具有高精度的懸浮軸振動測量傳感器的設計

懸浮軸轉動時稍微受到干擾就會產生微小的不穩定的振動，這種振動將影響懸浮軸的正常運動狀態，因此，對懸浮軸的振動位移進行無干擾測試極其困難，如果再要求測振傳感器靈敏度高、穩定性好、抗干擾能力強，實施起來則更加困難。目前，在非接觸測振傳感器的研究方面，主要有電渦流測振傳感器和激光傳感器。但是，電渦流測振傳感器容易受到附近的電磁干擾和溫度的影響，激光傳感器成本高，穩定性差?？紤]到電容傳感器結構簡單、靈敏度高、動態特性好，完全可以滿足使用環境，以此為基礎，本文設計了具有高精度的懸浮軸振動測量傳感器，并在測量過程中實現了振動信號處理的數字化。

1總體設計原理

懸浮軸振動測量傳感器的設計包括電容傳感器的設計、振蕩電路的選取、光電編碼器的采樣、差頻計數的實現、單片機智能控制幾大部分。其基本原理是：首先，利用導電介質電容傳感器將振動位移的變化轉換為電容量的變化，由于電容傳感器為振蕩電路中的電容元件，因而，電容量的變化會引起振蕩器輸出頻率的變化。同時，選擇另一只電容傳感器作為溫度補償傳感器，通過振蕩器同樣得到一個頻率信號。振動信號的采樣是由光電編碼器的等轉角取樣實現的，在光電編碼器、門電路及單片機硬軟件的配合下，將2個高頻信號輸入差頻計數器就能得到固定時間間隔內的計數值，送C8051F020單片機進行存儲和處理，得到計數差值并轉換成振動位移的大小，實現框圖如圖1所示。

2傳感器的研制

2.1測量電路

懸浮軸的振動位移測量電路由兩部分組成：一方面利用導電介質電容傳感器將懸浮軸振動位移的變化轉換成電容量的變化；另一方面，利用反射式光電編碼器實現懸浮軸轉動的等角度采樣，保證采樣的精度。

2.1.1導電介質電容傳感器的設計

利用改變電容極板面積S和極板之間距離d的方法，均可以達到改變電容量C的目的。選用變極距式電容傳感器實現對懸浮軸的振動位移測量。為使傳感器能將振動位移的變化轉換成相應的電容量變化，使兩者成單值函數關系，并保證懸浮軸在轉動和受外界干擾時的真實運動狀況不發生改變，導電介質傳感器以懸浮軸本身作為電容器的動極板，采用溫度對材料膨脹系數影響小的銅作為靜極板。另外，設計時對電容傳感器的靈敏度、線性及寄生電容的影響也給予充分考慮。設計時采用2只電容傳感器：1只用于測量，1只用于溫度補償。而且，每只電容傳感器又都是2只電容器串聯組成的，這樣，既解決了電容傳感器導線的連接問題，又減少了寄生電容的影響。設用于測量的電容傳感器電容量為C，用于溫度補償的電容傳感器電容量為C0，設計的具體參數如下：

2只電容器的初始安裝極板間距均為x0=25μm；絕緣材料的厚度d1=10μm；每個極板的覆蓋面積A=0.5 cm2；測量振動的范圍為-25～25μm(即極板間距z范圍為0～50μm)；ε0=8.85×10-12 F／m，εr=2.3ε0，其結構簡圖如圖2所示。

首先，極板間距和振動位移△x的關系為

x-x0=△x (1)

由于每只電容傳感器均由2只電容串聯構成，考慮極板表面絕緣膜厚度，得到測量電容傳感器的電容量C和溫度補償電容傳感器的電容量C0分別為

2.1.2利用光電編碼器實現等轉角采樣

光電脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發生器，它將機械轉角變成電脈沖，可作為位置檢測和速度檢測裝置。設計中利用反射式光電編碼器實現了高精度的等轉角采樣，其輸出為脈沖信號，脈沖個數與旋轉位移有關。懸浮軸的轉速是50 rad／s，光電編碼器采用等轉角(2°)間隔采樣，則每個采樣周期約為t=111μs，即光電編碼器輸出頻率為9kHz的脈沖信號。懸浮軸連續變化的振動信號轉換過程為連續信號→離散信號，根據信號采樣理論：若連續信號f(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fm，則信號f(t)可以用等間隔的抽樣值來唯一的表示，而最低抽樣頻率fs=2fm，即fs≥2fm。由于光電編碼器的抽樣頻率fs=9kHz，因此，傳感器能夠測得的懸浮軸振動的最高頻率fm4.5 kHz。