磁聚焦式转子振动传感器研究.pdf
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1、2024 年第 1 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:黑龙江省重点研发计划(JD22A014);国家自然科学基金资助项目(52175497)收稿日期:2023-05-06磁聚焦式转子振动传感器研究刘 杰,李志鹏,郭艳玲,朱世宁东北林业大学机电工程学院 摘要:为了实现转子的轴向振动测量,提出了一种磁聚焦式的转子振动传感器,介绍了传感器的结构和工作原理,结合磁聚焦技术和电磁感应定律推导了传感器的输出电压数学模型。利用 MATLAB 和COMSOL 软件对传感器进行了理论计算和建模仿真,结合设定的转速、频率等定量分析了线圈输出电信
2、号与转子振动和旋转参数之间的关系,并进行了旋转实验验证。仿真结果表明在 1 A 激励电流下传感器的激励装置可产生中心磁感应强度为 0.02 T 的聚焦磁场,且当转子振动时,线圈输出电信号与振幅、频率、转速间存在较强的线性关系。实验结果表明传感器输出电信号为类正弦电压,验证了本传感器测振的可行性。关键词:磁聚焦;振动传感器;转子轴向振动;圆环线圈;输出电压中图分类号:TP212 文献标识码:AResearch on Magnetic Focused Rotor Vibration SensorLIU Jie,LI Zhipeng,GUO Yanling,ZHU ShiningCollege of
3、 Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry UniversityAbstract:In order to achieve axial vibration measurement of the rotor,a magnetic focusing type rotor vibration sensor was proposed.The structure and working principle of the sensor were introduced,and the output voltage mathematical
4、 model of the sensor was derived by combining magnetic focusing technology and electromagnetic induction law.Theoretical calculations and modeling simulations were conducted on the sensor using MATLAB and COMSOL software,and the relationship between the coil output electrical signal and rotor vibrat
5、ion and rotation parameters was quantitatively analyzed based on the set speed,frequency and so on.Rotation experiments were conducted to verify the results.The simulation results show that the excitation device of the sensor can generate a focused magnetic field with a central magnetic induction in
6、tensity of 0.02 T under 1 A excitation current,and there is a strong linear relationship between the coil output electrical signal and amplitude,frequency,and speed when the ro-tor vibrates.The experimental results indicate that the output electrical signal of the sensor is a sinusoidal voltage,whic
7、h verifies the feasibility of the vibration measurement of this sensor.Keywords:magnetic focusing;vibration sensor;rotor axial vibration;ring coil;output voltage0 引言转子振动传感器按被测信号的转换方式可分为机械式、光电式和电磁式等1。典型的机械式传感器为电阻应变片式传感器2,通过测量应变片上电阻值的变化量来实现振动的测量。电阻应变片灵敏度高、结构简单,但其不适合在恶劣条件下工作,且使用寿命有限。近些年研究较多的为光电式和电磁式传感器
8、,光电式传感器包括激光多普勒测振仪3-6、CCD 激光位移计7-8等。光电类传感器测量精度较高,但激光的发射装置比较复杂,成本高,限制了其使用范围。电磁式传感器包括电涡流传感器9-11、加速度计12-14、速度传感器15-16等。电磁式传感器的分辨率和灵敏度较高、测量范围较宽,但其受外界干扰影响较大,易产生漏磁。目前电磁式传感器应用较广泛,也便于对振动信号进行远距离测量与控制。为此,本文提出一种基于磁聚焦原理的电磁式转子轴向振动传感器,定量分析传感器输出电压与振动参数间的关系,满足测量需求。1 传感器结构及工作原理如图1 所示,传感器整体分为定子和转子两部分。定子部分为 C 型磁聚焦激励装置,
9、转子部分为圆环接收线圈装置,C 型磁聚焦激励装置由磁芯和两层屏蔽罩组成。其中磁芯为铁材料制成,屏蔽罩为铝材料制1 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期成。接收线圈是印制在多层柔性电路板上(FPC),将其层层叠加,并固定在被测轴上,保证测量灵敏度和精度,外接处理电路安装在专用的采样电子装置中。图 1 传感器结构示意图传感器通过检测线圈的感应电压得到线圈与原始位置间的位移,即实现轴向振动位移的测量,可实现静态和动态测量。工作原理如图 2 所示,对 C 型磁聚焦激励装置通直流电使其产生聚焦磁场。在没有振动和旋转激励时,接收线圈 A 位于聚焦磁场正中心位置,此时线圈与聚焦磁场无相对运动,没有电压产
10、生;当外部给予旋转或振动激励时,线圈随转子一同运动,接收线圈切割聚焦磁力线会产生感应电压17,利用采样电子系统装置获取接收线圈产生的电压信号,通过对感应电压的分析,便可判断振动情况。图 2 工作原理图2 传感器系统理论计算2.1 聚焦磁场计算基于磁路欧姆定律可求得激励装置产生的聚焦磁场在接收平面上的分布公式为B=abR+2ac2(bR+c)2(1)式中:a=NI0;b=arctan(r-1)r-1tan-1rtan;c=1r+h;N 为励磁线圈匝数;I 为线圈电流;r为磁芯的相对磁导率;0为真空磁导率;为锥形磁芯的半角;h 为锥顶到接收平面之间的高度;R 为接收平面上距锥头中心的距离。通过式(
11、1)计算本传感器使用的 C 型磁聚焦激励装置所产生的磁场磁感应强度在 10 mm10 mm 范围内分布情况如图 3 所示。图 3 磁感应强度分布2.2 接收线圈的研究及数学模型将绕轴布置的接收线圈展开成平面结构如图4 所示,对圆环接收线圈建立直角坐标系,定义 x 方向为转子轴向振动方向,y 方向为转子旋转方向,X 为 A 线圈的位移。为了更好地通过感应电压幅值变化计算线圈位置与原始位置的相对位移,定义初始状态为磁场中心与圆环线圈 A 中线相重合,即 A 线圈在 x 轴上的坐标范围为(-r,r)。图 4 线圈随位移 X 变化情况示意图2.2.1 转子仅发生轴向振动设轴向振动频率为 f,振幅为 A
12、,则根据法拉第电磁感应定律,转子在发生轴向振动时圆环线圈输出电压为U=-Nddt=d(r+Asin(2ft)-r+Asin(2ft)dxr2-(x-Asin(2ft)2-r2-(x-Asin(2ft)2B(x,y)dy)dt(2)式中 为磁通量。利用 MATLAB 对圆环线圈进行振动特性研究,通过设置振幅、频率等参数,驱动转子振动。首先,设置转子沿 x 轴作正弦运动,振幅为 2 mm,振动频率分别为100、200、300 Hz,采样频率为振动频率的200 倍,通过式(2)计算得到 3 组不同振动频率下圆环线圈接收的电信号波形如图 5 所示。观察线圈输出电信号频率与振动频率间的关系,一个完整的振
13、动周期是电压波形周期的 2 倍,即振动频率是输出电信号频率的 1/2,1 个测量周期内,电压曲线有 5 个零点区域,采用零点标识,即规定 2 次信号2 第 1 期刘杰等:磁聚焦式转子振动传感器研究 图 5 同一振幅下 3 组不同频率的输出电压电压值为 0 时的时间间隔为 T1,则振动频率为f=14T1(3)振幅是振动测量的另一重要参数,设轴向激励振动频率为 100 Hz,保持振动频率不变,如图 6 所示为分别添加 1、2、3、4、5 mm 激励振幅下的线圈输出电压,根据电压波形可知,相同频率下线圈产生的电压幅值随振幅成正比变化。以电压作为参考量,振幅测量的灵敏度约为 0.024 mV/mm。图
14、 6 5 组不同振幅下的输出电压2.2.2 转子旋转无振动情况对于圆环线圈沿着转子表面黏贴时,X 则表示环形位移。记录同一圆环线圈通过转子转动两次经过聚焦磁场产生相同电信号的时间间隔为 t1,则线圈随转子沿 y 轴旋转时根据法拉第电磁感应定律其电压变化情况为:U=d(r+2n1Rt-r+2n1Rtdyr2-(y-2n1Rt)2-r2-(y-2n1Rt)2B(x,y)dx)dt(4)式中:n1为转子转速,n1=1t1;R 为转子半径。通过式(4)计算转子转速为 60、300、600、1500 r/min时的圆环接收线圈的电压如图 7 所示,据观察接收线圈的感应电压幅值与转子转速成正比。2.2.3
15、 转子旋转且发生轴向振动情况转子在旋转时发生轴向振动会有两个方向的位移,一个为轴向位移,另一个为环形位移。利用极坐标求解转子在旋转时发生轴向振动的磁通量为(a)60 r/min 电压(b)300 r/min 电压(c)600 r/min 电压(d)1 500 r/min 电压图 7 不同转速下圆环接收线圈输出电压(t)=20dr0B(cos +vt,sin +Asin(2ft)d(5)式中:为极坐标角度;(,)为以极坐标形式描述的平面上的一个点坐标;v 为转子转速。则根据法拉第电磁感应定律接收线圈感应电压为:U=-Nddt=d(20dr0B(cos +vt,sin +Asin(2ft)d)dt
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