CN101639337A - 精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量方法及装置，在离心机台面的边缘外和轴端处安装8个电容传感器，分别指向台面上被测件安装块和轴端基准面处。将电容传感器的输出信号接入工控机的数据采集板上，以分频后的离心机角度编码器脉冲信号作为采样触发信号，以保证各圈的采样点总在同一位置。先让离心机以较低速率连续转动，测出静态值；然后让离心机高速转动，测出动态值。以动态值减去对应角度处的静态值，进过计算后，即得到离心机台面的动态变化量和动态失准角。

Description

精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量方法及装置，可应用于惯性器件测试设备领域的精密离心机动态半径与动态失准角测量。

背景技术

现有的精密离心机动态半径与动态失准角测量方法是：将电感传感器、电容传感器等距离测量传感器布置在一个固定的支架上，当离心机转臂转过传感器时，可测出传感器探头与转臂间的距离，并将每圈的测量结果记录下来，再通过高、低速时的距离变化量即可得到离心机的动态半径。由于精密离心机在高速转动时，台面会由于受到离心力的作用而发生拉伸变形，转轴也会发生偏斜，采用这种测量方法离心机每转一周只能测量一次动态半径，采样值较少，不能克服由于台面和转轴的变形带来的测量误差，测量的精确度不高，且每圈的测量结果需要试验后计算，不是实时的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量方法及装置，解决了在离心机在高速转动时动态半径与动态失准角的实时测量问题，且提高了测量精度。

本发明的技术解决方案是：一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量装置，包括：四对距离测量传感器、分频器和数据采集系统；第一对、第二对距离测量传感器按180°对称安装在离心机台面的边缘，其中第一对距离测量传感器对准台面上被测件安装块的外边沿，第二对距离测量传感器对准台面上被测件安装块的上边沿，第三对、第四对距离测量传感器相互90°垂直安装在离心机轴端的预留基准面处，其中第三对距离测量传感器沿离心机轴的径向安装，第四对距离测量传感器沿离心机轴的轴向安装；离心机角度编码器发出的脉冲信号经过分频器分频后输入至数据采集系统中的第一计数器作为采样触发信号，离心机角度编码器的零位信号输入至数据采集系统中的第二计数器，当第二计数器接收的零位信号发生第一次电平跳变时数据采集系统中的第一计数器输出采样触发信号，每个采样触发周期数据采集系统采集一次四对距离测量传感器的输出信号，数据采集系统根据采样结果计算出离心机的动态半径和动态失准角。

一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量方法，包括下列步骤：

(1)在离心机台面的边缘按180°对称安装第一对和第二对距离测量传感器，其中第一对距离测量传感器C1、C3对准台面上被测件安装块的外边沿，第二对距离测量传感器C2、C4对准台面上被测件安装块的上边沿，在离心机轴端的预留基准面处安装相互垂直的第三对和第四对距离测量传感器，其中第三对距离测量传感器C5、C6沿离心机轴的径向安装，第四对距离测量传感器C7、C8沿离心机轴的轴向安装；

(2)将四对距离测量传感器输出的8路模拟信号接入数据采集系统中，同时将离心机角度编码器产生的脉冲信号经过分频后接入数据采集系统作为采样触发信号，从离心机角度编码器初始零位开始，每间隔0.5°数据采集系统采样一次；

(3)先让离心机以低速率连续转动，离心机每转一圈四对距离测量传感器测得各距离测量传感器与离心机之间的距离值，离心机连续转动10-20圈后对四对距离测量传感器测得的距离值求平均得到四对距离测量传感器与离心机之间的静态距离值A1(720，8)；

(4)然后让离心机按照需要的角速率转动，离心机每转一圈四对距离测量传感器测得各距离测量传感器与离心机之间的距离值A2(720，8)，该距离值A2(720，8)作为四对距离测量传感器与离心机之间的动态距离；

(5)离心机每转一圈，即以步骤(4)得到的动态距离值A2(720，8)减去离心机对应角度处的静态距离值A1(720，8)，得到四对距离测量传感器测得的距离变化值A3(720，8)，对距离变化值A3(720，8)按列求平均得到距离动态变化平均值A4(8)，将数组A4的8个元素分别记作：Δ_C1、Δ_C2、Δ_C3、Δ_C4、Δ_C5、Δ_C6、Δ_C7、Δ_C8，则离心机的动态半径ΔR为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{C1}+{\mathrm{\Δ}}_{C3}-{\mathrm{\Δ}}_{C5}-{\mathrm{\Δ}}_{C6}}{2}$

则动态失准角

为：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \frac{{\mathrm{\Δ}}_{C2}+{\mathrm{\Δ}}_{C4}-{\mathrm{\Δ}}_{C7}-{\mathrm{\Δ}}_{C8}}{2(R+\mathrm{\ΔR})}$

R为离心机的静态半径值；

Δ_C1为根据距离传感器C1测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C2为根据距离传感器C2测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C3为根据距离传感器C3测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C4为根据距离传感器C4测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C5为根据距离传感器C5测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C6为根据距离传感器C6测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C7为根据距离传感器C7测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C8为根据距离传感器C8测得动态距离值得到的距离动态变化平均值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明将四组位置测量传感器的探头分别对准台面上被测件安装块和轴端预留的基准面处，利用位置传感器可精确测量出离心机的变形和偏斜量，且利用离心机上的编码器输出脉冲分频后作出采样触发信号，可保证每次的采样点总在同一个位置，这样就进一步消除了由于被测区域本身的加工和安装误差而引入的不确定度，提高了测量精度。

(2)本发明的测量方法是将四组位置测量传感器的探头分别对准台面上被测件安装块和轴端预留的基准面处，当离心机刚启动时，让离心机先以低速转动，得到四对距离测量传感器与离心机之间的静态距离值，然后让离心机按照用户需要的速率值运转，得到四对距离测量传感器与离心机之间的动态距离值，程序通过采样编码器的零位信号来判断台体是否转过一圈，当离心机台体每转过一整圈后，用动态值减去静态值，即可得到8个电容传感器测得的距离变化量，从而得到动态变化量平均值数组，从而可精确测量出离心机的变形和偏斜量，本发明在离心机转到一圈范围内采集尽可能多的数据，提高了测量的准确度，并且使用高精度角度编码器分频后的信号作为采样触发信号，可以保证每次测量的总在同一位置，不同圈中同一位置的比较，提高了测量准确度。

附图说明

图1为本发明电容传感器安装位置分布图；

图2为本发明测试装置的构成图。

具体实施方式

如图1所示，在离心机台面的边缘外按180°对称方式安装两对距离测量传感器，其中第一对距离测量传感器C1、C3对准台面上被测件安装块的外边沿，第二对距离测量传感器C2、C4对准台面上被测件安装块的上边沿。同时，在离心机轴端的预留基准面处安装相互垂直的第三对和第四对距离测量传感器，其中第三对距离测量传感器C5、C6沿离心机轴的径向安装，第四对距离测量传感器C7、C8沿离心机轴的轴向安装。距离测量传感器探头指向的被测件安装块和轴端预留的基准面处都具有加工精度很高的测量面，能保证在离心机台面和轴转动时准确测量出各距离测量传感器与被测件安装块边沿处或转轴处的距离。

如图2所示，测试装置包括距离测量传感器1、分频电路2、数据采集系统3，离心机角度编码器4发出的脉冲信号经过分频器2分频后输入至数据采集系统3中的第一计数器5作为采样触发信号，离心机角度编码器4的零位信号输入至数据采集系统3中的第二计数器6，当第二计数器6接收的零位信号发生突变时数据采集系统3中的第一计数器5输出采样触发信号，每个采样触发周期数据采集系统3采集一次四对距离测量传感器1的输出信号，数据采集系统3根据采样结果计算出离心机的动态半径和动态失准角。数据采集系统的采集软件利用NI的Labview软件开发。

例如本发明采用电容传感器作为精密距离测量元件，也可以采用电感传感器，可以将探头与被测件之间的距离直接转换为电压值输出，最大可测距离为500μm。离心机上的编码器每圈输出脉冲频率为1152000，经过分频电路2进行64分频后引入数据采集系统3的第一计数器5的输入端，再经过软件25分频后，得到每圈输出720个的方波信号，将此方波信号的上升沿作为电容传感器1的采样触发信号。将编码器4的零位输出信号引入数据采集系统3的第二计数器6的输入端，用来记录离心机转过的圈数。当离心机开始转动时，总是要等到离心机第一次转过零位信号时(即第二计数器6的输入值由0变为1时)才开始采样，然后再由第一计数器5的输出作为采样触发信号，每0.5度采样一次电容传感器的电压值。本发明的数据采集系统3选用NI公司的一种DAQ卡，将其直接插在工控机的PCI插槽中，并在工控机上安装NI公司的RT操作系统，可以使用Labview软件很方便地对数据采集卡进行编程，还可以通过RT系统提高采样的频率。每计算出一次动态半径ΔR和动态失准角值，可通过远控方式上传到上位机，也可以实时地以文件形式记录于工控机中。

本发明的测试方法为：将8个电容传感器输出的8路模拟电压信号接入工控机的数据采集板上，同时将离心机角度编码器脉冲信号经过分频后接入数据采集系统作为采样触发信号，从离心机编码器初始零位开始，每间隔0.5°采样一次，即每转一圈采样720个点，且保证各圈的采样点总在同一位置。使用时先让离心机以较低速率连续转动，测出各点的距离值，连续转动10至20圈后求平均值作为静态值；然后让离心机按照用户需要的角速率转动，可实时测出各点的距离值作为动态值。以动态值减去对应角度处的静态值，再将测量结果进行运算，即得到离心机台面的动态变化量和动态失准角。例如，程序运行后先让离心机以低速(如1g对应的角速率)连续转动10圈，每间隔0.5°采样一次，得到静态平均值数组A1(720，8)，数组为720行8列，该数组中720表示采样点数共720行，数组中的8表示8列。此后让离心机以高速转动，每转动一圈，就可以得到一个动态数组A2(720，8)。程序通过软件定时查询采集系统3的内部计数器的计数值来判断离心机是否转过新一圈。当离心机转过新的一圈时，用本圈采样得到的动态数组A2(720，8)减去静态平均值数组A1(720，8)的对应值，即可得到8个电容传感器测得的距离变化量数组A3(720，8)。将数组A3(720，8)按列求平均，可得到动态变化量平均值数组A4(8)，将数组A4的8各元素分别记作：Δ_C1，Δ_C2，......，Δ_C8，则离心机的动态半径ΔR为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{C1}+{\mathrm{\Δ}}_{C3}-{\mathrm{\Δ}}_{C5}-{\mathrm{\Δ}}_{C6}}{2}$

设离心机的静态半径值为R，则动态失准角

为：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \frac{{\mathrm{\Δ}}_{C2}+{\mathrm{\Δ}}_{C4}-{\mathrm{\Δ}}_{C7}-{\mathrm{\Δ}}_{C8}}{2(R+\mathrm{\ΔR})}$

其中：

Δ_C1为根据距离传感器C1测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C2为根据距离传感器C2测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C3为根据距离传感器C3测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C4为根据距离传感器C4测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C5为根据距离传感器C5测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C6为根据距离传感器C6测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C7为根据距离传感器C7测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C8为根据距离传感器C8测得动态距离值得到的距离动态变化平均值。

当离心机每转一圈，测量结果刷新一次，因此这种测量是实时的，且每圈的采样点较多(720个或更多)，可以极大地提高测量的精确度。通过实际应用发现，此种测量方法在离心机转速达到30g时，测量相对精确度可优于9×10^-7量级。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1、一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量装置，其特征在于包括：四对距离测量传感器(1)、分频器(2)和数据采集系统(3)；第一对、第二对距离测量传感器按180°对称安装在离心机台面的边缘，其中第一对距离测量传感器对准台面上被测件安装块的外边沿，第二对距离测量传感器对准台面上被测件安装块的上边沿，第三对、第四对距离测量传感器相互90°垂直安装在离心机轴端的预留基准面处，其中第三对距离测量传感器沿离心机轴的径向安装，第四对距离测量传感器沿离心机轴的轴向安装；离心机角度编码器(4)发出的脉冲信号经过分频器(2)分频后输入至数据采集系统(3)中的第一计数器(5)作为采样触发信号，离心机角度编码器(4)的零位信号输入至数据采集系统(3)中的第二计数器(6)，当第二计数器(6)接收的零位信号发生第一次电平跳变时数据采集系统(3)中的第一计数器(4)输出采样触发信号，每个采样触发周期数据采集系统(3)采集一次四对距离测量传感器(1)的输出信号，数据采集系统(3)根据采样结果计算出离心机的动态半径和动态失准角。

2、根据权利要求1所述的一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量装置，其特征在于：所述的距离测量传感器采用电容传感器、或电感传感器。

3、一种精密离心机动态半径和动态失准角的实时测量方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)在离心机台面的边缘按180°对称安装第一对和第二对距离测量传感器，其中第一对距离测量传感器C1、C3对准台面上被测件安装块的外边沿，第二对距离测量传感器C2、C4对准台面上被测件安装块的上边沿，在离心机轴端的预留基准面处安装相互垂直的第三对和第四对距离测量传感器，其中第三对距离测量传感器C5、C6沿离心机轴的径向安装，第四对距离测量传感器C7、C8沿离心机轴的轴向安装；

(2)将四对距离测量传感器输出的8路模拟信号接入数据采集系统中，同时将离心机角度编码器产生的脉冲信号经过分频后接入数据采集系统作为采样触发信号，从离心机角度编码器初始零位开始，每间隔0.5°数据采集系统采样一次；

(3)先让离心机以低速率连续转动，离心机每转一圈四对距离测量传感器测得各距离测量传感器与离心机之间的距离值，离心机连续转动10-20圈后对四对距离测量传感器测得的距离值求平均得到四对距离测量传感器与离心机之间的静态距离值A1(720，8)；

(4)然后让离心机按照需要的角速率转动，离心机每转一圈四对距离测量传感器测得各距离测量传感器与离心机之间的距离值A2(720，8)，该距离值A2(720，8)作为四对距离测量传感器与离心机之间的动态距离；

(5)离心机每转一圈，即以步骤(4)得到的动态距离值A2(720，8)减去离心机对应角度处的静态距离值A1(720，8)，得到四对距离测量传感器测得的距离变化值A3(720，8)，对距离变化值A3(720，8)按列求平均得到距离动态变化平均值A4(8)，将数组A4的8个元素分别记作：Δ_C1、Δ_C2、Δ_C3、Δ_C4、Δ_C5、Δ_C6、Δ_C7、Δ_C8，则离心机的动态半径ΔR为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{C1}+{\mathrm{\Δ}}_{C3}-{\mathrm{\Δ}}_{C5}-{\mathrm{\Δ}}_{C6}}{2}$

则动态失准角

为：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \frac{{\mathrm{\Δ}}_{C2}+{\mathrm{\Δ}}_{C4}-{\mathrm{\Δ}}_{C7}-{\mathrm{\Δ}}_{C8}}{2(R+\mathrm{\ΔR})}$

R为离心机的静态半径值；

Δ_C1为根据距离传感器C1测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C2为根据距离传感器C2测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C3为根据距离传感器C3测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C4为根据距离传感器C4测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C5为根据距离传感器C5测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C6为根据距离传感器C6测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C7为根据距离传感器C7测得动态距离值得到的距离动态变化平均值；

Δ_C8为根据距离传感器C8测得动态距离值得到的距离动态变化平均值。

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