一种测量细长轴转子内阻尼的方法与流程

本发明涉及一种测量转子内阻尼的的方法，尤其涉及一种精确测量细长轴转子内阻尼的方法。

背景技术：

磁悬浮电机技术的日趋成熟，其应用也越来越广泛，比如在航空航天领域的磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺，在工业生产中的高能量密度电机，在清洁能源领域的磁悬浮空气压缩机、分子泵等。磁悬浮电机能够广泛应用主要是因为其具有高转速、无接触、无摩擦、使用寿命长等优点，关键技术是采用了细长轴控制支承转子高速稳定运转。因而细长轴转子在整个系统中尤为重要，精确测量转子的各项参数是很重要的，对于整个系统的稳定性、安全性和经济性都产生重大影响。

目前，测量转子内阻尼，主要有半功率带宽法、修正半功率带宽法以及模态拟合法。由于半功率带宽法和修正半功率带宽法在频域内进行，必须进行FFT变换，能量泄漏无法避免，导致影响测量转子内阻尼的精度。同时模态拟合法需要良好的工作条件，比如激励条件充分、很好的信噪比、足够的频率分辨力，并且，模态拟合法实施困难，对设备有很高的要求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，利用振动加速度传感器，再通过示波器的分析处理，提高了测量细长轴转子内阻尼的精度和效率，并且降低了方法实施的难度。

本发明的技术解决方案是：一种测量细长轴转子内阻尼的方法，包括以下步骤：

(a)锤击静态水平放置的细长轴转子，贴装在转子表面的振动加速度传感器检测到振动信号，采集振动加速度传感器输出信号X_OUT和Y_OUT，采集的信号分别经过低通滤波电路后以差动形式接入放大电路，输出电压U_OUT。X_OUT和Y_OUT为振动传感器采集的原始信号，U_OUT为输出的电压信号，直接连入示波器中。

(b)示波器将电压信号U_OUT进行处理，处理成以周期为T_d的余弦信号，可以测出余弦信号的峰值，并且模态频率ω_n可直接由示波器读出，因为示波器处理之后的信号单位为dBV，即将电压信号转化为分贝信号，因而，读出示波器第i个周期最大模态振幅U_{dB_i}和对应时间T_i以及第i+1个周期最大模态振幅U_{dB_i+1}和对应时间T_i+1，确定第i个周期最大模态振幅U_{dB_i}与第i+1个周期最大模态振幅U_{dB_i+1}之差的绝对值为ΔU_dB，并且如下式所示：

ΔU_dB＝|U_{dB_i}-U_{dB_i+1}|

其中i＝1，2，3，……，N，N为示波器采样点数，第i个周期最大原始模态振幅U_i，即未进过示波器处理的第i个周期的最大电压峰值，可用下式表示：

20lgU_i＝U_{dB_i}

其中第i+1个周期最大原始模态振幅U_i+1，即未进过示波器处理的第i+1个周期的最大电压峰值，可用下式表示：

20lgU_i+1＝U_{dB_i+1}

其中：T_d为两个峰值之间的时间差，即余弦信号周期，可用下式表示：

T_d＝T_i+1-T_i

(c)测出的ΔU_dB＝|U_{dB_i}-U_{dB_i+1}|经过以下算法公式，可直接求出内阻尼公式如下：

转子脉冲响应如下：

其中：A为脉冲响应幅值；ζ为转子内阻尼；ω_n为模态频率；t_i为时间；θ是脉冲响应的相位角。

第i个周期最大原始模态振幅U_i，如下式所示：

第i+1个周期最大原始模态振幅U_i+1，如下式所示：

将U_i和U_i+1相比可得：

两边取对数可得：

化简上式可得：

即：

所述步骤(a)中的X_OUT和Y_OUT为原始电压值，通过滤波电路后可以实现对信号的去齿距和噪声削弱，通过滤波减少噪声底密度，提高测量精度，本发明所采用振动加速度传感器型号为ADXL203，其输出信号带宽的典型值为2.5kHz，对信号进行滤波，可以有效防止频率混叠。ADXL203可根据实际需要来改变滤波电容C₂来设置输出信号带宽，信号带宽越小，噪声越小，因而精度越高。

所述步骤(b)中的U_OUT为调理电路输出值，示波器对U_OUT进行合成处理，可得到以周期为T_d的可直接测量的最大原始模态振幅U_i，并且在原有值的基础上，为了方便后续的测量计算，将原始电压值U_i转化为易于测量的以分贝为单位的值U_{dB_i}。

本发明的原理是：振动加速度传感器ADXL203输出为连续信号，可以全范围反应细长轴转子的振幅特性，输出的两轴信号分别经过滤波电路实现去齿距和噪声削弱，这样减少噪声底密度，提高测量精度，并且两组信号以差分方式接入放大电路，使信号放大至利于示波器处理分析范围，示波器将信号U_OUT进行处理，形成以分贝为单位的余弦信号，通过示波器直接测量得出相邻峰值之差绝对值ΔU_dB和周期T_d，测出的ΔU_dB和T_d可直接带入算法公式中，最后得出细长轴转子内阻尼ζ。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了的测量细长轴转子内阻尼的方法，操作简单，易于实现，可适用于大多数场合，调理电路可灵活调节输出范围，提高了振动加速度传感器信号调理的精度和效率。

(2)本发明所采用的方法只需要借助示波器就可精确测量转子内阻尼，无需大量工作，工作量小。

附图说明

图1为本发明系统流程图；

图2为细长轴转子与振动加速度传感器位置关系示意图；

图3为系统组织连接图；

图4为T₁时刻下示波器工作图；

图5为T₂时刻下示波器工作图；

图6为振动加速度传感器调理电路图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6所示，本发明的具体方法如下：

(a)如图2、图3、图6所示，图2为振动加速度传感器贴装于转子表面示意图，图3为系统组织连接图，即传感器、调理电路及示波器之间的连接图，图6为振动加速度传感器调理电路图，包括滤波电路和差动放大电路两部分。锤击静态水平放置的细长轴转子，贴装在转子表面的振动加速度传感器检测到振动信号，振动加速度传感器输出信号X_OUT和Y_OUT分别接入低通滤波电路，所采用振动加速度传感器型号为ADXL203，其输出信号带宽的典型值为2.5kHz，对信号进行滤波，可以有效防止频率混叠。ADXL203可根据实际需要来改变滤波电容C₂来设置输出信号带宽，滤波电容和信号带宽的关系如下式所示：

其中F表示带宽值，R_FILT表示ADXL203的内部标称电阻，C₂代表C₂电容值。

为了使ADXL203输出信号带宽为1kHz，已知ADXL203的内部标称电阻R_FILT为16KΩ，我们将电容C₂的大小确定在0.01μF。ADXL203的典型输出值为0.15V，因而要分别给两个信号接入放大电路使信号保真，放大比例为4。X_OUT和Y_OUT经过滤波放大电路后，再以差动形式接入比例为5的放大电路，差动形式能提高整个系统的精度，最后通过合理设置参数，可将输出信号U_OUT调到0～3V范围内，以方便示波器读取和分析处理。

(b)如图4、图5所示，图为示波器将图6中电压信号U_OUT进行处理，处理成余弦信号，可以测出余弦信号的峰值，并且模态频率ω_n可直接由示波器读出，因为示波器处理之后的信号单位为dBV，即将电压信号转化为分贝信号。因而，读出示波器第i个周期最大模态振幅U_{dB_i}和对应时间T_i以及第i+1个周期最大模态振幅U_{dB_i+1}和对应时间T_i+1。如图4和图5所示，我们取第1个和第2个周期，读出示波器第1个周期最大模态振幅U_{dB_1}和对应时间T₁以及第2个周期最大模态振幅U_{dB_2}和对应时间T₂，确定第1个周期最大模态振幅U_{dB_1}与第2个周期最大模态振幅U_{dB_2}之差的绝对值为ΔU_dB，并且如下式所示：

ΔU_dB＝|U_{dB_1}-U_{dB_2}|

其中第1个周期最大原始模态振幅U₁，即未进过示波器处理的第1个周期的最大电压峰值，可用下式表示：

20lgU₁＝U_{dB_1}

其中第2个周期最大原始模态振幅U₂，即未进过示波器处理的第2个周期的最大电压峰值，可用下式表示：

20lgU₂＝U_{dB_2}

其中T_d为两个峰值之间的时间差，即余弦信号周期，可用下式表示：

T_d＝T₂-T₁

因而由图4和图5可知U_{dB_1}、U_{dB_2}、T₁、T₂以及ω_n分别为13.8dB V、25.1dB V、10ms、110ms和818Hz。

(c)测出的ΔU_dB＝|U_{dB_1}-U_{dB_2}|经过以下算法公式，可直接求出内阻尼公式如下：

第1个周期最大原始模态振幅U₁，如下式所示：

其中A为脉冲响应幅值；ζ为转子内阻尼；ω_n为模态频率。

第2个周期最大原始模态振幅U₂，如下式所示：

其中A为脉冲响应幅值；ζ为转子内阻尼；ω_n为模态频率。

将U₁和U₂相比可得：

两边取对数可得：

化简上式可得：

即：

将U_{dB_1}＝13.8dBV、U_{dB_2}＝25.1dBV、T₁＝10ms、T₂＝110ms以及ω_n＝818Hz分别带入上式，得到ζ＝0.016062417。

本发明可以作为一种通用的测量细长轴转子内阻尼方法，调理电路可较精确的实现比例调节输出信号，操作简单，容易实现，提高了振动加速度传感器信号调理的精度和效率，算法高效便捷，提高了计算的效率。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。