專利名稱：一種測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量盤類旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)的方法，屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)位移測(cè)量是振動(dòng)工程領(lǐng)域常見(jiàn)問(wèn)題之一，常用的測(cè)量方法是在轉(zhuǎn)子的水平和垂直方向分別安裝電渦流傳感器，分別測(cè)量轉(zhuǎn)子的水平和垂直方向振動(dòng)位移?？墒菍?duì)于圓盤類零件，當(dāng)圓盤與支承其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子同心時(shí)，仍可用上述方法測(cè)量其振動(dòng)?？蓪?shí)際中由于加工或安裝誤差，當(dāng)圓盤與支承其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間存在安裝偏心誤差，這樣在用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，信號(hào)中將既有圓盤振動(dòng)量，也有由于安裝偏心而產(chǎn)生的誤差信號(hào)。為了精確測(cè)量偏心圓盤振動(dòng)，則必須剔除由于偏心而引起圓盤與傳感器之間距離變化這一誤差信號(hào)。如何剔除這一誤差信號(hào)，目前技術(shù)人員還沒(méi)有找到較好的方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠從采集到的數(shù)據(jù)中剔除由于安裝偏心而產(chǎn)生的誤差信號(hào)、從而獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移的方法。
解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是一種測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移的方法，它通過(guò)在被測(cè)圓盤外圍的三個(gè)位置上分別設(shè)置位移傳感器，采集各傳感器信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，分別得到各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的因偏心引起的圓盤與傳感器間距離變化這一誤差信號(hào)和水平方向、垂直方向的振動(dòng)信號(hào)，從而獲得偏心圓盤振動(dòng)位移的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，其步驟是a.安裝傳感器在被測(cè)圓盤的外圍設(shè)置三個(gè)位移傳感器，安裝角度分別為0＝0°，1＝90°及2，其中，0、1、2三者之間互質(zhì)，并且0+1+2≠180°；b.設(shè)置整周期采樣方式，每周采樣點(diǎn)數(shù)為N，則每旋轉(zhuǎn)一周可采集得到3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)y0(n)，y1(n)，y2(n)n＝1，2，...，N；
c.計(jì)算采樣間隔Δθ＝2π/N，三個(gè)傳感器的安裝間隔pi＝i/Δθ，由傳感器的輸出信號(hào)計(jì)算得到3個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)h(n)和圓盤在x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)。
上述測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移的方法，計(jì)算上述誤差信號(hào)h(n)和圓盤在x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)，可采用如下算法a.三個(gè)傳感器的輸出用矩陣形式可以表示為y0(n)y1(n)y2(n)=100010001h(n+p0)h(n+p1)h(n+p2)+cos(p0Δθ)sin(p0Δθ)cos(p1Δθ)sin(p1Δθ)cos(p2Δθ)sin(p2Δθ)δx(n)δy(n)]]>式中Δθ-采樣間隔，Δθ＝2π/N；pi-三個(gè)傳感器的安裝間隔，pi＝i/Δθ，i＝0，1，2；yi(n)-第i個(gè)傳感器的輸出；h(n+pi)-第i個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)第n個(gè)采樣點(diǎn)的誤差信號(hào)；b.用非零權(quán)值向量c=c0c1c2=-1sin[(p0-p2)Δθ]sin[(p1-p2)Δθ]sin[(p1-p0)Δθ]sin[(p1-p2)Δθ]]]>左乘上述矩陣方程，有y(n)＝c0h(n+p0)+c1h(n+p1)+c2h(n+p2)y(k)＝h(k)[c0exp(j2πkp0/N)+c1exp(j2πkp1/N)+c2exp(j2πkp2/N)]設(shè)G(k)＝c0exp(j2πkp0/N)+c1exp(j2πkp1/N)+c2exp(j2πkp2/N)則h(k)＝y(tǒng)(k)/G(k)h(n)＝ifft(h(k))即可得到圓盤由于安裝偏心引起的振動(dòng)誤差h(n)；c.將h(n)帶回到(1)式中就可以得到3個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)h(n)和圓盤在x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)δx(n)=y0(n)-h(n+p0)δy(n)=(y2(n)-h(n+p2)-δx(n)cos(p2Δθ))/sin(p2Δθ)]]>本發(fā)明提供的方法消除了旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)位移測(cè)量中由于加工或安裝誤差所導(dǎo)致的圓盤與支承其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間存在的安裝偏心誤差對(duì)精確測(cè)量偏心圓盤振動(dòng)的影響，解決了長(zhǎng)期困擾旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)位移測(cè)量中的常見(jiàn)問(wèn)題，對(duì)提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)位移測(cè)量技術(shù)精度和準(zhǔn)確度具有顯著的效果。


圖1是本發(fā)明的原理示意圖；圖2a～圖2f是本發(fā)明的仿真分析的振動(dòng)信號(hào)圖；其中，圖2a為仿真設(shè)定的x向圓盤的振動(dòng)δx′，圖2b為仿真設(shè)定的y向圓盤的振動(dòng)δy′，圖2c為分離前的x向振動(dòng)y0(n)，圖2d為分離前的y向振動(dòng)y1(n)，圖2e為分離后的x向圓盤的振動(dòng)δx，圖2f為分離后的y向圓盤的振動(dòng)δy；圖3a～3d是本發(fā)明的仿真分析的誤差信號(hào)和軸心軌跡圖；其中，圖3a為仿真的由圓盤安裝偏心引起的誤差幅值h′，圖3b為未分離安裝偏心信號(hào)的圓盤軸心軌跡圖形(x、y方向振動(dòng)由誤差信號(hào)和設(shè)定振動(dòng)信號(hào)疊加而成)，圖3c為分離后的由安裝偏心引起的誤差幅值h，圖3d為分離后的圓盤軸心軌跡圖形；圖4a～4f是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)分析的振動(dòng)和軸心軌跡圖，其中，圖4a為未分離安裝偏心信號(hào)前(傳感器直接采集)x向振動(dòng)δx″，圖4b為未分離安裝偏心信號(hào)前(傳感器直接采集)y向振動(dòng)δy″，圖4c為未分離安裝偏心信號(hào)前(傳感器直接采集)的軸心軌跡，圖4d為分離安裝偏心信號(hào)后x向振動(dòng)δx，圖4e為分離安裝偏心信號(hào)后y向振動(dòng)δy，圖4f為分離安裝偏心信號(hào)后的軸心軌跡。
圖1中的標(biāo)號(hào)含義為0、傳感器；1、傳感器；2、傳感器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移時(shí)，在原有的水平和垂直方向傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)置一輔助測(cè)點(diǎn)，采集得到3個(gè)傳感器信號(hào)，然后通過(guò)一系列運(yùn)算可分別得到3個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的由于偏心引起的圓盤與傳感器之間距離變化這一誤差信號(hào)和水平與垂直方向的振動(dòng)信號(hào)，從而達(dá)到精確測(cè)量偏心圓盤振動(dòng)的目的。
如圖1所示o′點(diǎn)是圓盤的幾何中心，o為圓盤安裝偏心時(shí)實(shí)際的旋轉(zhuǎn)中心，圓盤的半徑為r，偏心距為e，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為ω，為o′o連線與x軸負(fù)向的夾角，則＝ωt。三個(gè)電渦流傳感器(對(duì)應(yīng)3個(gè)測(cè)點(diǎn))0、1、2安裝方向的交點(diǎn)為o′點(diǎn)，以o′為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系XO′Y，由安裝偏心引起的誤差信號(hào)為h(n)，n為采樣點(diǎn)序號(hào)，設(shè)N為每圈采樣點(diǎn)數(shù)，則n＝1，2，...，N。δx(n)和δy(n)分別是圓盤在x和y方向上的振動(dòng)，傳感器0、1與x軸夾角分別為0＝0°和1＝90°，傳感器2和x軸的夾角為2。
偏心圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)可以等價(jià)為具有質(zhì)量偏心的圓盤繞其中心的轉(zhuǎn)動(dòng)和由于安裝偏心而引起的在任一方向上距離的變化這兩種運(yùn)動(dòng)的合成，其相應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)也是由具有質(zhì)量偏心的圓盤繞其中心的振動(dòng)信號(hào)和由于安裝偏心而引起的誤差信號(hào)兩者疊加而成。
三個(gè)傳感器的輸出用矩陣形式可以表示為y0(n)y1(n)y2(n)=100010001h(n+p0)h(n+p1)h(n+p2)+cos(p0Δθ)sin(p0Δθ)cos(p1Δθ)sin(p1Δθ)cos(p2Δθ)sin(p2Δθ)δx(n)δy(n)---(1)]]>式中Δθ-采樣間隔，Δθ＝2π/N；pi-三個(gè)傳感器的安裝間隔，pi＝i/Δθ，i＝0，1，2；yi(n)-第i個(gè)傳感器的輸出；h(n+pi)-第i個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)第n個(gè)采樣點(diǎn)的誤差信號(hào)。
用非零權(quán)值向量c＝[c0c1c2]左乘矩陣方程(1)，有y(n)＝c0y0(n)+c1y1(n)+c2y2(n)＝c0h(n+p0)+c1h(n+p1)+c2h(n+p2)+[c0cos(p0Δθ)+c1cos(p1Δθ)+c2cos(p2Δθ)]δx(n)+[c0sin(p0Δθ)+c1sin(p1Δθ)+c2sin(p2Δθ)]δy(n) (2)要想得到誤差信號(hào)h(n)，需假定c0cos(p0Δθ)+c1cos(p1Δθ)+c2cos(p2Δθ)=0c0sin(p0Δθ)+c1sin(p1Δθ)+c2sin(p2Δθ)=0---(3)]]>由于式(3)有3個(gè)未知數(shù)，2個(gè)方程存在多解，可事先假設(shè)c0＝-1，從而得到權(quán)值系數(shù)的值如下c0=-1c1=sin[(p0-p2)Δθ]sin[(p1-p2)Δθ]c2=sin[(p1-p0)Δθ]sin[(p1-p2)Δθ]---(4)]]>
相乘后y(n)＝c0h(n+p0)+c1h(n+p1)+c2h(n+p2) (5)對(duì)此式進(jìn)行傅立葉變換，根據(jù)傅立葉變換的時(shí)移特性，有y(k)＝h(k)[c0exp(j2πkp0/N)+c1exp(j2πkp1/N)+c2exp(j2πkp2/N)] (6)式中G(k)＝c0exp(j2πkp0/N)+c1exp(j2πkp1/N)+c2exp(j2πkp2/N)h(k)_h(n)傅立葉變換后的函數(shù)。
在G(k)≠0的情況下有h(k)＝y(tǒng)(k)/G(k) (7)對(duì)h(k)進(jìn)行逆傅立葉變換得到h(n)＝ifft(h(k))(8)`即可得到圓盤由于安裝偏心引起的振動(dòng)誤差h(n)，將h(n)帶回到式(1)中就可以得到x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)δx(n)=y0(n)-h(n+p0)δy(n)=(y2(n)-h(n+p2)-δx(n)cos(p2Δθ))/sin(p2Δθ)---(9)]]>最終可以同時(shí)得到3個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)h(n)和圓盤在x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)。但是由于要保證G(k)≠0，根據(jù)G(k)的表達(dá)式，并經(jīng)過(guò)一系列的推導(dǎo)，可得當(dāng)0、1、2傳感器安裝角度1、2、3互質(zhì)，即1、2、3的最大公約數(shù)為1，并且1+2+3≠180°時(shí)，G(k)≠0。
本發(fā)明在實(shí)施中還進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析。
仿真分析內(nèi)容如下具有安裝偏心的圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)可以等價(jià)為具有質(zhì)量偏心的圓盤繞其中心的轉(zhuǎn)動(dòng)和只是由于安裝偏心而引起的在任一方向上距離的變化這兩種運(yùn)動(dòng)的合成，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，安裝偏心信號(hào)可以表示為h′(n)＝rcos(arcsin(esin/r))-ecos-(r-e)(10)具有質(zhì)量偏心的圓盤繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤在x和y方向上的振動(dòng)為
δx′=e(ω/ωn)2(1-(ω/ωn)2)2+(2ζω/ωn)2cos(ωt)δy′=e(ω/ωn)2(1-(ω/ωn)2)2+(2ζω/ωn)2sin(ωt)---(11)]]>式中ωn-圓盤臨界旋轉(zhuǎn)角頻率，ζ-阻尼系數(shù)。
夾角的初始值為0°，r＝1，e＝0.01，ω/ωn＝0.8，ζ＝0.25，ω＝2πrad/s，采樣點(diǎn)數(shù)N＝128，角度設(shè)置p0＝0，p1＝32，p2＝77，即0＝0°，1＝90°，2＝216.6°，傳感器0、1安裝于x和y方向，以方便把分離出后的x、y方向上的振動(dòng)和由公式(11)決定的x、y方向上的振動(dòng)相比較。在仿真時(shí)，由公式(11)給定的軸心軌跡圖形是圓形。圖2是本發(fā)明的仿真分析的振動(dòng)信號(hào)圖。
圖2a為仿真設(shè)定的x向圓盤的振動(dòng)δx′，圖2b為仿真設(shè)定的y向圓盤的振動(dòng)δy′，圖2c為分離前的x向振動(dòng)y0(n)，圖2d為分離前的y向振動(dòng)y1(n)，圖2e為分離后的x向圓盤的振動(dòng)δx，圖2f為分離后的y向圓盤的振動(dòng)δy。
在仿真時(shí)，由公式(11)給定的軸心軌跡圖形是圓形。為了方便比較，畫出了圓盤的軸心軌跡圖形和安裝偏心引起的誤差信號(hào)，圖3a～3d是本發(fā)明的仿真分析的誤差信號(hào)和軸心軌跡圖。
對(duì)比圖2a和圖2e、圖2b和圖2f可以看出分離出的x和y方向振動(dòng)和已知波形(由公式11決定)相同，幅值相差很小。同時(shí)，未分離誤差信號(hào)的x和y方向的振動(dòng)在幅值上和已知波形有一定的區(qū)別。再通過(guò)分析圖3b和圖3d可以看出，未分離安裝偏心信號(hào)的圓盤軸心軌跡圖形，雖然其圖形也是一個(gè)圓形，但圖形在坐標(biāo)系中有了位置的偏移，而分離以后的軸心軌跡圖形與設(shè)定的圖形類別和在坐標(biāo)系中的位置相吻合。
對(duì)比圖3a和圖3c從傳感器信號(hào)中分離出的安裝偏心信號(hào)h和已知h′相差很小，具有良好的分離精度。
實(shí)驗(yàn)分析如下圖4a～4f是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)分析的振動(dòng)和軸心軌跡圖。
實(shí)驗(yàn)是在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，3個(gè)傳感器安裝角度分別為0°(水平方向)、90°(垂直方向)和157°，傳感器靈敏度為8mv/μv，每旋轉(zhuǎn)一周采樣256點(diǎn)。圓盤上均勻分布有三個(gè)螺釘，通過(guò)調(diào)整三個(gè)螺釘?shù)乃删o程度來(lái)實(shí)現(xiàn)偏心圓盤的目的。
對(duì)比分離前后的x和y方向的振動(dòng)，由于初始測(cè)量時(shí)偏心位置的隨機(jī)性，使得分離出的x和y方向的振動(dòng)和分離前的x和y方向的振動(dòng)初始相位上有一定的差別。而且，分離以后的x和y方向的振動(dòng)相位相差90°，與實(shí)際相符合。從軸心軌跡圖形的類型上來(lái)看，二者屬于同一類型的軸心軌跡圖形，顯然，在剔除安裝偏心信號(hào)以后，圖形的形狀更加趨近于一個(gè)橢圓，更能代表圓盤的實(shí)際運(yùn)行情況。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移的方法，其特征在于它通過(guò)在被測(cè)圓盤外圍的三個(gè)位置上分別設(shè)置位移傳感器，采集各傳感器信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，分別得到各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的因偏心引起的圓盤與傳感器間距離變化這一誤差信號(hào)和水平方向、垂直方向的振動(dòng)信號(hào)，從而獲得偏心圓盤振動(dòng)位移的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，其步驟是a.安裝傳感器在被測(cè)圓盤的外圍設(shè)置三個(gè)位移傳感器，安裝角度分別為0＝0°，1＝90°及2，其中，0、1、2三者之間互質(zhì)且0+1+2≠180°；b.設(shè)置整周期采樣方式，每周采樣點(diǎn)數(shù)為N，則每旋轉(zhuǎn)一周可采集得到3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)y0(n)，y1(n)，y2(n) n＝1，2，...，N；c.計(jì)算采樣間隔Δθ＝2π/N，三個(gè)傳感器的安裝間隔pi＝i/Δθ，由傳感器的輸出信號(hào)計(jì)算得到3個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)h(n)和圓盤在x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移的方法，其特征在于，計(jì)算上述誤差信號(hào)h(n)和圓盤在x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)，可采用如下算法a.三個(gè)傳感器的輸出用矩陣形式可以表示為y0(n)y1(n)y2(n)=100010001h(n+p0)h(n+p1)h(n+p2)+cos(p0Δθ)sin(p0Δθ)cos(p1Δθ)sin(p1Δθ)cos(p2Δθ)sin(p2Δθ)δx(n)δy(n)]]>式中Δθ-采樣間隔，Δθ＝2π/N；pi-三個(gè)傳感器的安裝間隔，pi＝i/Δθ，i＝0，1，2；yi(n)-第i個(gè)傳感器的輸出；h(n+pi)-第i個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)第n個(gè)采樣點(diǎn)的誤差信號(hào)；b.用非零權(quán)值向量c＝[c0c1c2]左乘矩陣方程(1)，有y(n)＝c0h(n+p0)+c1h(n+p1)+c2h(n+p2)y(k)＝h(k)[c0exp(j2πkp0/N)+c1exp(j2πkp1/N)+c2exp(j2πkp2/N)]h(k)＝y(tǒng)(k)/G(k)h(n)＝ifft(h(k))即可得到圓盤由于安裝偏心引起的振動(dòng)誤差h(n)；c.將h(n)帶回到a式中就可以得到3個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)h(n)和圓盤在x和y方向上的振動(dòng)δx(n)和δy(n)。
全文摘要
一種測(cè)量偏心圓盤徑向振動(dòng)位移的方法，屬測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，用于提高測(cè)量準(zhǔn)確度。其技術(shù)方案是在被測(cè)圓盤外圍的三個(gè)位置上分別設(shè)置位移傳感器，采集各傳感器信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，分別得到各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的因偏心引起的圓盤與傳感器間距離變化這一誤差信號(hào)和水平方向、垂直方向的振動(dòng)信號(hào)，從而獲得偏心圓盤振動(dòng)位移的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。本發(fā)明消除了旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)位移測(cè)量中由于加工或安裝誤差所導(dǎo)致的圓盤與支承其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間存在的安裝偏心誤差對(duì)精確測(cè)量偏心圓盤振動(dòng)的影響，解決了長(zhǎng)期困擾旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)位移測(cè)量中的常見(jiàn)問(wèn)題，對(duì)提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)位移測(cè)量技術(shù)精度具有顯著的效果。
文檔編號(hào)G01B21/22GK101038159SQ200710061550
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月28日
發(fā)明者萬(wàn)書亭, 王廣慶, 唐貴基, 李永剛 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)