基于PSD的转轴振动位移测量与分析

2014-09-25孙小超李明涛李菊香

传感器与微系统 2014年9期

孙小超，周文，李明涛，李菊香

(西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099)

0 引言

空心脉冲发电机作为一种新型脉冲功率电源，通过旋转发电机系统将惯性能转换为电能，集储能、机电能量转换和功率调节于一体，被认为是未来实战化电磁炮武器系统的首选电源[1]。空心脉冲发电机为了获取高储能密度，转子往往要被拖到高转速[2]，高转速下转轴振动位移的测量对于空心脉冲发电机转轴材料的选取和设计具有重要的意义。高灵敏度光电位置敏感探测器(position sensitive detector,PSD) 是一种新型的光电器件，又称为坐标光电池，它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转换为电信号。PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、处理电路简单，光敏面内无盲区，可同时检测位置的光强，测量结果与光斑尺寸和形状无关[3，4]。PSD能获得目标位置连续变化的信号，在位置位移、距离、角度和其相关量的检测中获得越来越广泛的应用[5]。

本文采用一维PSD作为传感器，对高转速下转轴振动位移进行了精确测量，为空心脉冲发电机转轴设计提供了重要的依据。

1 PSD结构及其工作原理

PSD的工作原理基于横向光电效应，图1显示了其结构[6]。PSD由三层构成，最上一层是P 层，下层是N 层，中间插入一较厚的高阻I层，形成P-I-N结构，此结构的特点是I层耗尽区宽，结电容小，光生载流子几乎全部都在I层耗尽区中产生，没有扩散分量的光电流，因此，响应速度比普通PN结光电二极管要快得多[7]。当PSD表面受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能量的电子—空穴对流过P 层电阻，分别从设置在P 层相对的两个电极上输出光电流I1和I2，由于P层电阻是均匀的，电极输出的光电流反比于入射光斑位置到各自电极之间的距离，采用PSD的I1端作为原点，光电流I1和I2可以用下面方式表示

I1=I0(L-LB)/L,

(1)

I2=I0LB/L.

(2)

由上式可知，I1,I2是光能量(I0)与位置的函数。实际应用中，由于光源光功率的波动和光源与PSD间距离的变化，I0并不是一个恒定值，为了消除I0的影响，通常把输出电流的差与和相除作为位置检测信号，即

LB=L·I2/(I1+I2).

(3)

只要检测出I1和I2的大小，即可以算出光点所在的位置。

图1 PSD剖面结构图

2 转轴振动位移测量原理

空心脉冲发电机转轴在高速转动过程中，振动位移主要产生于径向方向，其测量方法如图2所示。激光器和PSD分别安装在转轴的两侧，激光器采用光强均布的一字线光源，PSD采用一维PSD，长度为L。形变前，激光器照在PSD的长度为Xa，由于激光器光强均布，以I1端为原点，光源中心点位于Xa/2处。根据PSD工作原理可以得到

图2 转轴振动位移测量示意图

(4)

形变后，激光器照在PSD的长度为Xb，光源中心点位于Xb/2处，同理，可得

(5)

形变前后位移差为d1

d1=d2·L1/(L1+L2).

(6)

其中

d2=Xa-Xb.

(7)

根据式(4)～式(7)可得转轴振动位移d1

(8)

3 系统整体方案

转轴振动位移测量系统包括：PSD测试组件、PSD信号处理电路、主控制器C8051F040和上位机等硬件，以及各部分对应的软件，整体结构如图3所示。

图3 系统整体结构图

PSD输出电流经过信号处理电路，转换为适合AD采集的电压信号，系统采用控制器C8051F040内部自带的AD采集模块，采用频率和采样时长，可通过上位机操作界面设置。C8051F040对采集信号进行数字滤波和位移计算，得出转轴振动位移量，并通过窗口将采集数据和计算数据上传给上位机。上位机通过操作界面对数据进行显示，给出测量结果。该操作界面采用VB设计。

4 硬件电路设计

4.1 PSD信号处理电路

在设计电路时，首先要考虑如何放大电流信号。PSD输出是个电流源信号，电压源更好测量，可以将电流转换为电压源信号，直接测量电压源信号。将电流源信号转换为电压源信号，采用的是电压并联负反馈电路。集成运算放大器需要选择高输入阻抗，失调电压小，偏置电流小的低噪声的运放。在电路的设计中, 还要加上电容进行相位补偿。PSD信号处理电路如图4所示，两路采用相同电路减小误差，首先电流信号I1和I2转换为电压信号，然后电压信号进行放大，输出方便AD采集的电压信号，为了保证PSD测量精度，必须使两路输出尽可能一致。

图4 PSD信号处理电路

4.2 主控制器电路

主控制器电路设计如图5所示，经过PSD处理电路输出的电压信号V1,V2输入到主控制器C8051F040内部AD采集模块，采集模块按照设置好的采样频率和时长对V1和V2进行采集，根据采集信号计算振动位移，通过串口传输给上位机，串口电路采用MAX232，程序下载电路采用JTAG接口。

图5 主控制器电路

5 软件设计

5.1 程序设计

主控制器采用C8051F040，AD采集模块采用其内部AD，软件结构流程如图6所示，系统首先进行硬件初始化和串口设置，与上位机建立串口通信，根据上位机传输的AD参数对AD模块采用频率、采样时间等进行设置。设置完成后根据上位机指令进行AD采集，采集完成后，对采集数据进行处理，计算转轴的振动位移，对数据进行存储并上传上位机，进行显示。

图6 系统软件流程图

5.2 操作界面设计

转轴振动位移测量控制软件采用VB设计，软件具有以下功能：1)AD采集测量结果图形显示；2)AD参数设置(包括采样频率、采样周期、采样时间)；3)串口通信连接功能；4)系统运行状态显示功能；5)系统控制、数据存储功能。

控制操作界面通过串口对主控制器进行参数设置、AD采集启动、存储、显示操作。

6 实验结果与分析

采用转轴振动位移测量系统对在研的空心脉冲电源碳纤维缠绕转轴振动位移进行测量，测量结果如图7所示。AD采样频率为10 kHz，采样时长为120 ms，一共1 200个采样点。图7(a)为转速在2 000 r/min状态下系统测量振动位移波形图，图7(b)为转速在4 000 r/min状态下系统测量振动位移波形，图7(c)为转速在5 000 r/min状态下系统测量振动位移波形，图7(d)为转速在6 000 r/min状态下系统测量振动位移波形。从波形可以看出，振动位移随着转轴旋转周期性变化，随着转轴转速的提高振动位移量也逐渐增大，满足试验测量要求。