式將數據傳送至上位機。如圖6所示，現場動平衡測試系統中壓電加速度傳感器采集到加速度信號后，經過電壓跟隨器、低通濾波器、跟蹤濾波器以及程控增益放大器后傳送到數模乘法器中；轉速信號經過放大整形、倍頻以及分頻后，將時鐘信號送入EEPROM中作為地址線，分別在EEPROM中生成正弦函數和余弦函數，再將生成的正弦函數和余弦函數分別送入數模乘法器中。

圖6 現場動平衡測試系統信號處理模塊

數模乘法器使處理過的加速度信號和轉速信號作相乘，由數模乘法器輸出的信號經過跟蹤低通濾波器和二階低通濾波器濾除交流信號后，將剩余的直流電壓信號送入ADC進行數模轉換；通過MCU對數字量進行采集，并將采集得到的信號通過RS232接口送到PC機，對數據進行處理?，F場動平衡測試系統中設計自檢系統，電路中采用精密震蕩集成電路的芯片產生同頻以及同相的正弦信號和方波信號，作為加速度信號和轉速信號，在測量初始化時對現場動平衡測試系統進行校驗，通過繼電器自動切換自檢和測量兩種模式。圖7給出了測量系統控制模塊，MCU通過內部集成的ADC采集加速度傳感器經過跟蹤濾波后的信號，根據信號的大小來控制增益放大器的放大倍數；通過MCU內部計數器測量轉子的轉速；利用外部四通道的ADC將4路模擬信號轉換成數字信號送入MCU；MCU的UART接口通過RS232與上位機進行通信。

圖7 測量控制模塊

2.2 上位機設計

采用美國國家儀器公司研發推出的圖形化虛擬儀器編程軟件LabVIEW編寫上位機軟件。

上位機設計中主要考慮能夠直觀地顯示測得數據、方便操作、易于數據存儲和調用。上位機開機后和下位機建立通信，發送指令，進行測量系統的模式選擇。在自檢模式下，讀取串口數據，并對數據進行處理，顯示最終測試結果；測量模式下，不僅要顯示測量結果，還可以對測量數據進行保存。數據處理中首先根據公式計算不平衡量的幅值相位和轉子轉速，然后再根據設計的要求進行處理，得到最終測量結果。

現場動平衡測試系統，采用LabVIEW語言編寫的上位機軟件，直觀、明了、操作方便，實現的功能主要包括以下幾點：1）串口通信接口模塊，實現和下位機CPU的數據傳輸；2）顯示最終測量結果；3）通過按鈕發送信息控制下位機的數據采集系統；4）保存測量數據。

3 結語

從轉子振動時產生的加速度信號和轉速信號為同頻的角度進行分析，根據互相關原理，設計信號提取電路，選取合適的加速度傳感器和轉速傳感器，使用跟蹤濾波技術和相敏檢測器技術，進行數據處理；選擇C8051F360器件作為整個硬件系統的核心處理器，用于整個測量系統的控制、數據采集以及數據傳輸；基于RS232通信方式，利用LabVIEW語言編寫上位機軟件，用于對下位機采集數據的處理、顯示和存儲，設計一套針對典型回轉體設備的現場動平衡測試系統。