CN107748033A - 一种筒型径向力传感器标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种筒型径向力传感器的标定装置及其标定方法。该装置包括筒型传感器、轴流风机径向力加载单元、轴流风机转速测量装置和数据回收装置。筒型径向力传感器标定使用轴流风机转子偏心产生离心力，模拟径向力加载到筒型径向力传感器上，筒型径向力传感器内部的检测电路，通过检测应变片测试到应力筒的应变，获得装置输出数据。离心力即筒型径向力传感器的输入力，是通过计算，间接获得的。本发明还通过在多个角度加载标准力方法，与轴流风机转子偏心产生离心力的方法对比，验证所述方法的正确性。这种方法在标定模拟实际应用过程，数据准确可靠，有利于对传感器和水泵的分析和设计。

Description

一种筒型径向力传感器标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及一种泵类设备主轴径向力的测量领域，具体涉及一种筒型径向力传感器标定装置及其标定方法。

背景技术

筒型径向力传感器是一种测量水泵泵轴径向力的传感器，主要应用于大型水泵设备泵轴径向力的测量。所谓水泵泵轴径向力，就是水泵叶轮在旋转过程中，泵轴所受半径方向上的力。影响水泵泵轴性能的主要因素包括转子径向力、轴向力及机械振动。径向力过大，会导致主轴断裂，造成大量经济损失，甚至危及工人生命。

现有技术对径向力测量仍然存在一些问题，例如，一种三相感应电机转子轴承径向力测量装置及测量方法(201410743722.6)在测量时，辅助工艺键和工艺键槽之间存在径向上的摩擦力，能够对径向力的测量结果造成直接的影响；而一种轴承综合动态性能试验装置及其测试方法(201410448781.0)利用驱动系统、传动系统、测控系统和环境模拟系统构成轴承综合动态试验平台，其中轴承径向施加载荷的大小是通过力传感器进行测量的，该测量方法对在测量时只能测量轴承在一个方向上力值的变化，不能在各个角度分析轴承的受力情况。

发明内容

发明目的：

为解决上述问题，本发明提供一种准确度高、影响因素少、测试效率高的筒型径向力传感器标定装置及其标定方法。

本发明涉及的筒型径向力传感器外部是满足径向力精确测量的弹性元件，该弹性元件主体是空心圆柱(应力筒)，两个端面上分别通过法兰连接水泵泵轴。对于筒型径向力传感器的标定，是通过对传感器加载标准力，得到输出值，从而确定传感器输入与输出的关系。本发明筒型传感器主要完成径向力的数据采集和存储；轴流风机径向力加载单元是在轴流风机扇叶上安装砝码，在旋转时产生径向方向的力来实现径向力加载；轴流风机转速测量装置主要是利用霍尔元件和示波器来完成轴流风机旋转速度测量；数据回收装置是将Flash中存储的数据通过串口读取出来，传送至PC中分析。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种筒型径向力传感器标定装置，包括筒型传感器、轴流风机径向力加载单元、轴流风机转速测量装置和数据回收装置，筒型传感器包括应力筒、应变电桥和内部测量电路；应力筒固定在平台上，应变电桥包括四个应变片R1、R2、R3和R4，应变片R1和R3粘贴在应力筒0度外壁处的中间位置，应变片R2和R4粘贴在应力筒180度外壁处的中间位置，内部测量电路通过端盖安装在应力筒的内部；

内部测量电路包括AD转换器、单片机、Flash存储器、串口通讯接口、时钟、电桥电源和电池；AD转换器输入端连接应变电桥，输出端连接单片机，单片机将AD转换器采集的数据存储到Flash存储器，通过串口通讯接口连接串口模块，进行数据传递，利用时钟控制采集开启时间，电桥电源连接应变电桥，电池分别连接AD转换器、单片机、Flash、电桥电源和时钟，为AD转换器、单片机、Flash、电桥电源和时钟供电；

轴流风机径向力加载单元包括轴流风机、砝码和法兰盘；轴流风机安装在应力筒上，通过法兰盘固定连接应力筒与轴流风机，轴流风机的扇叶一端上方固定砝码；

轴流风机转速测量装置包括霍尔传感器、固定支架、永磁铁、示波器和电源；永磁铁固定在靠近砝码轴流风机扇叶一端上方；霍尔传感器通过固定支架固定在轴流风机外壳端部；5V电源连接霍尔传感器，信号通过电阻R5与示波器连接，检测轴流风机的转速；

数据回收装置包括串口模块和计算机数据处理软件；串口模块连接内部测量电路单片机的串口通讯接口，通过串口模块将Flash存储器中的数据读取出来，再导入计算机中的数据处理软件，对数据进行处理；利用切比雪夫带通滤波器对采集数据进行带通滤波，消除机械振动和工频干扰。

一种筒型径向力传感器标定装置，内部测量电路通过导线与应力筒上的应变电桥连接。

一种筒型径向力传感器标定装置，应力筒的底部含有六个相同尺寸的固定孔，通过螺钉将应力筒固定在平台上。

一种筒型径向力传感器标定装置，法兰盘外圈通过四个螺栓与轴流风机螺纹连接，通过垫片支撑，内圈通过螺丝连接法兰盘与应力筒的螺栓孔。

一种筒型径向力传感器标定方法，其标定步骤如下：

(1)将筒型径向力传感器标定装置，安装好；

(2)开启传感器装置电源开关，单片机开始数据采集；

(3)开启轴流风机电源，传感器装置标定工作开始；

(4)利用转速测量装置测量轴流风机的转速；

(5)关闭轴流风机电源；

(6)由F＝mω²r，其中F代表砝码对轴心的径向力，m代表砝码质量，ω代表砝码旋转的角速度，r代表半径；分别以满量程的1/5递增选择砝码m_{i(i＝1,2...5)}进行测试，重复上述步骤(1)～(5)工作；

(7)利用数据回收装置读取Flash存储器中的数据；

(8)实验数据处理；利用数据回收装置中的计算机数据处理软件，根据轴流风机转速设置带通滤波器的上、下限截止频率；获取与轴流风机转速相同频率的数据；整合安装不同砝码时实验所取得的数据，生成输入、输出特性曲线

优点及效果：

本发明具有如下优点及有益效果：

1.模拟了实际泵轴径向力检测对传感器输出特性的干扰，有利于对传感器和水泵的分析和设计；

2.本发明采用轴流风机旋转产生的径向力，作为标准力对筒型传感器进行标定，与静态加载力标定相比：

(1)这是一个近乎于实际运行的测试，获得的装置输出数据包含了机械振动和工频噪声干扰，从中有效地验证了本发明提出的方法的可信性。

(2)这是“径向力”的溯源测试，径向力的物理概念指出径向力就是由旋转产生的，静态加载力标定是直接变量，但力是间接变量。

附图说明

图1为本发明筒型传感器径向力标定装置立体结构示意图；

图2为本发明筒型传感器径向力标定装置垂直方向剖面图；

图3为传感器装置工作示意框图；

图4为应变电桥电路图；

图5为速度测量装置电路图；

图6为数据回收装置结构框图；

图7为以15.68g砝码为例得到的原始数据图；

图8为原始数据经傅里叶变换的频谱图；

图9为滤波后数据图；

图10为本发明轴流风机扇叶上的砝码旋转示意图；

图11为本发明加速度示意图；

图12为筒型传感器的径向力特性曲线；

图13为多角度径向加载实验结构图；

图14为多角度径向力作用时的应变值图；

图15为偏心轴流风机实验各角度取样图。

附图标记说明：

1、应力筒；2、轴流风机；3、砝码；4、法兰盘；5平台；6、应变电桥；7、螺栓孔；8、螺栓；9、端盖；10、螺丝；11、垫片；12、导线；13、螺钉；14、内部测量电路；15、永磁铁；16、固定孔；17扇叶；18、霍尔传感器；19、固定支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2和图3所示，一种筒型径向力传感器标定装置，包括筒型传感器、轴流风机径向力加载单元、轴流风机转速测量装置和数据回收装置，筒型传感器包括应力筒1、应变电桥6和内部测量电路14；应力筒1固定在平台5上，应变电桥6包括四个应变片R1、R2、R3和R4，应变片R1和R3粘贴在应力筒1的0度外壁处的中间位置，应变片R2和R4粘贴在应力筒1的180度外壁处的中间位置，内部测量电路14通过端盖9安装在应力筒1的内部；

内部测量电路14包括AD转换器、单片机、Flash存储器、串口通讯接口、时钟、电桥电源和电池；AD转换器输入端连接应变电桥6，输出端连接单片机，单片机将AD转换器采集的数据存储到Flash存储器，通过串口通讯接口连接串口模块，进行数据传递，利用时钟控制采集开启时间，电桥电源连接应变电桥6，电池分别连接AD转换器、单片机、Flash、电桥电源和时钟，为AD转换器、单片机、Flash、电桥电源和时钟供电；

轴流风机径向力加载单元包括轴流风机2、砝码3、法兰盘4；轴流风机2安装在应力筒1上，通过法兰盘4固定连接应力筒1与轴流风机2，轴流风机2的扇叶17一端上方固定砝码3；

如图4和图5所示，轴流风机转速测量装置包括霍尔传感器18、固定支架19、永磁铁20、示波器和电源；永磁铁15固定在靠近砝码3轴流风机扇叶17一端上方；霍尔传感器18通过固定支架19固定在轴流风机2外壳端部；5V电源连接霍尔传感器18，信号通过电阻R5与示波器连接，检测轴流风机的转速；

如图6所示，数据回收装置包括串口模块和计算机数据处理软件；串口模块连接内部测量电路14单片机的串口通讯接口，通过串口模块将Flash存储器中的数据读取出来，再导入计算机数据处理软件，对数据进行处理。

应力筒1的底部含有6个相同尺寸的固定孔16，通过螺钉13将应力筒1固定在平台5上。测量电路14通过导线12与应力筒1上的应变电桥6连接。法兰盘4外圈通过四个螺栓8与轴流风机2连接，通过垫片11支撑；内圈通过螺丝10连接法兰盘4与应力筒1的螺栓孔7。

一种筒型径向力传感器标定方法，其标定步骤如下：

(1)将筒型径向力传感器标定装置安装好；

(2)开启传感器装置电源开关，单片机开始数据采集；

(3)开启轴流风机2电源，传感器装置标定工作开始；

(4)利用转速测量装置测量轴流风机2的转速；

(5)关闭轴流风机2电源；

(6)由4-6式：F＝mω²r，其中F代表砝码对轴心的径向力，m代表砝码质量，ω代表砝码旋转的角速度，r代表半径；分别以满量程的1/5递增选择砝码m_{i(i＝1,2...5)}进行测试，重复上述步骤(1)～(5)工作；

(7)利用数据回收装置读取Flash存储器中的数据；

(8)实验数据处理；利用数据回收装置中的计算机数据处理软件，根据轴流风机转速设置带通滤波器的上、下限截止频率；获取与轴流风机转速相同频率的数据；整合安装不同砝码时实验所取得的数据，生成输入、输出特性曲线。

装置参数设置为：

轴流风机型号：FP-108EX-S1-S，转速：44r/s(ω＝276.5rad/s)。

传感器量程：0-200N。由4-6式，砝码质量按1/5递减得以得出砝码计算值为10g、20g、30g、40g和50g，但是实际操作砝码包含了质量块，固定螺丝螺母和永磁铁，不易取到1/5递增重量，可以在1/5递增点附近选择，砝码实际值分别为15.68g、20.26g、28.95g、39.65g和61.38g。

应变片R1-R4型号：BE350-3FB(11)，电阻值：350欧，灵敏度系数：2.01。

AD转换器：AD7710芯片；AD位数为24bit；基准电压：2.5V；

速度测量装置：霍尔传感器型号为A3144E；示波器型号为TDS1012B。

如图7所示，以15.68g砝码为例，利用数据回收装置中的数据处理软件，去除零点漂移，得到原始数据图。

如图8所示，对该数据进行傅里叶变换得出其频谱图。

可以看出数据中含有直流成分和45.64Hz的交流成分及45.64Hz的多次谐波成分，而不同砝码时，轴流风机转速不同。通过与速度测量单元对比可知，45.64Hz为轴流风机在使用该砝码时的旋转频率，即为实验所需的数据值。

如图9所示，通过数据回收装置，得出滤波后数据。信号的峰值为4832LSB。

更换砝码，进行多次实验，得出对应径向力下的传感器输出值。

受力分析：

如图10所示，筒型传感器径向力标定主要是利用轴流风机旋转时产生的离心力来实现的。轴流风机旋转时对轴心产生一个径向方向的力，用这一径向力来模拟水泵泵轴径向力，下文称该力为径向力。轴流风机扇叶端部固定有一定质量的砝码，轴流风机旋转时，砝码对轴心产生的径向力为：

F＝ma (4-1)

其中m为砝码的质量(单位kg)，a为旋转时法线方向的加速度。假设以M₀为起点，砝码以半径r旋转弧度后，所在位置为M₁，

则M₀至M₁的弧长s为：

砝码旋转速度代数值为：

其中ω为砝码旋转的角速度(单位为rad/s)。当砝码从M₀旋转至M₁时，速度变化量为Δv。当很小时，Δv方向近似为垂直切向速度的方向，即图11中a_n方向，Δv大小近似为其弧长大小。

所以Δv大小为：

从而能推出加速度为：

所以砝码对轴心的径向力为：

F＝mω²r (4-6)

图1中0°和180°方向即为传感器应变的正反峰值方向。根据式4-5可以得出轴流风机旋转时在0°方向上的分力为：

由《材料力学》可以推导出筒型传感器应变与径向力的关系为：

其中：y_max为所测形变位置与弹性元件中性层最大距离(即应变片粘贴位置距中性层距离)。E为筒形弹性元件的杨氏模量。I_n为筒型传感器横截面的惯性矩，且D和d分别为空心圆柱的外径和内径。本系统采用全桥电路，其输出电压U_o为：

其中U_i为电桥驱动电压，k表示应变片灵敏系数。

整理后的数据如表1所示：

表1不同砝码对应的传感器输出值

表中径向力依据式4-6计算获得。应变是根据式4-9获得的。

如图12所示，通过插值处理，AD输出值对应传感器的径向力的特性曲线。

采用最小二乘法拟合：线性度为2.25％；灵敏度为53.3LSB/N，应变灵敏度为4.94με/N。

多角度径向加载测试试验：

为了验证上述实验结果的正确性，利用传感器单元测量了筒型径向力传感器在0°、60°、120°、180°、240°和300°角度施加拉力时，AD的输出结果，实验结构如图13所示。

传感器单元所受拉力是通过紧线器施加的。利用已经标定好的悬臂梁传感器测得紧线器拉力大小，进而测得传感器单元所受径向力。实验过程中，分别在0°、60°、120°、180°、240°和300°处测得相同径向力作用下的AD输出值，并且分别测得了在径向力为40N、80N、120N、160N、200N、240N和280N时的输出情况，测量结果如表2所示。

表2多角度径向加载测试试验结果

如图14所示，将数据去除零点误差，根据式4-9计算出不同径向力下多角度应变大小，并利用最小二乘法得出多角度筒型传感器灵敏度K₁。

如图15所示，将偏心轴流风机实验得出的多组正弦信号进行取样处理，取出对应角度的AD输出值。

同样利用最小二乘法计算，得出每个角度时筒型径向力传感器的灵敏度K₂。将K₁与K₂进行对比，如表3所示。

表3不同角度试验灵敏度对比

表3中误差＝|K₁-K₂|，利用轴流风机产生的径向力来标定传感器得出的灵敏度，与多角度径向力加载试验得出灵敏度最大误差为1.0LSB/N。

实验结果：

偏心轴流风机产生的径向力测试试验中，利用轴流风机产生的径向力对筒型径向力传感器进行标定，得出筒型传感器径向力与AD输出值呈线性，灵敏度为53.3LSB/N。多角度径向加载力试验，对应0°、60°、120°、180°、240°和300°6个角度，轴流风机产生的径向力和直接加载得出灵敏度最大偏差不大于1.0LSB/N，这和习惯上认为传感器是一个低通系统的结论是一致的。

Claims (5)

1.一种筒型径向力传感器标定装置，包括筒型传感器、轴流风机径向力加载单元、轴流风机转速测量装置和数据回收装置，其特征在于：

筒型传感器包括应力筒(1)、应变电桥(6)和内部测量电路(14)；应力筒(1)固定在平台(5)上，应变电桥(6)包括四个应变片R1、R2、R3和R4，应变片R1和R3粘贴在应力筒(1)0度外壁处的中间位置，应变片R2和R4粘贴在应力筒(1)180度外壁处的中间位置，内部测量电路(14)通过端盖(9)安装在应力筒(1)的内部；

内部测量电路(14)包括AD转换器、单片机、Flash存储器、串口通讯接口、时钟、电桥电源和电池；AD转换器输入端连接应变电桥(6)，输出端连接单片机，单片机将AD转换器采集的数据存储到Flash存储器，通过串口通讯接口连接串口模块，进行数据传递，利用时钟控制采集开启时间，电桥电源连接应变电桥(6)，电池分别连接AD转换器、单片机、Flash、电桥电源和时钟，为AD转换器、单片机、Flash、电桥电源和时钟供电；

轴流风机径向力加载单元包括轴流风机(2)、砝码(3)和法兰盘(4)；轴流风机(2)安装在应力筒(1)上，通过法兰盘(4)固定连接应力筒(1)与轴流风机(2)，轴流风机(2)的扇叶(17)一端上方固定砝码(3)；

轴流风机转速测量装置包括霍尔传感器(18)、固定支架(19)、永磁铁(15)、示波器和电源；永磁铁(15)固定在靠近砝码(3)轴流风机扇叶(17)一端上方；霍尔传感器(18)通过固定支架(19)固定在轴流风机(2)外壳端部；5V电源连接霍尔传感器(18)，信号通过电阻R5与示波器连接，检测轴流风机的转速；

数据回收装置包括串口模块和计算机数据处理软件；串口模块连接内部测量电路(14)单片机的串口通讯接口，通过串口模块将Flash存储器中的数据读取出来，再导入计算机数据处理软件，对数据进行处理；利用切比雪夫带通滤波器对采集数据进行带通滤波，消除机械振动和工频干扰。

2.根据权利要求1所述的一种筒型径向力传感器标定装置，其特征在于：内部测量电路(14)通过导线(12)与应力筒(1)上的应变电桥(6)连接。

3.根据权利要求1所述的一种筒型径向力传感器标定装置，其特征在于：应力筒(1)的底部含有六个相同尺寸的固定孔(16)，通过螺钉(13)将应力筒(1)固定在平台(5)上。

4.根据权利要求1所述的一种筒型径向力传感器标定装置，其特征在于：法兰盘(4)外圈通过四个螺栓(8)与轴流风机(2)螺纹连接，通过垫片(11)支撑，内圈通过螺丝(10)连接法兰盘(4)与应力筒(1)的螺栓孔(7)。

5.一种筒型径向力传感器标定方法，其特征在于：其标定步骤如下：

(1)将筒型径向力传感器标定装置安装好；

(2)开启传感器装置电源开关，单片机开始数据采集；

(3)开启轴流风机(2)电源，传感器装置标定工作开始；

(4)利用转速测量装置测量轴流风机(2)的转速；

(5)关闭轴流风机(2)电源；

(6)由F＝mω²r，其中F代表砝码对轴心的径向力，m代表砝码质量，ω代表砝码旋转的角速度，r代表半径；分别以满量程的1/5递增选择砝码m_{i(i＝1,2...5)}进行测试，重复上述步骤(1)～(5)工作；

(7)利用数据回收装置读取Flash存储器中的数据；

(8)实验数据处理；利用数据回收装置中的计算机数据处理软件，根据轴流风机转速设置带通滤波器的上、下限截止频率；获取与轴流风机转速相同频率的数据；整合安装不同砝码时实验所取得的数据，生成输入、输出特性曲线。