摘要
传感器是动平衡测量系统中的重要元件之一，是一种将不平衡量产生的振动信号不失真地转变成电信号的装置。利用压电式力传感器作为动平衡测量系统中的敏感元件来测量不平衡质量引起的振动。重点阐述了该压电式力传感器的结构设计、安装位置设计及振动信号检测中的关键问题。同时，详细分析了该传感器的信号调理电路特点。现场实验结果表明。设计的压电式力传感器在动平衡测量中的性能良好。
关键词：动平衡振动信号
压电式力传感器调理电路测量系统
前言
动平衡测量是将转子不平衡离心力产生的振动信号，通过传感器转换成电信号，经前置滤波、放大、A／D转换后，由信号处理得到转子不平衡量信息。其中，获取高质量的振动信号是保证高精度动平衡测量的首要环节。因此，作为测振系统重要部件之一的传感器，其选择至关重要。
目前，国内外动平衡机中广泛采用压电加速度传感器作为敏感器件来测量不平衡质量引起的振动，由于这种传感器是测量振动的加速度值，而在位移幅值相同时，加速度值与信号的频率平方成正比。所以对于低频段的信号而言，加速度值可能会相当小，而对于高频段的信号，加速度值则可能会很大。例如：对于振动位移1 mm、频率lHz的低频信号，其加速度值仅为0.04 m／s2；而对振动位移0.1 mill、频率10 kHz的高频信号，其加速度值则可达4 X 105 m／s。所以加速度传感器不适合测量高低两端频率的振动信号。由于本动平衡测量系统的平衡转速设计为220 r／min，对应信号频率为3．67 Hz的低频信号，设计中考虑采用压电式力传感器来测量周期性离心力经振动系统传递后的振动信号。这种传感器结构简单、制作方便、灵敏度高、频率特性好，尤其是其刚度和谐振频率较高，保证了振动力的无损失传递，特别适用于动态测量。针对本设计的新型动平衡测量系统，制作了一种压电式压力传感器。重点讨论了传感器的结构设计、安装位置和传感器信号调理电路的设计，并进行了现场实验。
1 压电传感器的结构设计和测量原理
1．1压电传感器的结构设计
压电式力传感器的结构如图1所示，主要由上盖板、密封圈、绝缘片、压电陶瓷片组、电极、绝缘套、壳体、底座等组成。为避免传感器本身应变传递到压电元件上输出虚假信号而影响传感器的灵敏度，上盖板、壳体及底座均采用了刚度较大的高强度镍铬钢；绝缘套材料为聚乙烯；2片陶瓷片作为绝缘片隔离上盖板和压电陶瓷片组；电极材料为导电性能良好的铜，其形状和大小与压电陶瓷片一致；压电陶瓷片组由2片几何尺寸完全相同(直径16 mill，厚度l mm)的PZT(锆 钛酸铅)圆片形压电陶瓷并联组成。
图1 压电传感器结构示意图
1．2压电传感器尺寸参数确定
压电式力传感器应该具有足够的承载能力、较高的固有频率和绝缘电阻，对于压电陶瓷片半径r和厚度t的设计要着重考虑。 由该动平衡测量系统的结构特点可知，压电传感器承受的动态载荷力和不平衡离心力以及振动系统几何参数的关系为：
S1(Fl—F2)=MRRw2A1cos(wt)+MLRw2A2cos(wt+a)
S2F2=MRRw2A3cos(wt)+MLRw2A4cos(wt+a) (2)
式中：S1、S2、A1、A2、A3、A4为振动系统的几何参数；MR、ML为左右校正面上的不平衡质量；w为转子旋转角速度；R为待测工件的旋转半径；F1、F2为两个传感器所受动态载荷力。
该系统设计测量的最大不平衡量为400 g，由式(2)可得到作用在传感器承载面上的最大载荷。压电陶瓷片的抗压强度极限取120 N／mm2，则压电陶瓷片的半径由式(1)计算为8mm。综合压电陶瓷片的抗弯强度、传感器的固有频率及绝缘阻抗几个因素，其厚度t选取为1mm。
1．3测量原理
压电传感器的工作原理为：待测转子旋转时，由于不平衡质量而产生周期性的离心力，使得振动系统做受迫机械振动。其振动频率与转子旋转频率相同，振动幅值与不平衡量成正比。该交变的周期性振动力作用在压电传感器上，根据压电效应，将压力转换成电荷，经后续调理电路及数字信号处理可以获得转子的不平 衡量信息。
当上述压力作用在压电传感器上时，因为两片压电陶瓷片并联，所以产生的电荷
为：Q=2d33F (3)
式中：d33为压电晶片的压电系数。 两个传感器所受动态力分别为： F1(t)=mlRw2sin(wt+θ1) (4) F2(t)=m2Rw2sin(wt+θ2) (5)
所以两个压电传感器输出的电荷分别为： Ql=2d33mlw2sin(wt+θ1) (6) Q2=2d33m2w2sin(wt+θ2) (7) 传感器输出电容为： C=3.14εD2/2t (8) 式中：ε =l 500×10-11F/m为压电陶瓷片的介电常数，D=16 mm为压电陶瓷片直径；t=lmm为压电陶瓷片厚度；故代人公式C中，得 C=6.03 nF。
2传感器安装位置设计
双面动平衡测量中，作为测振元件的两个传感器的测量值之间相互关联，相互制约。每个传感器的测量值均受两个校正平面上不平衡离心力共同影响，单个校正平面上的校正质量须通过平面分离方程对两个传感器的测量值解耦获得。对于常规的待测工件，其左右校正平面位于两支承中间的简支梁结构形式或左右校正平面位于两支承外侧的外悬结构形式的动平衡测量系统，两传感器安装在不同测量平面，其承受的动态载荷力相差很大，而且周围环境诸如噪声、温度和湿度等对传感器的影响不同。关联程度越高对测量结果的影响越大，则平面分离程度越低。以图2(a)所示的外悬结构形式为例进行说明。设：F=mw2Rcos(wt)+v(t) (9) 式中：m为不平衡质量；mw2R为不平衡质量引起的离心力；w为转子旋转角速度；v(t)为各种噪声及其它干扰。根据力矩平衡关系得到两传感器受到的载荷力分 别为：
F1Ll=FL2=[mw2Rcos(wt)+v(t)]L2 (10) F2L1 =F(L1+L2)=[mw2Rcos(wt)+v(f)](L1+L2) (11) 由式(10)和式(11)可知，各种噪声和干扰对两个传感器的影响差别很大，导致两传感器的灵敏度变化不一致，长此以往，两传感器的性能差别变大，导致测量的重复性降低和一次不平衡降低率增加。综上所述，将两个传感器安装在同一测量平面内，如图2(b)所示。分别测量主轴套筒相对于横梁的动态载荷力以及横梁相对于机座的动态载荷力，这样噪声和干扰对在同一测量平面内传感器的力矩作用相同。这种安装方式下可以保证噪声、温度和湿度等环境因素对于两个传感器的影响基本相同，其灵敏度和性能变化一致，从而保证了系统的测量精度。