压电传感器在动平衡测量系统中的设计与应用

　　0　引言

　　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1mm、频率1Hz的低频信号,其加速度值仅为0.04m/s²;而对振动位移0.1mm、频率10 kHz的高频信号,其加速度值则可达4×105m/s2 [1]。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3.67Hz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 16mm,厚度1mm)的PZT(锆钛酸铅)圆片形压电陶瓷并联组成。

　　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。参考压电石英参数的确定原则[2]:

　　式中:F1为传感器所能承受的极限载荷,主要包括传感器的预载(最大被测载荷的1/8)及传感器承载面上所能承受的最大过载载荷(过载系数取1.5);σp为压电陶瓷片的抗压强度极限。