薄片銅環(huán)與軸融合的全封閉旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測試方法研究

李 帆,陳昌鑫,馬鐵華,靳書云

(1.中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西太原 030051；3.華北計算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速是機(jī)械傳動系統(tǒng)中反映系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，也是衡量旋轉(zhuǎn)機(jī)械動力輸出的重要指標(biāo)。按轉(zhuǎn)速測量方法，通常可分為計數(shù)式、模擬式和同步式。魏曉飛等[1]針對當(dāng)前旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速參數(shù)測量時存在引線纏繞，以及敏感器件在高溫條件下可靠性問題，設(shè)計了一種基于電磁互感耦合的可用于惡劣條件下的無線無源轉(zhuǎn)速測量方法；劉麗霞[2]針對轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)傳輸與電源供電困難、實(shí)時性差的問題，設(shè)計了一種光電式齒輪盤轉(zhuǎn)速測試方法。雖然具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但電磁互感無線無源的轉(zhuǎn)速測試方法易受電磁環(huán)境干擾，光電式齒輪盤轉(zhuǎn)速測試方法易受油污、灰塵干擾，依然無法滿足特殊環(huán)境下旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測試需求，惡劣的動態(tài)測試環(huán)境參量對測試系統(tǒng)的作用和影響至關(guān)重要[3]。

本文針對旋轉(zhuǎn)軸所處環(huán)境的特殊性，供電困難、信號傳輸易受干擾以及狹小緊湊空間下常規(guī)傳感器不易安裝的問題，研究了一種薄片銅環(huán)與軸融合的全封閉旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測試方法。

1 轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)設(shè)計

薄片銅環(huán)與軸融合[4]的全封閉旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)主要由底座、軸承、聯(lián)軸器、軸、全封閉金屬殼體、套筒、電路模塊以及交叉式容柵傳感器組成，通過聯(lián)軸器與被測旋轉(zhuǎn)軸固定連接。薄片銅環(huán)與軸融合的全封閉旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

(a)測試系統(tǒng)三維示意圖

其中電路模塊安裝于套筒與全封閉金屬殼體之間的環(huán)形空間內(nèi)，位于套筒圓周外側(cè)，全封閉金屬殼體內(nèi)側(cè)。電路模塊由模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊構(gòu)成，模擬電路模塊采用電容耦合測試技術(shù)[5]，由差動脈寬調(diào)制模塊、差分運(yùn)放模塊、低通濾波模塊組成；數(shù)字電路模塊采用存儲測試方法[6]，通過控制MCU(微控制器)將采集到的模擬信號數(shù)字化存儲，實(shí)現(xiàn)被測數(shù)據(jù)的本地采集與存儲。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用計算機(jī)讀數(shù)軟件將存儲在Flash里面的被測數(shù)據(jù)讀取，進(jìn)行分析處理[3]。轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 交叉式容柵傳感器設(shè)計及測試原理分析

交叉式容柵傳感器是由柔性線路板腐蝕而成的一種柵狀電極，由柵條均勻分布的靜柵和動?xùn)牌叫邢鄬?gòu)成[7]。把刻蝕的動?xùn)艠O板貼在軸的圓周外側(cè)，靜柵極板貼在套筒的圓周內(nèi)側(cè)，安裝之前要在軸的圓周外側(cè)和套筒的圓周內(nèi)側(cè)貼一層絕緣襯底，將動?xùn)艠O板與靜柵極板貼在絕緣襯底上。4對靜柵與4對動?xùn)艝艠O相互對應(yīng)形成了雙通道的交叉式容柵傳感器。交叉式容柵傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 交叉式容柵測試單元實(shí)物圖

如圖2所示的差動脈寬電路模塊輸出占空比呈周期性變化的方波信號后，經(jīng)過低通濾波器輸出對應(yīng)呈周期性變化的直流分量。設(shè)容柵柵極對數(shù)為N(N為偶數(shù)且N≥2)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為n，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動周期為T。由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中容柵電容值變化規(guī)律與旋轉(zhuǎn)軸自身轉(zhuǎn)動周期的關(guān)系可知，電容會以2T/N的周期做差動變化，形成周期為2T/N的波形輸出，所以輸出信號波形的頻率f剛好是旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動頻率的N/2倍。即可得到此時旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為

(1)

式中：n為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，r/min；f為輸出信號的頻率，Hz；N為容柵柵極對數(shù)。

3 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計與屏蔽效能分析

3.1 屏蔽效能分析

屏蔽體的屏蔽性能用屏蔽效能度量，屏蔽效能是指在加屏蔽體前某一測點(diǎn)的場強(qiáng)H0與同一測點(diǎn)加屏蔽體后的場強(qiáng)Hs之比，屏蔽體的屏蔽效能S的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[8]

(2)

式中：S為屏蔽體的屏蔽效能，dB；H0為加屏蔽體前的某一測點(diǎn)場強(qiáng)，A/m；Hs為加屏蔽體之后的同一測點(diǎn)場強(qiáng)，A/m。

3.2 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

在模擬實(shí)驗(yàn)臺測試實(shí)驗(yàn)過程中，由于電機(jī)的噪聲、外部電磁場干擾等原因，導(dǎo)致在測試過程中需要考慮電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲以及裝置嵌入被測部件時復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁屏蔽效能。

為了使系統(tǒng)的電磁環(huán)境獨(dú)立，該測試系統(tǒng)設(shè)計全封閉金屬殼體包裹傳感與測試單元，并使用Ansoft Maxwell有限元分析軟件對全封閉金屬殼體的屏蔽效能進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)式(2)求得其屏蔽效能。用Solidworks繪制模擬實(shí)驗(yàn)臺三維模型，導(dǎo)入Ansoft Maxwell的模型如圖4所示。

圖4 Ansoft Maxwell模擬實(shí)驗(yàn)臺仿真模型示意圖

在外界電磁場干擾下，分別設(shè)置全封閉金屬殼體材料為45#鋼和坡莫合金時，仿真結(jié)果如圖5所示。

(a)45#鋼仿真結(jié)果

根據(jù)式(2)計算，得到45#鋼材質(zhì)的全封閉金屬殼體的屏蔽效能S1=41 dB，坡莫合金材質(zhì)的全封閉金屬屏蔽殼體的屏蔽效能為S2=78 dB。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，屏蔽效能達(dá)到60 dB，方可認(rèn)為是有效屏蔽[9]。故在模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用中采用坡莫合金材質(zhì)的全封閉金屬殼體，以增強(qiáng)裝置的抗電磁干擾性能。

4 模擬實(shí)驗(yàn)臺測試實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)前，首先需要搭建模擬實(shí)驗(yàn)臺，模擬實(shí)驗(yàn)臺由伺服電機(jī)、驅(qū)動器、電機(jī)調(diào)速控制器、30 V穩(wěn)壓電源、220 V交流電源、聯(lián)軸器、實(shí)驗(yàn)臺底座、轉(zhuǎn)速可測試部件等組成，模擬實(shí)驗(yàn)臺組成框圖如圖6所示。

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)臺組成框圖

用圖6所示模擬實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)時，通過伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)、交流驅(qū)動器以及電機(jī)調(diào)速控制器構(gòu)成，控制電機(jī)運(yùn)行，為旋轉(zhuǎn)軸提供動力。

調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速從50 r/min到100 r/min再到150 r/min所測信號的波形曲線及其濾波后的信號波形如圖7所示。從圖7可以看出，隨著旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增加，對應(yīng)信號波形的頻率也在增大。

(a)50-100-150 r/min轉(zhuǎn)速下信號輸出波形

通過調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)速控制器控制旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄測試數(shù)據(jù)，把測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，并對其對進(jìn)行濾波和頻譜分析，得出對應(yīng)信號波形的頻率。通過式(1)得到對應(yīng)實(shí)測轉(zhuǎn)速值，與驅(qū)動器上的轉(zhuǎn)速真值進(jìn)行對比，記錄不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的測試值與相對誤差值[10]，實(shí)測轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)測轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

本文針對旋轉(zhuǎn)軸在狹小緊湊空間、供電困難、電磁環(huán)境復(fù)雜的惡劣測試環(huán)境下，常規(guī)傳感器無法滿足測試需求，提出了薄片銅環(huán)與軸融合的全封閉旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測試方法，并搭建模擬實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，對采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明：

(1)通過對實(shí)際測試環(huán)境需求分析，提出了薄片銅環(huán)與軸融合的全封閉旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測試方法，并搭建模擬實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行轉(zhuǎn)速測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性；

(2)采用微型化敏感單元與軸融合，軸上敏感單元不需要供電，信號從非旋轉(zhuǎn)件輸出；解決了某些旋轉(zhuǎn)件的空間緊湊，油污、粉塵等惡劣環(huán)境“測試難、測不準(zhǔn)”的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了狹小緊湊空間的非接觸式測量；

(3)全封閉金屬屏蔽殼體、電路模塊本地存儲數(shù)據(jù)的設(shè)計提高了系統(tǒng)的抗電磁干擾性能，解決了電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下信號傳輸?shù)膯栴}。