基于磁悬浮技术惯性式振动测量方法研究

    引 言

    惯性式振动测量方法是将测振仪器固定在被测振动物体上,传感器外壳随被测物体振动。传统惯性式振动测量由弹性支撑的惯性质量块与外壳产生相对运动,通过压电传感器或磁电传感器等将振动信号转换为电信号,如压电式、电动式、电涡流式、电感式等[1~4]。该类测量方法惯性质量块均需弹性支撑[5]。本文基于磁悬浮效应实现振动测量中,惯性质量块是一由控制电路实现的悬浮球,悬浮球不与任何物体相接触[6]、没有机械摩擦、无机械间隙误差,反作用力是由电磁铁产生的磁力提供,阻尼由控制电路提供。查有关资料,目前尚未有采用磁悬浮技术实现振动测量的先例。该方法由于惯性质量块悬浮于空中而不与其他物体接触,具有灵敏度高、测振频率范围宽、阻尼通过电子电路提供的独特优越性,对被测振动体振动状态分析、振动等级评定、振源测试、设备振动在线监测、振动故障诊断和故障预测均具有广阔的应用前景。

    1 磁悬浮惯性式振动测试系统构成

    磁悬浮惯性式振动测试系统模型,见图1。

    磁悬浮惯性式振动测试系统模型由电磁铁、磁悬浮球、红外发射管、光电管和壳体构成。红外发射管和光电管构成磁悬浮球位移传感器。电磁铁电流受控制电路控制,磁悬浮球受到电磁铁的吸力与磁悬浮球所受重力方向相反实现悬浮。振动测试时壳体紧密固定在被测体上。为降低系统固有频率及提高磁悬浮球平衡的稳定性,设计半径为r1=0.065 m,质量m=0.198 kg的磁悬浮球作为质量块,磁悬浮球表面粘贴半径为r2=0.02 m的圆形永磁片,N极向上,目的是为了加大磁悬浮球的振动范围以及减小平衡点处的控制电流。根据磁悬浮球平衡所需电磁力,设计线径为r3=0.001 m的铜导线,绕制匝数N1=1.341匝构成电磁铁线圈,其等效电感为L=0.428 H,等效电阻为R=5.2Ω,电磁铁的有效面积为S=0.001 26 m2。电磁铁线圈供电电源采用双极性直流稳压电源,输出电压E=±15 V,输出最大电流I=1.5 A。设计红外发射管和光电管水平位置为距电磁铁底部距离y0=0.027 m,平衡时电磁铁电流i0≈0.36 A。系统结构框图见图2。

    图2所示磁悬浮惯性式振动测试系统结构框图中,位移红外光电传感器将磁悬浮球位移信号转换为压信号,环境红外光电传感器将环境红外光信号转换为电压信号,输送给差动放大器,两者相减实现消除环境红外光变化对振动测试的影响,控制器输出电压经过驱动电路输出控制电流给电磁铁,电磁铁产生的电磁力使磁悬浮球克服重力而悬浮于空中。