基于电磁感应的扭转振动测量方法

　　0　引言

　　在回转机械中,轴的扭转振动是一种振动形式,它是由于作用在轴上的扭矩随时间变化而产生的旋转振动。对于大型回转机械,这种振动的破坏性很强,极易引起机械结构疲劳破坏,尤其是当振动频率接近机械结构的固有频率时,破坏性将会更严重。因此对扭转振动进行测量具有重大意义[1,2]。

　　测量扭振的方法可分为接触法和非接触法两类。接触法主要是将传感器安装在轴上,测量信号可以通过集流环或有线、无线电发讯等方式传输到仪器上。非接触测量主要有测齿法、激光法等,这些方法无须在轴上安装传感器,利用非接触方式感测轴的扭振[3-6]。

　　各种测量方法都有其应用局限性。接触法的缺点是需要在转子上安装专用传感器,由于转子常工作在高温下,加上结构特性复杂,对这些专用传感器的安装保护不易实现。

　　非接触测量法中,“测齿法”要求转子上有比较严格的等分机构,而且其准确程度直接受到所建立的测量基准的影响,其信号的提取和分析工作也较复杂。基于激光多普勒效应的扭振测量方法是利用激光束照射转子表面时产生多普勒频移效应来测量扭振[7-9]。该方法测量过程易受被测物表面状况的影响,而且受其他杂散光的影响较大,测量设备复杂昂贵。

　　本文研究基于电磁感应的扭转振动测量及相应的信号提取方法,基本思路是使线圈与永磁体做相对运动,根据线圈切割磁感应线的速度与感应电动势正相关的原理,由线圈两端的电压变化量计算各点的瞬时速度变化量,再由瞬时速度变化量积分求出扭振信息。与其他方法相比,该方法有以下优点:a)对硬件性能要求不高;b)利用信号的幅值提取扭振,算法较简单;c)能较好地消除轴向振动和部分横振的影响。

　　1　测量原理

　　电磁感应现象即闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,如果不是闭合回路,则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生电势差———感应电动势。

　　当导体L在磁场中运动时,导体内的自由电子受到的洛仑兹力为:

　　其中,-e为电子所带电量; f为洛仑兹力; V是线元d L处导体的速度; B是线元d L处的磁场强度。

　　由(1)式可得作用在单位正电荷上的洛仑兹力为

　　于是得动生电动势:

　　不论导体是否闭合,只要作切割磁感应线的运动,导体中都会产生动生电动势[10]。

　　可以看出,若在每一时刻, B和d L是定值,且 V与 B垂直的话,则感应电动势的大小与线圈在磁场中的相对运动速度成正比。由此可以设计感应电路,使随轴转动的磁体不断通过固定的线圈,当轴平稳旋转时,感应电动势是稳定且规则的波形;当有扭振发生时,速度的变化就会以与之成正比的量在电动势上体现出来,而速度的变化表征了扭振信息,通过一定的算法,即可得出扭振。