具有高精度的悬浮轴振动测量传感器的设计

悬浮轴转动时稍微受到干扰就会产生微小的不稳定的振动，这种振动将影响悬浮轴的正常运动状态，因此，对悬浮轴的振动位移进行无干扰测试极其困难，如果再要求测振传感器灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强，实施起来则更加困难。目前，在非接触测振传感器的研究方面，主要有电涡流测振传感器和激光传感器。但是，电涡流测振传感器容易受到附近的电磁干扰和温度的影响，激光传感器成本高，稳定性差。考虑到电容传感器结构简单、灵敏度高、动态特性好，完全可以满足使用环境，以此为基础，本文设计了具有高精度的悬浮轴振动测量传感器，并在测量过程中实现了振动信号处理的数字化。

1总体设计原理

悬浮轴振动测量传感器的设计包括电容传感器的设计、振荡电路的选取、光电编码器的采样、差频计数的实现、单片机智能控制几大部分。其基本原理是：首先，利用导电介质电容传感器将振动位移的变化转换为电容量的变化，由于电容传感器为振荡电路中的电容元件，因而，电容量的变化会引起振荡器输出频率的变化。同时，选择另一只电容传感器作为温度补偿传感器，通过振荡器同样得到一个频率信号。振动信号的采样是由光电编码器的等转角取样实现的，在光电编码器、门电路及单片机硬软件的配合下，将2个高频信号输入差频计数器就能得到固定时间间隔内的计数值，送C8051F020单片机进行存储和处理，得到计数差值并转换成振动位移的大小，实现框图如图1所示。

2传感器的研制

2.1测量电路

悬浮轴的振动位移测量电路由两部分组成：一方面利用导电介质电容传感器将悬浮轴振动位移的变化转换成电容量的变化；另一方面，利用反射式光电编码器实现悬浮轴转动的等角度采样，保证采样的精度。

2.1.1导电介质电容传感器的设计

利用改变电容极板面积S和极板之间距离d的方法，均可以达到改变电容量C的目的。选用变极距式电容传感器实现对悬浮轴的振动位移测量。为使传感器能将振动位移的变化转换成相应的电容量变化，使两者成单值函数关系，并保证悬浮轴在转动和受外界干扰时的真实运动状况不发生改变，导电介质传感器以悬浮轴本身作为电容器的动极板，采用温度对材料膨胀系数影响小的铜作为静极板。另外，设计时对电容传感器的灵敏度、线性及寄生电容的影响也给予充分考虑。设计时采用2只电容传感器：1只用于测量，1只用于温度补偿。而且，每只电容传感器又都是2只电容器串联组成的，这样，既解决了电容传感器导线的连接问题，又减少了寄生电容的影响。设用于测量的电容传感器电容量为C，用于温度补偿的电容传感器电容量为C0，设计的具体参数如下：

2只电容器的初始安装极板间距均为x0=25μm；绝缘材料的厚度d1=10μm；每个极板的覆盖面积A=0.5 cm2；测量振动的范围为-25～25μm(即极板间距z范围为0～50μm)；ε0=8.85×10-12 F／m，εr=2.3ε0，其结构简图如图2所示。

首先，极板间距和振动位移△x的关系为

x-x0=△x (1)

由于每只电容传感器均由2只电容串联构成，考虑极板表面绝缘膜厚度，得到测量电容传感器的电容量C和温度补偿电容传感器的电容量C0分别为

2.1.2利用光电编码器实现等转角采样

光电脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它将机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。设计中利用反射式光电编码器实现了高精度的等转角采样，其输出为脉冲信号，脉冲个数与旋转位移有关。悬浮轴的转速是50 rad／s，光电编码器采用等转角(2°)间隔采样，则每个采样周期约为t=111μs，即光电编码器输出频率为9kHz的脉冲信号。悬浮轴连续变化的振动信号转换过程为连续信号→离散信号，根据信号采样理论：若连续信号f(t)是有限带宽的，其频谱的最高频率为fm，则信号f(t)可以用等间隔的抽样值来唯一的表示，而最低抽样频率fs=2fm，即fs≥2fm。由于光电编码器的抽样频率fs=9kHz，因此，传感器能够测得的悬浮轴振动的最高频率fm4.5 kHz。