基于懸臂梁的渦電流測震系統(tǒng)的設計說明書論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設計</b></p><p>　　題 目 基于懸臂梁的渦電流 </p><p>　　測振系統(tǒng)的設計 </p><p>　　學 院 機械工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 機械工

2、程和自動化 </p><p><b>　　班 級</b></p><p><b>　　學 生</b></p><p><b>　　學 號</b></p><p><b>　　指導教師</b></p><p&

3、gt;<b>　　二〇 年五月二十日</b></p><p><b>　　1 前言</b></p><p><b>　　1.1 振動綜述</b></p><p>　　1.1.1 機械振動</p><p>　　機械振動也簡稱為振動，是物體在平衡位置附近做的往復運動。在現(xiàn)實生活中

4、，我們能看到的很多機械都是運用機械振動這一學說理論建造出來的。如篩分設備、輸送設備、給料設備、粉碎設備等機械設備都是將振動理論運用到現(xiàn)實生活中的結果。</p><p>　　篩分設備：篩分設備是機械振動在現(xiàn)實中運用最多的產品。如熱礦篩、旋振篩、脫水篩等。顧名思義，篩分設備就是運用振動知識以和篩分部件將大小、類型不同的物品區(qū)分開來，減少勞動力以和提高生產效率。例如：熱礦篩用帶偏心塊的雙軸激振器，雙軸振動器兩根軸上的偏

5、心塊由兩臺電動機帶動分別做反向自同步旋轉，使篩箱直線振動，篩體沿直線作周期性往復運動，從而達到篩分目的。又如南方常用的小型水稻落谷機，機箱中有一塊篩網(wǎng)，由發(fā)動機帶動連桿往復運動，當水稻與稻草落入篩網(wǎng)的時候，不停的振動讓稻谷通過篩網(wǎng)落入機箱存谷槽中，來實現(xiàn)稻谷與稻草的分離，減少人力資源，提高農業(yè)效率。</p><p>　　輸送設備運用機械振動也是很多的。比如：螺旋輸送機、往復式給料機、振動輸送機、買刮板輸送機等。輸

6、送設備是將物體由一個地方通過輸送管道輸送到另一個地方的設備，來節(jié)約人力資源，提高生產效率。例如：廣泛應用于冶金、煤炭、建材、化工等行業(yè)中的粉末狀和顆粒狀物料輸送的振動輸送機，采用電動機作為動力源，使物料被拋起的同時通過管道做向前運動，達到輸送目的。</p><p>　　給料設備在某種程度與輸送設備有共同之處，例如：振動給料機、單管螺旋喂料機、振動料斗等。拿振動料斗來說,它是一種新型給料設備,安裝在料倉下部，通過振

7、動使物料活化，能有效消除物料的起拱、堵塞以和粘倉現(xiàn)象，以解決料倉排料難的問題。</p><p>　　總而言之，機械振動在現(xiàn)實生活生產中有多種多樣的應用，有的是直接應用，有的是間接應用?？茖W的力量是非常強大的,只有把科學轉變?yōu)榭萍疾拍苡脕碓旄Ｈ祟?，造福社會?lt;/p><p>　　1.1.2 振動研究目的</p><p>　　機械振動對于大多數(shù)工業(yè)機械、工程結構和儀器儀

8、表來說是有害的，它常常是造成機械結構惡性破壞與失效的直接原因。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計，我國每年因運輸車輛振動致使包裝不妥的產品受損、失效以和破壞造成的經(jīng)濟損失達數(shù)億元。超出規(guī)范標準的振動能夠縮短機器壽命，影響機械加工質量，降低機械電子產品的使用性能，甚至產生公害，以和污染環(huán)境等。</p><p>　　1995年7月初，天全某水泥廠2號機立窯在更換風機時，忽視了共振現(xiàn)象的產生以和其危害

9、，在7、8兩個月時間里，發(fā)生了連續(xù)損壞3臺羅茨風機以和一臺215kW電機的重大設備事故，造成直接經(jīng)濟損失40多萬元。通過現(xiàn)場事故分析與補救措施處理，實踐證明：此次重大設備事故，是由共振現(xiàn)象造成，損失嚴重，教訓深刻。</p><p>　　共振對人體產生有著較大危害，人體各部位有不同的頻率，如眼球頻率約為60HZ，顱骨頻率最大約為200 HZ。把人體比作一個整體來看，水平方向的固有頻率約為3-6 HZ，垂直方向的固有

10、頻率約為48HZ。因此國家規(guī)定：要求各類振動機械地振動頻率必須大于20 HZ,并且要盡量避免振動源頻率與人體有關部位固有頻率產生共振。</p><p>　　振動測量從航天航空部門發(fā)展起來，現(xiàn)在在在動力機械、交通運輸、建筑等工業(yè)部門和環(huán)境保護、勞動保護等方面也有其重要作用。</p><p>　　現(xiàn)在，振動分析以和振動設計已經(jīng)成為產品設計中一個關鍵環(huán)節(jié)。</p><p>

11、;　　學習振動力學的主要目的，就是掌握振動的基本理論與分析方法，用于確定以和限制振動時工程結構機械產品的性能、壽命和安全的有害影響。振動有其可利用的一面，如工業(yè)上常采用的振動篩選、振動沉樁、振動輸送以和根據(jù)振動理論設計的測量傳感器，地震儀等。了解振動力學地另一目的，就是通過振動理論來創(chuàng)造以和設計新型振動設備、儀表以和自動化設備。</p><p>　　1.2 振動測量技術</p><p>　

12、　振動測量技術是從航天航空部門發(fā)展起來的，現(xiàn)在在工業(yè)生產以和科研領域都占有重要地位，對于航天航空、動力機械、交通運輸、軍械兵器、能源工業(yè)、土木建筑、電子工業(yè)、環(huán)境保護等來說表現(xiàn)的尤其突出。</p><p>　　振動測量的分類方法有多種。依據(jù)測量原理可以分為機械法、電測法、光電結合測量法等；依據(jù)測振傳感器是否與被測物體接觸，振動測量可以分為接觸測量以和非接觸測量；依據(jù)振動傳感器原理不同，又可分為加速度型、速度型、位

13、移變化檢測型。其中加速度型以和速度型屬接觸型測量，使用時需將其固定在被測物體上；位移變化檢測型屬非接觸測量型，使用時無須裝在被測物體上。從檢測頻率來看：加速度型測振傳感器主要用于中、高頻范圍，速度型測振傳感器主要用于中頻范圍，位移檢測型主要用于直流到低頻范圍。</p><p>　　1.2.1接觸式振動測量</p><p>　　在振動測量技術中，根據(jù)被測對象與測量元件是否接觸分為接觸式測量或

14、者非接觸式測量。傳感器的信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可以獲取被測對象的振動信號。自20 世紀60 年代起，人們進行了大量振動測量的理論和實踐研究。實踐發(fā)展過程中，常見的接觸式測量方法分為以下幾類：壓電式，電阻式，電動式。</p><p>　　(1)壓電式傳感器：典型的“雙向傳感器”。屬于發(fā)電式傳感器。壓電效應：當沿著一定方向對某些電介質施加力使其變形時，在一定表面產生電荷，外力去掉后，重新回復不帶電狀態(tài)，這一現(xiàn)象被稱為正

15、壓電效應。在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質在一定方向產生機械變形或機械壓力；外加電場撒去時，這些變形或應力也隨之消失，此被稱為逆壓電效應。</p><p>　　工作原理：以某些物質壓電效應為基礎。應用：利用正壓電效應可制成壓電電源以和電壓發(fā)生器，利用逆壓電效應可制成超聲發(fā)生器以和電聲器件。</p><p>　　利用壓電效應，可制成測力傳感器。在振動測量之中，由于壓電晶體所受力是慣性

16、質量塊產生的牽連慣性力，產生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，因此壓電式傳感器是加速度傳感器。</p><p>　　壓電式力傳感器在振動試驗中，除測量振動外，還經(jīng)常測量對試件所施加的動態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、體積小以和重量輕等優(yōu)點，因此獲得廣泛應用。</p><p>　　(2)電阻應變式傳感器：將被測的機械振動量轉換為傳感元件電阻變化量。實現(xiàn)這種機電轉換的傳感元件有很

17、多種形式，其中電阻應變式的傳感器是最常見的形式。電阻應變片的工作原理為：應變片粘貼在某試件上，由于試件受力變形，引起應變片原長變化，從而引起應變片阻值變化。實驗證明，在試件的彈性變化范圍內，應變片電阻的相對變化與其長度的相對變化成正比。</p><p>　　圖1.1 電阻應變式測振傳感器測振示意圖</p><p>　　電阻應變式加速度測振傳感器有兩種主要類型。一是張絲式，它的主要原理是通過

18、物體振動，帶動其內部電阻絲長度發(fā)生變化，從而使其電阻發(fā)生相應變化。二是壓阻式，它是利用了半導體或者某些稀有金屬受力時，其本身電阻率發(fā)生改變的特性的壓阻效應。</p><p>　　電阻應變式加速度測振傳感器如圖1.1所示。基礎振動帶動質量塊振動，使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，使粘貼在梁上的應變片隨之變形。由加速度頻率特性可以知道，位移與輸入加速度成比例，粘貼在梁上的應變片將質量塊的相對位移轉換成電阻變化，再經(jīng)電橋轉換為電壓

19、輸出。通過其幅頻特性，電阻應變式加速度測振傳感器的頻率特性主要由其內部彈簧質量決定。該類傳感器工作頻率低，為0～2KHz，可以測量超低頻振動。 一般與動態(tài)應變儀配合使用。</p><p>　　在選擇此類電測型測振傳感器時，要充分考慮被測量的參數(shù)（位移、速度或加速度）、測量頻率范圍、量程、分辨率、使用環(huán)境以和相移等問題。對相位有嚴格要求地振動測試項目，如相關分析，傳遞函數(shù)分析等，應特別注意傳感器和測試系統(tǒng)的相頻特性

20、，或者對供貨商提出要求；或者在振動臺上實測相差，以便對傳感器作篩選或在分析時作出修正。</p><p>　　(3)電動式傳感器起源于電磁感應原理，即當運動的導體在固定的磁場內切割磁力線時，導體兩端就會感生電動勢，利用這一原理的傳感器稱為電動式傳感器。從機械接收原理來說相對式電動傳感器，是一個位移傳感器，由于在機電變換原理中應用電磁感應規(guī)律，因此其產生的電動勢與被測振動速度成正比，實際上它是一個速度傳感器。<

21、/p><p>　　1.2.2 非接觸式振動測量</p><p>　　非接觸測量是以光電、電磁技術為基礎，不接觸被測物體，從而得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。典型的非接觸測量方法有激光三角法、電渦流法、超聲測量法、機器視覺測量法等。</p><p>　　(1)電感式傳感器是依據(jù)傳感器的相對式機械接收原理，電感式傳感器能把被測機械振動參數(shù)變化轉換成為電參量信號變化。利用線圈

22、自感或者互感變化，實現(xiàn)測量的一種裝置。他的核心部分是可變自感或可變互感，然后將被測量轉化為線圈自感或線圈互感的變化時，一般利用磁場作為媒介或者利用鐵磁體。工作原理：其是把被測位移量轉換為線圈自感或互感變化，而實現(xiàn)測量的一類傳感器。因此，電感傳感器有二種形式，一為可變間隙式，二為可變導磁面積式。</p><p>　　優(yōu)點：結構簡單可靠、抗干擾能力強、輸出阻抗小、輸出功率大、對工作環(huán)境要求不高、示值誤差一般為示值范圍

23、的0.1%—0.5%、分辨率較高、穩(wěn)定性好。缺點：不宜用于快速測量。頻率響應低、</p><p>　　(2)渦電流傳感器是一種相對式非接觸式傳感器，通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的位移或幅值。渦流線圈感抗與被測導體離線圈遠近有關。渦電流傳感器具有線性工作范圍大、頻率范圍寬（0～10 kHZ），非接觸式測量和靈敏度高等優(yōu)點，主要應用于振動位移的測量、靜位移的測量、旋轉機械中監(jiān)測轉軸振動測量。<

24、;/p><p>　　渦電流傳感器是成立在渦流效應原理上的傳感器。渦電流傳感器可以以非接觸地方法測量物體外貌以及金屬導體的多種物理量，如位移、厚度、轉速、振蕩、硬度、應力等參數(shù)。這種傳感器可用于無損探傷。 </p><p>　　渦電流傳感頻率響應寬、布局簡略、測量規(guī)模大、抗干憂能力強、活絡度高，特別是具有非接觸測量的優(yōu)點，是以在工業(yè)出產和科技的廣泛范疇內獲的了廣泛的應用。</p>

25、<p>　　(3)電容式傳感器是將被測量變化轉換成電容量變化的一種裝置，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。一般分為兩種類型：可變間隙式和可變公共面積式?？勺冮g隙式可測量直線振動位移?？勺兠娣e式可測量扭轉振動角位移。</p><p>　　優(yōu)點：結構簡單、易實現(xiàn)非接觸測量、動態(tài)響應快。缺點：比較容易受干擾和分布電容影響。廣泛應用于位移、壓力、液位、加速度、成分含量測量中。</p><p

26、>　　應用：電容式傳感器可以用來測量直線位移、振動振幅、角位移，尤其適合測量精密軸系回轉精度、加速度等機械量、高頻振動振幅。還可用來測量壓力、液位、料面、壓差、非金屬材料的涂層、成分含量、油膜的厚度、測量電介質的密度、濕度、厚度等，在控制系統(tǒng)和自動檢測中常常用作位置信號發(fā)生器。</p><p>　　1.3畢業(yè)設計內容與意義</p><p>　　該設計題目屬于機電一體化系統(tǒng)設計內容，應

27、用到課程包括：測試技術、機電一體化系統(tǒng)設計、機械設計、機械原理、機械零件、機電傳動、機械制圖、理論力學、材料力學、機械制造和基礎、互換性與技術測量、數(shù)控技術、計算機輔助電路設計、計算機輔助繪圖等。</p><p>　　根據(jù)所學專業(yè)知識，完成基于懸臂梁測振系統(tǒng)的整體設計，包括懸臂梁的機械結構系統(tǒng)、激振器的夾持系統(tǒng)、傳感器的調整以和固定系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等幾個部分。</p><p><b

28、>　　該系統(tǒng)的指標如下：</b></p><p>　　1．系統(tǒng)最大檢測位移為10mm；</p><p>　　2．傳感器原始間隙的最大范圍為5mm；</p><p>　　3．激振器的固定位置可以在懸臂梁的滑槽內移動，移動范圍為20 mm；</p><p>　　4．傳感器可以在懸臂梁上移動范圍為10 mm。</p>

29、<p>　　本系統(tǒng)的設計,著重以下幾個方面:</p><p>　　(1) 經(jīng)濟、小型裝置</p><p>　　實驗設備應該是小型的、成本低的, 應充分利用實驗室現(xiàn)有裝置, 并且便于操作和管理。</p><p>　　(2) 能完成預定測試要求</p><p>　　試驗裝置應根據(jù)要求產生不同的振動頻率, 且將各點振動結果準確測量出來,

30、 還要找出其共振點,確定固有頻率。</p><p>　　(3) 測試結果數(shù)字化</p><p>　　為了克服模擬信號測量和讀數(shù)的誤差, 可以采用單片機系統(tǒng)對振動信號進行分析處理, 以得到更加準確的振幅值。通過分析, 確定被測系統(tǒng)固有頻率。</p><p>　　2 懸臂梁測振系統(tǒng)總體設計</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)結構組成

31、</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用穩(wěn)態(tài)正弦激振方法, 對試件施加一個穩(wěn)定單一頻率的正弦激振力, 在試件到達穩(wěn)定狀態(tài)后, 測量振動響應和正弦力的幅值比,從而得到該激振頻率時的幅頻特性值。因此, 整個系統(tǒng)主要分為以下幾部分組成: 激振裝置、被測裝置、測量裝置和單片機系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.1 被測裝置</p><p>　　被測裝置采用懸臂梁

32、, 激振器連桿與懸臂梁相連, 同時將渦電流傳感器固定在梁的長度方向。在傳感器正下方安裝螺旋調整裝置, 固定在懸臂梁的底座上, 來調節(jié)連接在螺桿上的金屬平板和傳感器間的原始間隙。同時在懸臂梁的底座上開有T型通槽, 當傳感器需測量梁上不同點的振動時, 可以相應移動螺旋調節(jié)裝置, 來保持兩者在垂直方向上的對正性。與此同時,用千分尺調節(jié)結構作為螺旋調節(jié)裝置, 調節(jié)范圍為0-5mm, 精度為0.01mm。</p><p>

33、　　2.1.2 激振裝置</p><p>　　激振裝置主要由信號發(fā)生器、電動式激振器、功率放大器等組成, 在系統(tǒng)中，選用有線性特征的懸臂梁作為被測裝置，在其端部與激振器連桿相連，信號發(fā)生器產生標準的穩(wěn)態(tài)正弦波, 經(jīng)過功率放大后輸入到激振器, 激振器根據(jù)要求產生頻率不同的正弦激振力, 作用在被測裝置上。在實驗時對于激振力的幅值,可進行恒力控制, 方法是采用高阻抗輸出的功率放大器, 給激振器輸送恒定電流來實現(xiàn)恒力輸出

34、。</p><p>　　圖2.1 穩(wěn)態(tài)正弦激振實驗框圖</p><p>　　2.1.3 測量裝置</p><p>　　由于渦電流傳感器屬非接觸式傳感器之列，且具有線性工作范圍大、頻率范圍寬（0～10 kHZ），靈敏度高和非接觸式測量等優(yōu)點，主要應用于振動位移的測量、旋轉機械中監(jiān)測轉軸的振動測量、靜位移的測量。 再加上出于經(jīng)濟方面的考慮，故采用渦電流傳感器作為測試裝置

35、。</p><p>　　圖2.2 渦電流測震系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　渦電流測振儀輸出一個穩(wěn)定的電壓信號, 單片機接收并測量到的結果也是一個穩(wěn)定的數(shù)值。當金屬平板相對于傳感器沿軸線方向水平移動時, 由單片機系統(tǒng)上測量到的結果也是一系列隨位移變化的數(shù)值。當金屬平板相對于傳感器作往復運動即按一定頻率振動時, 經(jīng)單片機系統(tǒng)測量處理后可得到振動系統(tǒng)的頻響特性。</p><

36、;p>　　2.1.4單片機系統(tǒng)</p><p>　　單片機是一種集成在電路芯片上，采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、只讀存儲器ROM、多種I/O口以和中斷系統(tǒng)、隨機存儲器RAM、定時器/計時器等功能（可能還包括脈寬調制電路、顯示驅動電路、A/D轉換器等電路、模擬多路轉換器）集成到一塊硅片上，從而構成的小而完善的一個計算機系統(tǒng)。</p><p>　　單片機具

37、有功耗低、體積小、擴展靈活、控制功能強、使用方便和微型化等優(yōu)點，廣泛應用在儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如頻率、濕度、溫度、電壓、功率、厚度、角度、長度、流量、元素、壓力、速度、硬度等物理量的測量。采用單片機控制使儀器儀表微型化、智能化、數(shù)字化，且比采用電子或數(shù)字電路功能更加強大。例如精密的測量設備：示波器、功率計及各種分析儀等。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)測試步驟</p><

38、;p>　　工作時將渦電流傳感器固定在工作臺架上，傳感器測頭與下方的金屬平板表面的原始間隙為1mm左右。當金屬平板與傳感器處于相對靜止狀態(tài)時，渦電流測振儀輸出一個穩(wěn)定的電壓信號，單片機接收并測量到的結果也是一個穩(wěn)定的數(shù)值。當金屬平板相對于傳感器沿軸線方向水平移動時，由單片機系統(tǒng)測量到的結果也是一系列隨位移變化的數(shù)值；當金屬平板相對傳感器作往復運動時，即按一定頻率振動時，經(jīng)單片機系統(tǒng)測量處理后可得到振動的振幅以及振動過程的情況。<

39、;/p><p>　　由低頻段向高頻段逐次改變信號發(fā)生器頻率時，需注意應該保持激振力值的穩(wěn)定性。每改變一次頻率，一定要等測試系統(tǒng)和懸臂梁都到達穩(wěn)態(tài)后才可讀數(shù)。這時，可從數(shù)碼管顯示器上觀察各頻率的振幅值。當發(fā)現(xiàn)懸臂梁產生共振時，應盡量在該點附近取頻率間隔小一些，以便找到準確的共振頻率。從鍵盤上輸入信號幅值，可得到各頻率點的幅值比，最后由打印機打出幅頻特性曲線。</p><p><b>　

40、　具體步驟如下：</b></p><p>　　1．將傳感器垂直緊固在測量臺架的懸臂上，傳感器和測量臺架的臺面應按儀器要求保持一定的間隙。</p><p>　　2．接通儀器電源。調整測量臺架立柱上的螺母，使傳感器上下移動，讓測量儀指示在“0”刻度處。</p><p>　　3．移動傳感器下面的金屬平板，觀察儀器輸出結果。</p><p&g

41、t;　　4．固定金屬平板，讓傳感器處于振動狀態(tài)，觀察儀器輸出結果。</p><p>　　5．對該實驗重復三次，記錄下每次實驗結果。</p><p>　　3 懸臂梁測振系統(tǒng)整體結構設計</p><p>　　根據(jù)實驗室現(xiàn)有懸臂梁，對其進行測量，然后通過測量數(shù)據(jù)，參考實驗室懸臂梁結構進行系統(tǒng)所需懸臂梁設計。由實地測量觀察可知，本部分主要包括：被測裝置、激振裝置、測量裝置。

42、</p><p>　　3.1 渦電流傳感器</p><p>　　渦電流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)、高線性度、高分辨力、非接觸地測量被測金屬導體距探頭表面距離。它是一種線性化的非接觸計量工具。渦電流傳感器能準確測量探頭端面與被測體（金屬導體）之間動態(tài)和靜態(tài)的相對位移變化量。在高速旋轉機械和往復式運動機械的狀態(tài)分析、分析測量、振動研究中，對非接觸的位移信號、高精度振動，能準確連續(xù)地采集轉子振動狀態(tài)的各

43、種參數(shù)。如軸的軸向位置和徑向振動、振幅。從軸承學、轉子動力學的理論上分析，大型旋轉機械的運動狀態(tài)主要取決于其核心—轉軸，而渦電流傳感器能直接以非接觸的方式測量轉軸的狀態(tài)，對諸如轉子的不對中、不平衡、軸裂紋、發(fā)生摩擦和軸承磨損等機械問題的早期判定，可以提供關鍵信息。渦電流傳感器以其測量范圍寬、長期工作可靠性好、分辨率高、靈敏度高、抗干擾力強、響應速度快、結構簡單、不受油污等介質的影響等優(yōu)點，在大型旋轉機械狀態(tài)的故障診斷與在線監(jiān)測中得到廣泛

44、應用。</p><p>　　3.1.1渦電流傳感器基本原理 </p><p>　　根據(jù)法拉第電磁感應原理描述，塊狀金屬導體置于變化磁場中或在磁場內作切割磁力線運動時，導體內將產生渦旋狀的感應電流，此電流渦叫電流，此現(xiàn)象稱為渦電流效應。根據(jù)渦電流效應制成的傳感器稱為渦電流傳感器。 </p><p>　　前置器中的高頻振蕩電流通過延伸電纜進入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中

45、產生交變磁場。當被測金屬體靠近磁場時，則會在此金屬表面產生感應電流，同時該渦電流場也會產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體電導率、線圈的幾何形狀、電流頻率、磁導率、幾何尺寸和頭部線圈到金屬導體表面距離等參數(shù)有關。通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統(tǒng)的物理性質可由金屬導體的磁導率ξ、電導率б、頭部體線圈與金屬導體表面

46、的距離D、尺寸因子τ、頻率ω和電流強度I等參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)這一函數(shù)來表示。通常我們能做到控制ξ, б,τ, ω，I這幾個參數(shù)在一定范圍內恒定不變，則線圈特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然整個函數(shù)是非線性的，其函數(shù)特征為“S”型曲線，但可以選取近似為線性的一段。通過前置器電子線路處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導體距離D的變化轉化成電流或電壓的變化。輸出信號大小隨探頭

47、與被測體表面之間的離距而變化，渦電流傳感器就是根據(jù)這一</p><p>　　工作過程：當被測金屬與探頭之間距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的Q值發(fā)生變化，Q值變化引起振蕩電壓幅度變化，這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉化為電壓（電流）變化，最終機械位移(間隙)轉換成電壓（電流）。由上所述，渦電流傳感器工作系統(tǒng)中可把被測體看作傳感器系統(tǒng)的一半，即渦電流傳感器的性能與被測體有關。 </p

48、><p>　　按照渦電流在導體內的貫穿情況，可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但是從基本工作原理上來說仍然相似。渦電流傳感器最大的特點是能對厚度、位移、速度、表面溫度、材料損傷、應力等進行連續(xù)非接觸式測量，另外還具有靈敏度高，體積小，頻率響應寬等特點，具有極其廣泛的應用。</p><p>　　本實驗采用85811系列的φ25探頭渦電流傳感器。其具體參數(shù)如下：</p><p&

49、gt;　　量程 (mm) 10</p><p>　　靈敏度 (mv/μm) 1</p><p>　　工作頻率 (Hz) 0-4000</p><p>　　分辨率 (μm) 10</p><p>　　工作溫度 (℃) 探頭-30～+12

50、0前置器-30～+70</p><p>　　線性度 (%) 1.5</p><p>　　供電電源 VDC -24</p><p>　　溫漂 (%℃) 0.2</p><p>　　圖3.1 渦電流傳感器</p><p>　　3.3.1 渦電流傳感器

51、的固定</p><p>　　渦電流傳感器并非固定不動，因此需設計一支撐架能夠實現(xiàn)傳感器在懸臂梁的移動，如圖3.2所示。</p><p>　　支撐臂通過螺栓連接與滑塊相連，而滑塊則放置在懸臂梁底座的T形槽內。需要移動時只需松開螺栓將滑塊移動到相應位置即可?；瑝K如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.2 渦電流傳感器支撐臂</p><p>

52、<b>　　圖3.3 滑塊</b></p><p>　　3.2 懸臂梁的設計</p><p>　　做為被測裝置，懸臂梁對渦電流傳感器的特性具有很大影響。</p><p>　?。?）懸臂梁材料對傳感器的影響 </p><p>　　傳感器特性與被測體的磁導率ξ、電導率б有關，當被測體為導磁材料（如普通鋼、結構鋼等）時，由于磁

53、效應和渦流效應同時存在，磁效應反作用于渦流效應，使得渦流效應減弱，從而傳感器靈敏度降低。而當被測體為弱導磁材料（如鋁，銅，合金鋼等）時，相對與弱磁效應來說渦流效應要強，因此渦電流傳感器感應靈敏度要高。 </p><p>　　（2）懸臂梁表面平整度對傳感器的影響 </p><p>　　不規(guī)則的被測體表面，會給實際測量帶來附加誤差，因此被測體表面應平整光滑，不應存在洞眼、凸起、凹槽、刻痕等缺陷

54、。一般要求：對于振動測量來說被測表面粗糙度要在0.4um～0.8um之間；對于位移測量來說被測表面粗糙度要在0.4um～1.6um之間。 </p><p>　?。?）懸臂梁表面磁效應對傳感器的影響 </p><p>　　渦電流效應主要集中在被測體表面，如果加工過程中形成殘磁效應，及結晶結構不均勻、淬火不均勻、金相組織不均勻、硬度不均勻等都會影響傳感器特性。在進行振動測量時，如果被測體表面殘

55、磁效應過大，會使測量波形發(fā)生畸變。 </p><p>　　（4）懸臂梁表面鍍層對傳感器的影響 </p><p>　　被測體表面的鍍層對傳感器的影響相當于改變了被測體材料，視其鍍層的厚薄、材質不同，傳感器的靈敏度會略有變化。 </p><p>　　1支撐臂；2懸臂梁；3底座</p><p>　　圖3.4 懸臂梁結構圖</p>&l

56、t;p>　?。?）懸臂梁表面尺寸對傳感器的影響</p><p>　　由于探頭線圈所產生的磁場范圍是一定的，被測體表面所形成的渦流場也是一定的，這樣就對被測體表面大小有了一定要求。通常，當被測體表面為平面時，以正對探頭中心線的點為中心，被測面直徑應大于探頭頭部直徑1.5倍以上；當被測體為圓軸并且探頭中心線與軸心線正交時，要求被測軸直徑為探頭頭部直徑3倍以上，否則傳感器靈敏度會下降，被測體表面越小，靈敏度下降越

57、多。實驗測試，當被測體表面大小與探頭頭部直徑相同時，其靈敏度下降到72%左右。被測體厚度也會影響測量結果。被測體中渦電流場作用的深度由材料導電率、頻率、導磁率決定。如果被測體太薄，將造成渦電流作用不夠，致使傳感器靈敏度下降，一般要求用厚度大于0.1mm以上的鋼等導磁材料和厚度大于0.05mm以上的鋁、銅等弱導磁材料，靈敏度不會受其厚度的影響。</p><p>　　根據(jù)以上原則確定選用表面經(jīng)過渡鋅后的45鋼懸臂梁。

58、結構圖3.4：</p><p>　　懸臂梁底座與支撐臂中心部位均一T形槽，其結構如下圖所示：</p><p><b>　　圖3.5 T形槽</b></p><p>　　懸臂梁的底座與支撐臂之間由卡板連接，如下圖所示：</p><p>　　圖3.6 懸臂梁卡板</p><p>　　3.3 激振裝置

59、的選擇</p><p><b>　　3.3.1 激振器</b></p><p>　　激振裝置：附加在某些機械和設備上用來產生激勵力的裝置，它是利用機械振動的重要部件。激振器能夠使被激物體獲得一定形式及大小的振動量，從而可以對物體進行振動和強度測試，或者對振動測試儀器和傳感器進行校準。激振器還可以作為激勵部件組成振動機械，以實現(xiàn)物件或物料的輸送、篩分、密實、成型和土壤砂

60、石的搗固等。 </p><p>　　按激勵型式不同,激振器分為慣性式、電磁式、電動式、氣動式、液壓式和電液式等型式。激振器可產生單向或多向、簡諧或非簡諧激勵力。</p><p>　　圖3.7 激振器原理圖</p><p>　　JZ系列激振器可用于橋梁、機床、水壩等模型激振試驗。通過模型試驗可以測得試驗對象的阻尼系數(shù)、固有頻率、動剛度等動態(tài)參數(shù)，從而可以為設計提供必

61、要的依據(jù)。</p><p>　　在本系統(tǒng)中選用JZ-2A型激振器，其具體參數(shù)如下所示：</p><p>　　最大輸出力 (N） 10</p><p>　　工作頻率 （Hz） 5～4000 5-15000</p><p>　　力常數(shù) (N/A） 5/5.5</p><

62、;p>　　最大位移 （mm） ±2/±3</p><p>　　空載最大加速度 （g） 340</p><p>　　最大電流 （A） 2.5/2</p><p>　　尺  寸 (mm） Φ75×150 Φ76×83</p><

63、;p>　　重量 （kg） 2</p><p>　　可動部分質量 （g） 40</p><p>　　線圈電阻 （Ω） 2/2.5</p><p>　　3.3.2 激振器的固定</p><p>　　激振器選擇完畢后需固定在懸臂梁上，這就需要設計一個專門的固定裝置來</p&

64、gt;<p>　　固定激振器，如下圖所示：</p><p>　　圖3.8 激振器支撐座</p><p>　　激振器通過螺栓連接與滑塊相連，而滑塊則放置在懸臂梁底座的T形槽內。需要移動時只需松開螺栓將滑塊移動到相應位置即可。滑塊如圖3.3所示。</p><p>　　4 懸臂梁測振系統(tǒng)電路部分設計</p><p>　　4.1電路系

65、統(tǒng)硬件部分的設計</p><p>　　圖4.1 電路硬件結構圖</p><p>　　儀表的總體結構如上圖4.1所示。可以看出整個系統(tǒng)模塊分為以下幾個部分：</p><p>　　(1) 傳感器模塊，將振動信號轉換為電流信號；</p><p>　　(2) 信號調理模塊，主要是指放大電路，它將傳感器轉換的微弱電流信號適當?shù)姆糯螅怨〢/D轉換器用；

66、</p><p>　　(3) 單片機模塊，核心是儀表。根據(jù)設計要求，裝在其內部EPROM中的監(jiān)控程序應包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及濾波等功能；</p><p>　　(4) A/D轉換模塊，將模擬信號轉換成數(shù)字信號供單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理；</p><p>　　(5) 顯示模塊，將測量結果直觀顯示出來；</p><p>　　(6) 人機交互模塊

67、，由鍵盤構成。通過它向單片機發(fā)出命令實現(xiàn)對儀表的操作，由單片機根據(jù)命令格式提供相應功能；</p><p>　　(7) 外擴程序，存儲于在儲器內供單片機進行數(shù)據(jù)處理用；</p><p>　　(8) 單片機與上位機通訊接口相接。把測得的數(shù)據(jù)通過接口傳到上位機以便進行后期處理，比如頻譜分析。</p><p>　　4.1.1傳感器模塊設計</p><p&

68、gt;　　振動測量中，把被測振動力學參數(shù)轉換成電學參數(shù)的裝置被稱為振動測量傳感器。使用電測法來測量速度、加速度和振動位移時，3個參數(shù)可以互相轉換，測振儀的組成根據(jù)所用傳感器不同有著不同的形式，如速度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器等。</p><p>　　渦電流傳感器是一種相對式、非接觸式傳感器,通過傳感器端部與被測物體之間距離的變化來測量物體振動幅值和其位移。渦流式傳感器可用來檢測振動和位移。</p>

69、;<p>　　在本系統(tǒng)中我們選擇85811系列的傳感器。</p><p>　　4.1.2信號調理模塊設計</p><p>　　信號調理模塊主要功能是放大由感器輸入的微弱信號，并進行必要的濾波，最后送入A/D轉換器</p><p>　　在本系統(tǒng)中使用了采用渦電流測振儀型號為DW-1,它可以將渦流傳感器送來的電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘枴?lt;/p>

70、<p>　　4.1.3單片機模塊設計</p><p>　　單片機在智能化測量儀表中是核心。要考慮數(shù)據(jù)指令功能、尋址能力、總線寬度、單片機的軟、硬件支持狀況等。在選擇單片機時，主要從儀表的實際需要、執(zhí)行速度、中斷能力和市場對該種儀表進行選澤。</p><p>　　目前國內市場上能夠采購的單片機，不僅各廠家系列多，而且同一系列有很多種類，根據(jù)本系統(tǒng)的總體功能要求和價格等方面進行綜合考

71、慮選取MCS-51系列的8031為主機，它不僅滿足系統(tǒng)的功能要求而且結果靈活、設計方便。</p><p>　　8031芯片共有40根引腳，其引腳如圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 8031引腳</p><p>　　40根引腳按功能可以分為四類：</p><p><b>　?。?）電源線：2根</b></

72、p><p>　　Vcc：編程，正常操作時的電壓電源，接+5v。</p><p><b>　　Vss：接地。</b></p><p><b>　　（2）晶振：2根</b></p><p>　　XTAL1：振蕩器反相放大器輸入，使用外部振蕩器時必須要接地。</p><p>　　XTA

73、L2：振蕩器反相放大器輸出及內部時鐘發(fā)生器的輸入，使用外部振蕩器時用于外部振蕩信號輸入。 </p><p>　?。?）I/O口共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O線，其功能如下：</p><p>　?、貾0口（39腳至32腳）：雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時與地址總線的低8位和數(shù)據(jù)總線復用，能夠以吸收電流的方式驅動8個LS型TTL負載； ②P1口（1腳至8腳）

74、：準雙向8位I/O口,專供用戶使用； ③P2口（21腳至28腳）：準雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，可以作為擴展電路高8位地址總線，送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，接收高8位地址。P2可以驅動4個LS型TTL負載； ④P3口（10腳至17腳）：準雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能是用雙功能口。P3能驅動4個LS型的TTL負載。 </p><p>

75、　　作為第一功能使用時，就是作為普通的I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。 作為第二功能使用時，各引腳的定義如下所示。P3口每一條引腳都可以獨立作為第一功能的輸入輸出或第二功能； P3各口線的第二功能定義 口線 引腳 第二功能： P3.0 10 RXD（串行輸入口）；P3.1 11 TXD（串行輸出口）； P3.2 12 INT0（外部中斷0）； P3.3 13 INT1（外部中斷1）； P3.4 14 T0（定時器0

76、外部輸入）； P3.5 15 T1（定時器1外部輸入）； P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖）； P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）。</p><p><b>　　（4）控制線</b></p><p>　?、賀ST/VPD（9腳）振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內部RAM

77、的數(shù)據(jù)不丟失。</p><p>　?、贏LE/PROG（30腳）：當訪問外部存貯器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍然以不變的頻率，周期性地發(fā)出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。</p><p>　　③PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令

78、（或常數(shù)）期間，每個周期兩次PSEN有效。</p><p>　　④EA/VPP（引腳）：對于常用的8031來說，無內部程序存儲器，所以EA腳必須常接地，這樣只能選擇外部程序存儲器。</p><p>　　外部程序儲存器根據(jù)總體要求，選用27128。</p><p>　　4.1.4 A/D轉換模塊設計</p><p>　　ADC0809轉換器的主

79、要特征如下：</p><p>　　(1) 分辨率：8位；</p><p>　　(2) 總的不可調誤差位：±1/2LSB或±1LSB；</p><p>　　(3) 轉換時間：100μS；</p><p>　　(4) 無零點和滿刻度調整；</p><p>　　(5) 單一+5V供電，模擬輸入電壓為0~+

80、5V，±10V，±5V；</p><p>　　(6) 8路通道轉換，帶鎖存控制邏輯；</p><p>　　(7) 功耗：15mW。</p><p>　　ADC內部邏輯結構如圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 0809內部邏輯結構圖</p><p>　　4.1.5人機交互模塊和顯示模塊的設

81、計</p><p>　　人機交互模塊由鍵盤構成。通過它向單片機發(fā)出命令，由單片機根據(jù)命令格式提供相應的功能實現(xiàn)對儀表的操作。</p><p>　　我們將8031主機通過擴展8155H配置了6位LED顯示器和4×4按鍵。</p><p><b>　　如圖4.3所示。</b></p><p>　　顯示選用陰極6位L

82、ED由8155H的PA.0～PA.5進行陰極位稱掃描口。</p><p>　　PB.0～PB.7控制各位顯示器的字型段選稱輸出口。采用動態(tài)掃描顯示方式。其中100×8電阻用于補償電流用于增強顯示器亮度。</p><p>　　4×4鍵盤的列線（4根）與8155H的PA.0～PA.3相連接作為信號掃描輸出行線（4根）與PC.0～PC.3相連作為鍵狀態(tài)掃描輸出入口。</

83、p><p>　　圖4.3 鍵盤/顯示接口圖</p><p>　　4.2系統(tǒng)電路軟件部分設計</p><p>　　系統(tǒng)的結構框圖如下4.4所示：</p><p>　　圖4.4系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　軟件流程圖如下4.5所示：</p><p>　　圖4.5 軟件流程圖</p>&

84、lt;p><b>　　5 結 論</b></p><p>　　該系統(tǒng)的主要結構是渦電流傳感器、表面經(jīng)過渡鋅處理的45鋼懸臂梁、懸臂梁一端固定在支撐架上，另一端與激振器的振動桿相連。由激振器的振動而帶動懸臂梁一起振動，而安裝在懸臂梁上的渦流傳感器則與金屬板間產生位移。引起渦電流傳感器輸出電流的變化。通過檢測電流變化量既可完成振動的測量。</p><p>　　

85、該系統(tǒng)主要研究了以下幾個方面；</p><p>　　(1) 渦電流傳感器的應用；</p><p>　　(2) 懸臂梁與懸臂梁支撐架的設計；</p><p>　　(3) 渦流傳感器與金屬板之間的原始間縫的調整；</p><p>　　(4) 金屬板支撐架的設計；</p><p>　　(5) 渦流傳感器輸出數(shù)據(jù)采集與處理；&