基于应变式三轴加速度传感器的智能轴承设计与实验研究-海文库
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基于应变式三轴加速度传感器的智能轴承设计与实验研究
基于应变式三轴加速度传感器的智能轴承设计与实验研究⑧重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：王辉指导教师：邵毅敏教授兼职导师：黄兴刚高工学位类别：工程硕士（机械工程领域）重庆大学机械工程学院二Ｏ一二年五月
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｆＳｍａｒｔＢｅａｒｉｎｇＢａｓｅｄｏｎａＳｔｒａｉｎ３－ａｘｉｓＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒＡＴｈｅｓｉｓＳｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎＰａｒｔｉａｌＦｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＤｅｇｒｅｅＢｙ―ＷａｎｇＨｕｉＳｕｐｅｒｖｉｓｅｄｂｙＰｒｏｆ．ＳｈａｏＹｉｍｉｎＰｌｕｒａｌｉｓｔｉｃＳｕｐｅｒｖｉｓｅｄｂｙＨｕａｎｇＸｉｎｇｇａｎｇＳｐｅｃｉａｌｔｙ：ＭＥ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ．Ｍａｙ２０１２
中文摘要摘要轴承是机械系统中应用最为广泛的一种通用零部件，其运行状态好坏将直接影响系统的安全性和可靠性。对轴承运行状态进行实时监测，可避免因轴承突然失效造成的灾难性事故。智能轴承技术是最近发展起来的新技术与新方法，通过多传感器与轴承的融合，使轴承了具备运行状态监测能力。智能轴承是在传统轴承的基础上集成传感器，形成智能轴承结构。目前国内外的研究主要集中在轴承内集成压电式加速度传感器，获取振动信号。但是，基于压电式加速度传感器的智能轴承状态监测与故障诊断存在高频噪声干扰，处理效率低，监测参量单一，以及破坏轴承结构等缺点和问题。针对目前研究存在的问题，①提出和设计了新型应变式三轴加速度传感器结构，建立新型三轴应变式传感器的动力学模型，运用正交实验法，优选了参数选择方案，分析了结构参数对传感器固有频率和灵敏度及其综合性能指标的影响；②通过建立应变式三轴加速度传感器的有限元模型，对传感器动态性能进行仿真分析，验证了三轴应变式加速度传感器动力学模型的正确性；⑧完成了新型应变式三轴加速度传感器的实体加工，通过传感器标定实验，确定了应变式三轴加速度传感器的灵敏度；④设计了一种集成三轴应变式加速度传感器、转速传感器以及温度传感器的多参量传感器结构，完成了智能轴承样机的试制，没有破坏轴承的完整性，确保了轴承的使用性能；⑤设计并搭建智能轴承故障模拟试验台，完成了台架故障模拟试验，验证了基于应变式三轴加速度传感器的智能轴承内圈故障诊断的有效性。智能轴承技术今后的发展方向是将其扩展到其它各种类型的轴承运行状态的监测与故障诊断领域，具有广阔的应用前景。关键词：加速度传感器，三轴，智能轴承，结构设计，实验研究重庆大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＢｅａｒｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅａｎｄｉｔｓｇｅｎｅｔｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｈｉｃｈｉｓｍｏｓｔｄｉｒｅｃｔｌｙｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｖｓｔｅｍｒｕｎｎｉｎｇｓｔａｔｅｗｉｌｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅａｎｓａｆｅｔｙａｎｄｓｔａｔｅｉｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｖｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｏｎ。ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｔｓｒｕｎｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｔｏｆａｕｌｔ．ａｖｏｉｄｓｕｄｄｅｎｉｎｖａｌｉｄａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｃａｕｓｅｄｂｙｂｅａｒｉｎｇＳｍａｎｂｅａｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｎｅｗｍｅｔｈｏｄｓｈａｓｂｅｅｎａｎｄｈａｓｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｏｎ。１１ｎｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂｙｍｕｌｔｉ―ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｓｅｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇｓ盯ｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｏｒｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｂｅａｔｉｎｇｓ．Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｃｅｌｅｒａｔｌｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇａｔｐｒｅｓｅｎｔｉｎｔｈｅａｎｄｉｓｕｓｕａｌｌｙｅｍｐｌｏｙｅｄａｓｏｎｅｗｏｒｌｄｄｕｅｔｏｉｔｓｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇＢｌｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｗｉｔｈｓｍａｒｔｂｅａｔｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｎａｖｅｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈｉｎａｄｅｑｕａｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｈｉｇｈ．ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｎｏｉｓｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｌｏｗｅｆｆｉｃｌｅｎｃｙ’ｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｂｅａｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄａｍａｇｅ?１ＳｒｏｌｌｅｒｂｅａｒｉｎｇＩｎｔｈｉｓ１）ａｐｅｒ，ｆａｕｌｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｔｈｅｄｏｕｂｌｅｒｏｗｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｅｘＤｌｏｒｅｄｓｔｒａｉｎａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆａｕｌｔｓｉｇｎａｌａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ?Ａｎｅｗｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｉｓｆｏｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎａｎｄｆａｕｌｔＩＳｄｉａ吼ｏｓｉｓｏｆｂｅａｒｉｎｇｓ．ＡｎｅｗＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｉｓｓｔｕｄｙｎｅｗａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｓｐｅｅｄａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｔｈｉｓＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｖｅｄｔｈｅＳｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇｆａｕｌｔＣａｌｌｓｅｎｓｏｒｓａｃｑｕｉｒｅｔｈｅａｎｄｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｌｏｗ矗ｅｑｕｅｎｃｙｉｎｔｂｒｍａｔｌｏｎａｓｉｎｆ．０ｍａｔｉｏｎ，ｏｎ．１ｉｎｅｓｐｅｅｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｒｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｆｏｌｌｏｗｓ：ｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｗｏｒｋｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ①Ｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｔｒａｉｎ３－ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｓｅｎｓｏｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｂｙｍａｓｓａｎｄｅｌａｓｔｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｔｈｅｂＶｏ“ｈｏｇｏｎａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｓｅｎｓｏｒｓｅｒｉｅｓ―ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ?Ｔｈｒｏｕｇｈｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅ３－ａｘｉｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ１Ｓｓｅｌｅｃｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｉｓｓｅｎｓｏ¨ｓａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｔｈｅ②Ｔｈｅ３．ａＸｉｓｄｙｎａｍｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒａｎａｌｙｚｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．Ｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ；ｗｉｔｈｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇ．③Ｃｏｍｐｌｅｔｅｄｔｈｅｎｅｗｓｔｒａｉｎ３一ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＩＩＩｓｅｎｓｏｒｅｎｔｉｔｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，重庆大学硕士学位论文ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｓｔｒａｉｎｔｈｒｅｅ．ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｂｙｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｏｒ＠Ｔｈｅｍｕｌｔｉ―ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｔｈｉｓｎｅｗｓｔｒａｉｎ３－ａｘｉｓｏｎａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｓｐｅｅｄａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓ．Ｂａｓｅｄｏｆｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇｉｓｓｅｒｖｉｃｅｗｈｉｃｈ，ｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ，ｗｈｉｃｈｄｏｅｓｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇ；ｎｏｔｄａｍａｇｅｔｈｅｉｎｔｅｇｒｉｔｙａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔ⑧Ｔｏｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｎｅｗｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇ，ａｐｒｉｎｃｉｐｌｅｐｒＩｏｔｏｔｙｐｅｉｓｅｘｐｒｉｍｅｎｔｓｗｉｔｈｂｅａｒｉｎｇｆａｕｌｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｖｅｄｔｈｅｏｎｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｆｏｒｆａｕｌｔ３一ａｘｉｓａｃｃ，ｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．ｄｉａｇｎｏｓｉｓｉｎｎｅｒｒｉｎｇｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｅｗｓｔｒａｉｎＴｈｅｅｘｔｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｏｔｈｅｒｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｆｏｒｏｎ．．１ｉｎｅｓｔａｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｉｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ，Ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｉｔｈａｖｅａｂｒｏａｄｓｃｏｐｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，Ｔｈｒｅｅ―ａｘｉｓ，ＳｍａｒｔＢｅａｒｉｎｇ，ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎｅ，ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙ目录目录中文摘要………………………………………………………………………Ｉ英文摘要……………………………………………………………………．ＩＩＩ１绪论…………………………………………………………………………１１．１课题概述…………………………………………………………………………………１１．１．１课题来源…………………………………………………………………………１１．１．２课题背景及意义…………………………………………………………………１１．２智能轴承概述……………………………………………………………………………２１．３智能轴承技术的国内外发展现状………………………………………………………３１．３．１传感器与轴承集成方式的国内外发展现状……………………………………一３１－３．２智能轴承诊断技术的国内外发展现状…………………………………………．．５１．４主要研究内容……………………………………………………………………………７２滚动轴承信号处理的基础理论…………………………………………９２．１滚动轴承的主要失效形式与原因………………………………………………………９２．２滚动轴承振动信号特征………………………………………………………………．１０２．２．１滚动轴承的结构参数……………………………………………………………１０２．２．２滚动轴承故障特征频率计算……………………………………………………１０２．３常用信号分析方法……………………………………………………………………．．１２２．３．１特征参数法………………………………………………………………………１２２．３．２包络解调法………………………………………………………………………１４２．４本章小结………………………………………………………………………………．１５３新型应变式三轴加速度传感器的研究………………………………．．１７３．１电阻应变式加速度传感器工作原理…………………………………………………．．１７３．２应变式三轴加速度传感器结构设计…………………………………………………．．１８３．３应变式三轴加速度传感器的动力学模型……………………………………………一２１３．３．１传感器的动力学模型建模………………………………………………………２１３．３．２传感器幅频特性分析……………………………………………………………２３３．４传感器性能分析与参数优化…………………………………………………………．．２４３．５传感器设计要求及材料选择…………………………………………………………．．３４３．５．１弹性元件的设计原则……………………………………………………………３４３．５．２传感器元件的材料选择…………………………………………………………３５３．６传感器有限元模型与仿真分析………………………………………………………．．３６３．６．１传感器的有限元模型……………………………………………………………３６Ｖ重庆大学硕士学位论文３．６．２模态分析…………………………………………………………………………３７３．６．３动态响应性能分析……………………………………………………．………．．３８３．７传感器的加工制造……………………………………………………………………．４０＝；．７．１传感器实体结构…………………………………………………………………４０＝；．７．２应变片的布片和组桥……………………………………………………………４０３．８传感器的标定实验……………………………………………………………………．４２３．９本章小结………………………………………………………………………………．５３４智能轴承的设计…………………………………………………………．．５５４．１多参量传感器的选型…………………………………………………………………．．５５４．２多参量传感器设计……………………………………………………………………．．５５４．３智能轴承样机的试制…………………………………………………………………．５８４．４本章小结………………………………………………………………………………．５９５智能轴承性能验证实验…………………………………………………６１５．１智能轴承的台架实验…………………………………………………………………．６１５．２智能轴承实验设计……………………………………………………………………．６２５．３智能轴承实验分析……………………………………………………………………．６３５．４本章小结………………………………………………………………………………．７２６结论与展望………………………………………………………７３６．１结论……………………………………………………………………………．．…………………………………．７３６．２展望……………………………………………………………………………………．７３致附谢……………………………………………………………………．７５录Ａ．作者在攻读学位期间撰写的论文目录：……………………………………８１Ｂ．作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：………………………………．８１参考文献……………………………………………………………………．７７Ｃ．作者在攻读学位期间参与的科研项目目录：………………………………．８１ＶＩ１绪论１绪１．１课题概述１．１．１课题来源论“十一五”、“十二五”国家科技支撑计划子课题，课题编号：２００６ＢＡＦ０１Ｂ０２．０６。１．１．２课题背景及意义随着现代化工业的发展，设备能否安全可靠的以最佳状态运行，对于确保产品的质量，提高企业生产能力，保障安全生产都具有重要意义。在现实环境中，我们总是期望各种设备完好、正常并充分发挥效益，尤其是对于那些通常凭直观很难把握其状态的大型复杂机电设备。随着现在工业及技术的迅速发展，设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高，不仅同一设备的不同部分相互关联，紧密耦合，而且不同设备之间也存在着紧密的联系，在运行过程中形成一个整体。因此，一处故障可能引起一系列连锁反应，导致整个设备甚至整个过程不能正常运行。轻者造成巨大的经济损失，重者还会产生严重的甚至灾难性的人员伤亡和社会影响［１］。因此，如何实时地获取机械设备的状态信息，实现基于状态的维修，是提高其安全性和可靠性需要解决的关键问题之一。传动机构是现代机械设备传动及动力系统的重要组成部分，而滚动轴承是旋转机械中应用最广泛的机械零件，也是最易损坏的原件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，据统计旋转机械的故障有３０％是由轴承引起的［２］。轴承的工作好坏对机器的工作状态有很大影响，其缺陷会导致设备产生异常振动和噪声，甚至造成设备损坏。轴承的寿命离散性大，同样的材料、同样的加工工艺、同样的设备加工出的一批轴承，其寿命相差很大，导致在使用过程中，部分轴承虽已超过设计寿命而依然能完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就出现各种故障ｐ刮。轴承在铁路、航空、风电设备等领域应用十分广泛。轴承作为机车的的主要部件，其功能对安全运输起着举足轻重的作用，高速列车、地铁、轻轨的轮毂轴承一旦出现故障，轻则将导致整列列车不能运行，堵塞运输路线，给人们的日常生活及经济生产造成不良影响，重则会导致车毁人亡的灾难性后果［５。７】。此外，轴承是航空发动机中应用最广泛的一种通用机械部件，使用与研究表明，在航空发动机的各种故障中，滚动轴承故障占有相当大的比例，这是由于随着航空发动机的不断发展，使得现代航空发动机的轴承在高温、高速、高载的条件下运转，因此，是航空发动机中工作条件最为恶劣的部件之一【３Ｊ。风电齿轮箱是风力发电重庆大学硕士学位论文设备的关键部件。对于两级行星一级平行轴传动结构的风电齿轮箱，虽然低速级和中间级采用了两级行星传递，使用过程中传递比较平稳，但作为高速级的第三级平行轴传递结构因为转速较高，相对扭矩也大，长时间持续工作，齿轮、轴承等部件出现故障的情况比较多［８］。目前，我国的高速列车、地铁、轻轨的轮毂轴承及飞机等装备中的轴承故障时有发生，对轴承进行实时监测是十分必要的。但受空间和设计的限制，我国机械装备中一般没有提供测点，只能将传感器布置在轴承座或箱体上，很难获取高质量的轴承运行状态信号。轴承状态监测与故障诊断方法中，基于监测振动信号的方法应用得最广泛［９－１１］。目前，大多采用一维加速度传感器获取轴承的振动信号。对于测量轴承低频振动的应变式二维加速度传感器通过弹性元件弯曲变形测量轴承两个方向的振动加速度［１２］。而三维加速度传感器主要朝压电式、电容式，及ＭＥＭＳ方向发展，其研制成本较高【ｌ引。为此，本课题对智能轴承技术开展深入研究，以实现轴承运行状态的实时监测，尽早发现其早期故障，从而降低经济损失、减少人员伤亡、避免发生灾难性事故。１．２智能轴承概述智能轴承技术是在机械、电子、通讯等技术飞速发展的背景下而产生的。由于科学技术的不断发展，机械的精密程度和自动化程度的不断提高，早期的轴承故障检测方法已经落后，而融现代传感技术、信号传输与处理技术及计算机技术于一体的“智能化”诊断技术应运而生，通过多传感器与轴承的融合，使轴承了具备运行状态监测能力。因此，作为机械系统中广泛应用的提供自由旋转的基本元件――轴承的性能监测及故障诊断方法也朝着“智能化”的方向发展。所谓“智能轴承”，当前具有代表性的说法是，在传统轴承的基础上集成不同用途的传感器，使其结合成为一体而形成独特的结构单元，再通过微型计算机进行信息处理，达到实时在线监测的目的【１４１。智能轴承系统组成如图１．１所示。智能轴承氏；；：ｊ：｝ｊｊ：｛：『；’沙处理电路ｉｊ｜｜》数据采集艮、矿数据分析图１．１智能轴承系统组成Ｆｉｇ．１．１ＳｙｓｔｅｍｃｏｍｐＯｓｉｔｉｏｎｏｆｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇ１绪论１．３智能轴承技术的国内外发展现状１．３．１传感器与轴承集成方式的国内外发展现状轴承状态监测与故障诊断的关键是获取高质量的状态信号。采集轴承振动信号时，一般将传感器放置在轴承座表面或机壳靠近轴承的部位，由于轴承的信号是通过轴承座或其他零部件传递到传感器，信号在传递过程中有能量损失，信号被消弱，且受环境噪声影响，信噪比低，轴承的一些早期微弱故障信号很难检测到，从而不能及时对轴承的工作状态做出监测与诊断ｌｌ５１。为了提高监测轴承状态信号的信噪比，及时准确的判断轴承的运行状态，使传感器远离周围噪声环境而更加接近轴承故障发生源对故障检测十分有利。基于这种考虑，国内外学者开始研究智能轴承中将用来采集其工作性能参数的传感器与轴承的集成方式。通常轴承和传感器的结合包括外挂式和嵌入式两种结构。外挂式是指监测轴承状态信号的传感器不是嵌入轴承的内圈、外圈或滚珠体内，而是直接附加在轴承上。这种集成方式不会破坏轴承的完整性（即轴承允许的最大应力和变形不发生变化）。目前，外挂式集成方式发展得较为成熟，部分产品已投入生产，得到了实际的应用。ＦＡＧ、ＳＫＦ等公司采用外挂式的结构开发的带有集成传感器的轴承是把某些功能的传感器与轴承结合为一体而形成独特结构单元，如图１．２所示【ｌ６ｌ。图１．２微传感器与轴承结合的外挂式结构‘１６］Ｆｉｇ．１．２Ｏｕｔｈｕｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｉｃｒｏ―ｓｅｎｓｏｒｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｂｅａｒｉｎｇ虽然外挂式集成方式没有破坏轴承的结构完整性，但它改变了轴承的整体尺寸，给轴承的安装带来很大的不便，在很多场合下往往难以广泛使用。为此，近年来国内外学者开始研究智能轴承嵌入式集成方式，即不改变轴承外廓尺寸，在轴承上开槽，再将传感器嵌入到轴承体内，使传感器能够更加接近被测信号的发生源。重庆大学硕士学位论文图１．３传感器与轴承结合的嵌入式结构［１７－１９］Ｆｉｇ．１．３Ｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇｗｉｔｈｅｍｂｅｄｄｅｄｓｅｎｓｏｒ美国麻省州立大学ＲｏｂｅｒｔＸ．Ｇａｏ教授对传感器与轴：承的结合方式进行了深入的研究，提出了－－币０ｅ嵌入式集成方式，即将一种将微传感器模块安装到轴承外圈且不破坏轴承安装性的技术方案，如图１．３所示［１７－１９］ｏ这种集成方式的优点是：传感器能够很接近被测信号的发生源，信号传输的中间界面减少，采集的信号更能真实地反映轴承的实际工作状况，信噪比高。但是传感器的安装需要破坏轴承的结构，这给该技术方案的应用带来了一定的局限性。图１．４传感器嵌入式智能轴承㈣Ｆｉｇ．１．４Ｓｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇｗｉｔｈｅｍｂｅｄｄｅｄｓｅｎｓｏｒ东北大学的张以忱、刘希东等结合材料、薄膜技术和微机电系统技术，提出了一种将薄膜传感器元件直接嵌入或制备在轴承外圈正下方的结合方式，不会引起轴承转动元件的不平衡，也不会破坏轴承的安装性，如图１．４所示［２。】。由于须在轴承外圈铣一个宽度为Ｌ的小槽，势必在一定程度上降低了轴承的承载能力。４１绪论Ａ向放大１１向放大图１．５智能轴承安装示意图‘１５］Ｆｉｇ．１．５ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳｍａｒｔｂｅａｒｉｎｇ’Ｓｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ刘永斌等提出了第三种传感器和轴承的集成方式，对于大尺寸轴承，可以将传感器用环氧树脂固定在轴承外圈上，而由于轴承几何结构及其在机器中安装位置的限制，在轴承座上盖箱壁上加工一个凹槽供传感器安装，其安装结构如图１．５所示【１５］。传感器的输出可通过屏蔽电缆从箱盖的窥视孔（或气孔）中连接出来。这种集成方式虽然使传感器接近被测信号发生源，信噪比高，但对与传感器的安装空间的要求很高，能适用的场所较少。１．３．２智能轴承诊断技术的国内外发展现状①轴承状态监测与故障诊断技术综述２０世纪６０年代开始，国内外学者已经开始研究轴承诊断技术，目前轴承诊断技术已逐渐成熟并走向应用阶段。工业发达的国家如美、英、日、俄等国已开发了以微机为核心的轴承状态监测与故障诊断系统，如Ｂｅｎｔｌｙ公司的ＲｏｌｌｉｎｇＥｌｅｍｅｎｔＢｅａｒｉｎｇＡｃｔｉｖｉｔｙＭｏｎｉｔｏｒ（ＲＥＢＡＭ）系统，ＶＡＳＴ公司的滚动轴承自动诊ＲｏｌｌｉｎｇＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ断系统ＤＲＥＡＭ（ＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓＭｏｄｕｌｅ）。国内如南京航空航天大学赵淳生等人开发的ＭＤＳ系列轴承故障诊断系统【２１‘２２Ｊ，上海大学张华良、秦捷研发的齿轮一滚动轴承智能故障诊断测试系统［２３１，山东大学任锴胜航、王增才提出的基于ＤＳＰ的滚动轴承在线故障诊断系统【２圳，航空航天部唐德尧等人开发的Ｊｋ８６４１１滚动轴承自动实验诊断系统［２孓２６］等。在众多轴承故障诊断的方法中，振动信号监测法应用的最为广泛，相应的振动信号处理技术也得到了蓬勃发展。ＭｃＦａｄｄｅｎ与Ｓｍｉｔｈ建立了滚动轴承在径向载荷下单点故障和多点故障的振动模型，揭示了不同故障的振动特征，为故障诊断提供了基本的理论依据［２７－２９］。ＤａｖｉｄＢｒｉｅ将滚动轴承简化为一线性时变模型，更清楚地揭示了轴承存在故障时的振动规律【３…。Ｇ．Ｋ．Ｃｈａｔｕｒｖｅｄｉ和Ｄ．Ｗ．Ｔｈｏｍａｓ利用白适应降噪技术（ＡＮＣ），使得统计分析及谱分析对滚动轴承的故障诊断更加有效。Ｒ．Ｂ．Ｗ．Ｈｅｎｇ与Ｍ．Ｊ．Ｍ。Ｎｏｒ利用统计特征参数分析了滚动轴承振重庆大学硕士学位论文动信号与声信号，并就转速对统计参数的影响进行了研究［３ｌ】。Ｔ－Ｗｌｌｈａｌｌｌ采用统计特征参数预测滚动轴承寿命。Ｐ．Ｄ．ＭｃＰａｄｄｅｎ与Ｍ．Ｍ．＂Ｉｂｏｚｈｙ将时域同步平均技术与高频共振解调技术相结合分析滚动轴承振动信号。Ｃ．ＪａｍｅＬｉ与Ｓ．Ｍ．Ｗｕ采用合适的滤波器提取共振信息，将信号同步分段与参数谱估计相结合，建立了在线滚动轴承故障诊断系统。Ｃ．Ｋ．Ｍｅｃｈｅｆｓｋｅ与Ｊ．Ｍａｔｈｅｗ利用参数谱有效诊断了低速滚动轴承故障［３２］。Ｄ．Ｃ．Ｂａｉｌｌｉｅ和Ｊ．Ｍａｔｈｅｗ比较了三种自回归模型在滚动轴承故障诊断中的应用，并研究了采样长度对分析结果的影响。Ｊ．ＲＤｒｏｎ等利用时序分析建立了高分辨率的滚动轴承故障监测方法。Ｙ．Ｆ．Ｗａｎｇ与Ｐ．Ｊ．Ｋｏｏｔｓｏｏｋｏｓ针对低速滚动轴承的故障诊断提出了包络自相关技术【３３１。Ｄ．Ｈｏ与Ｒ．Ｂ．Ｒａｎｄａｌｌ将ＡＮＣ技术与包络分析相结合，大大降低了噪声影响，可更加有效地提取轴承故障特征信息【３４１。②嵌入式诊断技术现状嵌入式诊断技术是把获取状态数据的模块嵌入到所要监测的对象中。嵌入式诊断可定义为：在系统运行中或基本不拆卸的情况下，利用系统自身的检测诊断能力独立掌握系统当前的运行状态，独立查明产生故障的部位和原因，预知系统的异常和故障动向，以声、光、显示屏等多种形式输出信息，并辅助操作人员及维修人员采取必要对策【３５１。嵌入式诊断不需要很多外接的零配件，能在小面积组件上完成特定功能，具有稳定、尺寸小等特点。基于嵌入式系统的机械故障诊断系统是一种全新的高科技诊断手段，能实现实时诊断、自诊断，可节省时间、减：少环节、减少耗费、提高维修效率，在现代机械的故障诊断中具有很强的实用意义。世界各国都非常重视嵌入式诊断技术，美国是最早研究快速自诊断技术的国家之一，美军的研究和应用水平代表当前世界最高水平。在美国２０００年度财务预算中，美军诊断提升计划（ＡＤＩＰ：ＡｒｍｙＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍ）特别强调在武器系统内部嵌入具有诊断能力的模块。研制高效武器，保持技术优势，是美军装备工作的主旨。据此，陆军确定的投资重点是：在２０１０年前，集中研究数字化装备，包括电信／信息分发系统、先进的交互式显示装置和尖端探测设备。美军正在研制一种嵌入式智能故障诊断设备，该设备采用的是芯片诊断（ＤＯＣ：ＤｉａｇｎｏｓｉｓｏｎＣｈｉｐ），：在武器装备系统或其部件内部嵌入智能型微处理器，及时自动地提供武器装备的运行信息、发生的故障及具体维修方法。该设备能够实时诊断、自行诊断，可降低维修耗费、减少维修环节、提高维修效率。同时，提供多种辅助功能［３６］Ｏ综上所述，嵌入式智能监测与故障诊断技术在国外发展已经较成熟，在电子通信、军事武器等方面得到了成功的运用，而国内对该新：疗法和新技术的研究应１绪论用起步较晚，还处于探索阶段。针对如何将嵌入式智能监测与诊断技术应用到其它领域，如航空、交通、生产设备的轴承等关键机械零部件的运行状态监测与故障诊断中，国内学者做出的研究还甚少。１．４主要研究内容①提出和设计了新型应变式三轴加速度传感器结构，建立新型三轴应变式传感器的动力学模型，运用正交实验法，优选了参数选择方案，分析了结构参数对传感器固有频率和灵敏度及其综合性能指标的影响；②通过建立应变式三轴加速度传感器的有限元模型，对传感器动态性能进行仿真分析，验证了三轴应变式加速度传感器动力学模型的正确性；⑧完成了新型应变式三轴加速度传感器的实体加工，通过传感器标定实验，确定了应变式三轴加速度传感器的灵敏度；④设计了一种集成三轴应变式加速度传感器、转速传感器以及温度传感器的多参量传感器结构，完成了智能轴承样机的试制，没有破坏轴承的完整性，确保了轴承的使用性能；⑤设计并搭建智能轴承故障模拟试验台，完成了台架故障模拟试验，验证了基于应变式三轴加速度传感器的智能轴承内圈故障诊断的有效性。重庆大学硕士学位论文２滚动轴承信号处理的基础理论２滚动轴承信号处理的基础理论滚动轴承出现故障时，损伤的滚动轴承元件在运行过程中产生的激振力会激起轴承振动系统的固有频率，从而引起共振。本章介绍了滚动轴承故障产生的原因、振动信号的特征及常用信号处理方法，为新型应变式三轴加速度传感器诊断轴承内圈故障奠定理论基础。２．１滚动轴承的主要失效形式与原因滚动轴承是机械中最常用的部件之一，由于异物的落入、润滑不良、安装不良或受到过大的冲击载荷的作用，会使滚动轴承出现磨损、压痕、开裂、胶合、表面剥落及点蚀等故障。轴承的损伤，安装及加工误差，还有滚动轴承本身的构造都会引起振动。在使用过程中的异常形式主要有以下几种‘３７。８］：①磨损由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物的侵入引起表面的磨损。磨损的结果，配合间隙过大，表面出现刮痕和凹坑，使振动及噪声加大。②疲劳由于载荷和相对滚动作用产生疲劳剥落，在表面出现不规则的凹坑，造成运转时的冲击载荷，振动和噪声随之加剧。③压痕受到过大的冲击载荷或静载荷，或因热变形增加载荷，或硬度很高的异物侵入，产生凹痕或划痕。④腐蚀有水分或腐蚀性化学物质侵入，以致在轴承元件表面产生斑痕或点蚀。⑤电蚀由于轴电流的连续或间断通过，因电火花形成圆形凹坑。⑥破裂残余应力及过大的载荷都会引起轴承零件的破裂。⑦胶合由于润滑不良，高速重载，造成高温使表面烧伤及胶合。⑧保持架损坏保持架与滚动体或与内、外圈发生摩擦等，使振动、噪声与发热增加，造成保持架的损坏。由于选材、加工、装配、使用、保养不当都会加速故障的发生和发展。重庆大学硕士学位论文２．２滚动轴承振动信号特征滚动轴承在运行时，由于轴的旋转，滚动体便在内、：外圈之间滚动。滚动轴承在运转的过程中可能由于种种原因而引起磨损、压痕、裂纹、表面剥落、胶合等缺陷，这些缺陷必然引起冲击振动，这种振动的频率是轴承的固有频率和高次谐波。当滚道表面出现损伤时，滚动体在滚道表面转动，便产生一种交变的激振力。由于滚道表面的损伤形状是无规则的，故激振力产生的振动是由多种频率成分组成的随机振动。由轴承滚道表面状况产生振动的机理可知，激振力的频谱由轴承滚道表面损伤的形态和轴的转速决定［３９１。２．２．１滚动轴承的结构参数滚动轴承的基本结构如图２．１所示【４０１，主要由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。滚动轴承主要的几何参数有：轴承节圆直径为Ｄ，滚动体的平均直径为ｄ，内圈滚道的平均半径为ｒ１，外圈滚道的平均半径为ｒ２，接触角为口，滚动体个数为Ｚ。图２．１滚动轴承结构［４０］Ｆｉｇ．２．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇ２．２．２滚动轴承故障特征频率计算图２．１所示为滚动轴承各元件之间的运动关系示意图。为分析轴承各部分运动参数，假设轴承内外圈和滚动体之间为纯滚动接触；轴承承受径向、轴向载荷时各部分无形变；内圈滚道旋转频率为Ｚ；外圈滚道旋转频率为五；保持架旋转频率（即滚动体公转频率）为．，＝。则滚动轴承工作时各点的转动速度如下［４０］：内滚道上一点的速度为［４０］：¨＝２ｅｒｒ，．ｆ＝乃Ｚ（Ｄ―ｄＣＯＳａ）外滚道上一点的速度为‘４０１：（２．１）Ｖｏ＝２ｒｃｒ２五＝刀兀（Ｄ＋ｄＣＯＳａ）１０（２．２）２滚动轴承信号处理的基础理论保持架上～点的速度为ｐｕＪ：圪＝昙（Ｋ＋ｖ０）＝万ｆｃＤ由此可得保持架的旋转频率（即滚动体的公转频率）为…：（２．３）五＝等＝扣一知蚍＋（１＋扣蛳］ＬＣ六一丘＝ｌ（ｆｏ一似１＿虽ｃｏ螂）厶＝ｚ一丘＝ｌ（ｆｏ一似１＋茜ｃｏ锨）自转频率，滚动体通过内滚道或外滚道的频率）兀。‘４０１：（２．４）单个滚动体在外滚道上的通过频率，即保持架相对外圈的旋转频率为‘４０］：（２．５）单个滚动体在内滚道上的通过频率，即保持架相对内圈的旋转频率为‘４０】：（２．６）从固定在保持架上的动坐标系来看，滚动体与内圈作无滑动滚动，它的旋转频率之比与ｄ／２‘成反比。则可得滚动体相对于保持架的旋转频率（即滚动体的告＝堕ｄ＝些ｄ堕＝缸ｄ‰Ｄ∽、’ｆ，（２．７）、７厶＝ｊ１×詈（六一ｚ）［１一（丢）２ｃ。ｓ２口］，＝Ｚ一无。一般情况下，滚动轴承的外圈固定，内圈转动，即‘４０１：六＝０｛ｒ＝ｌｌ―ｆｏ＝｛ｉ同时考虑滚动轴承滚动体个数为Ｚ，则滚动轴承的故障特征频率如下：①内圈上一点缺陷（剥落、凹坑等）与一个滚动体的接触频率‘４０］：（２．８）根据滚动轴承的实际工作情况，定义滚动轴承内、外圈的相对转动频率为（２．９）乃＝三Ｚ（１＋虽ｃ。ｓａ），②外圈上一点缺陷与一个滚动体的接触频率‘４０］：（２．１０）工＝ｌｚ（１。昙ｃｏ锄）ｚ③滚动体上一个缺陷点与内圈或外圈的接触频率‘４０］：（２．１１）五。＝互１了Ｄ［１＿（吾）２④保持架的故障特征频率【４０］：ｃ。ｓ２ａ］，（２．１２）五＝圭（１＿虽ｃｏｓ口），（２．１３）重庆大学硕士学位论文２．３常用信号分析方法２．３．１特征参数法在滚动轴承状态监测及故障诊断的振动特征分析中，特征参数法占有重要位置。采用特征参数法评定轴承状态具有不需要轴承以前的历史记录，结果分析简单、方便等优点。在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括均方根值、峰值等时域特征参数和均方频率等各种频域参数［３１】。时域参数指标①：有量纲参数指标对轴承振动信号进行时域处理最常用的有量纲指标是均方根值（ＲＭＳ）和峰值（ＰＥＡＫ）。１）均方根值信号｛誓）（ｉ＝加Ⅳ，Ⅳ为采样点数）的均方根值为为‘３１】Ｘ晰Ｓ＝（２．１４）２）峰值设利用某一峰值计数法己从｛薯）的Ⅳ个值中找出，ｚ个峰值｛％｝（／＝加咒），则｛誓）的峰值指标为‘３１３ｘ删Ⅳ２寺善厶（２?１５）简单的方法还可以把｛蕾）的Ⅳ个采样点分成若干段，在每一段中找出一个绝对值最大的采样点作为该段的峰值，然后再对各段的峰值取平均值作为总的峰值指标。②：无量纲参数指标利用有量纲参数指标判断轴承故障有一个很大的缺点，要依赖历史数据并且对载荷和转速等的变化比较敏感。为了克服这个缺点，可采用一些无量纲的参数指标。在轴承故障诊断中，最常用的无量纲参数指标有‘３１］：１）峰值因子Ｃ（Ｃｒｅｓｔｆａｃｔｏｒ）［３１１Ｃ＝ＸＰＥＡＪＫ｜Ｘ呲ｓｒ２．１６）分析峰值指标数值随时间变化的趋势，能有效地检测出滚动轴承的早期故障，并可以反映故障的发展变化趋势。２）峭度Ｋ（Ｋｕｒｔｏｓｉｓ）对于零均值的振动信号ｘ（ｆ），峭度Ｋ的定义为‘３１１１２２滚动轴承信号处理的基础理论Ｋ＝＿生――可，－ｏｏ、ｆｘ４ｐ（ｘ）ａ（２．１７）∽小）出ｊ其中ｐ（ｚ）为ｚ（ｆ）的概率密度分布函数。对于离散序列的轴承振动信号｛誓）（ｉ＝加Ｎ），峭度Ｋ的计算式为‘３１３吗２蕊Ｘｐ丽ｅａｋ（专善删）２两类故障都可以判断。（２．１８）对于元件表面损伤类故障，用峰值指标判断比较敏感，对磨损类故障，用均方根值指标比较有效，而峰值因子既考虑了峰值，又考虑了均方根值，所以，对③频域参数指标信号的功率谱反映了信号的能量随频率变化的分布情况，即反映了信号中的频率成分及各频率成分能量的大小情况。当信号中各频率成分的能量变化时，功率谱的主能量谱峰位置也将产生变化。另一方面，当信号的频率成分增加时，功率谱上能量分布表现得较为分散；当信号中频率成分减少时，功率谱能量分布将表现得较为集中。由此可以看出，通过描述功率谱中主频带位置变化及谱能量分布的分散程度，可较好地描述信号频率特征的变化情况。频域参数主要有以下几个‘”１：１）重心频率［３１１ＦＣ＝上｝―一ｎ∑∥＾Ｓｒ（／；）∑ｓ（∥）』一一、√ｌ（２．１９）、２）均方频率【３１］ＭＳＦ＝旦－一∑ｓ（Ｚ）３）频率方差［３Ｉ】∑，２ｓ（∥）（２．２０）ＶＦ：翌二竺竺＝『三！（２．２１）ｚ上，Ｌｚ?ＺＪ…’∑ｓ（Ｚ）重庆大学硕士学位论文４）频率标准差［３１］Ｒ阿＝厉Ｒ陋描述谱能量分散程度。２．３．２包络解调法（２．２２）式Ｚ１９～２．２１中的ｓ（ｆ）为信号的离散功率谱值，ｆ为离散频率。其中重心频率ＦＣ和均方频率ＭＳＦ都是描述功率谱主频带位置变化，频率方差ＶＦ和标准差包络解调法是故障诊断中较常用的一种方法，它可非常有效地识别某些冲击振动，从而找到该冲击振动的振源。当滚动轴承的某一元件出现故障时，在运行过程中会与轴承其它元件发生周期性的撞击，产生脉冲力，从而使得它的振动信号表现为平稳信号和周期性冲击的叠加。轴承振动信号一般包括两部分，一部分是载频信号，即系统的自由振动信号及各种随机干扰信号的频率，是图形中频率成分较高的信号；第二部分是调制信号，它的频率较低，多为故障信号。因此若要对故障源进行分析，就必须把低频信号从高频信号中分离出来。这一信号分离、提取过程，被称为信号的包络解调。对分离提取出来的包络信号进行特征频率和幅值分析，就能准确可靠地诊断出如轴承的疲劳、剥落等故障［３２１。图：２．２为包络解调的基本原理框图。特经颓率图２．２包络解调基本原理Ｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｎｖｅｌｏｐｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ对滤波后的信号进行包络从而得到包络信号是采用Ｈｉｌｂｅｒｔ变换来实现的，设滤波器的输出信号为ｇ（ｆ），则ｇ（ｆ）的Ｈｉｌｂｅｒｔ变换为［３１］：Ｈ［ｑ（ｆ）］－三ｆ坐勃ｔ―ｔ刀ｏ（２．２３）两者构成的解析信号为‘３１］：Ｚ（ｔ）＝ｑ（ｔ）＋ｉＨ［ｑ（ｔ）］Ｚ（ｆ）的极坐标表达式为【３１］：（２．２４）１４２滚动轴承信号处理的基础理论ｚ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｅ旧‘‘’（２．２５）其中［３１】：Ａ（ｔ）＝√９２（ｆ）＋日２［ｇ（ｆ）］ｏ（ｔ）＝ａｒｃｔａｎ｛Ｈ［ｑ（ｔ）］／ｇ（ｆ））（２．２６）（２．２７）对式２．２６及式２．２７进行ＦＦＴ变换，从频谱上便可很容易地识别出调频信号和调幅信号的频率。通常只采用Ｈｉｌｂｅｒｔ幅值解调原理对滚动轴承的故障特征频率进行识别。２．４本章小结本章以滚动轴承故障产生的机理分析为基础，介绍了滚动轴承的结构参数、阐述了滚动轴承的振动信号特征，分析了滚动轴承的故障特征频率。通过对滚动轴承振动信号分析常用的特征参数法以及包络解调法的介绍，为基于应变式三轴加速度传感器的智能轴承内圈故障分析诊断奠定了理论基础。重庆大学硕士学位论文１６３新型应变式三轴加速度传感器的研究３新型应变式三轴加速度传感器的研究轴承状态监测与故障诊断方法中，基于监测振动信号的方法应用得最广泛［９－１１］。目前，大多采用一维加速度传感器获取轴承的振动信号。对于测量轴承低频振动的应变式二维加速度传感器通过弹性元件弯曲变形测量轴承两个方向的振动加速度［１２］。而三维加速度传感器主要朝压电式、电容式，及ＭＥＭＳ方向发展，其研制成本较高［１３】。本章提出了一种新型应变式三轴加速度传感器，不仅能够获取轴承低频振动的三维加速度信号，而且结构简单、易于加工装配、成本低廉。３．１电阻应变式加速度传感器工作原理电阻应变式加速度传感器由于具有良好的低频特性，而广泛应用在振动测量领域。电阻应变式加速度传感器的工作原理如图３．１所示。图３．１振动测量传感器原理Ｆｉ９３．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒ图中三角形弹性板的端部装有一个质量为ｍ的惯性锤。传感器安装在被测振动物体上，受到一个上下方向的振动。设物体的振幅位移为ｘ、惯性锤上下振动幅度为ｙ，且振动物体的振动频率为厂，系统的固有频率为ｆｏ，则当厶口厂时，ｙ与ｘ成正比；当ｆｏ口厂时，ｙ与ｄ２ｘ／ｄｔ２（即振动加速度）成正比；当ｆｏ≈ｆ时，Ｙ与ｄｘ／ｄｔ（即振动速度）成正比。因为Ｙ是弹性板件受振动力作用而产生应变函数，可以通过应变电桥的输出信号进行测量。所以针对振动频率厂，适当设定系统的固有频率厶并分别满足上述关系时，即可知道物体振动的幅度ｘ、振动速度ｄｘ／ｄｔ和振动加速度ｄ２４ｄｒ２。重庆大学硕士学位论文３．２应变式三轴加速度传感器结构设计基于实现对轴承低频三维振动加速度信号的有效测量，提出了两种新型应变式三轴加速度传感器结构。第一种为轮辐式应变三轴加速度传感器，第二种为悬臂梁式应变三轴加速度传感器。图３．２轮辐式应变三轴加速度传感器结构简图Ｆｉ９３．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｐｏｋｅｓｓｔｒａｉｎｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ轮辐式应变三维加速度传感器如图３．２所示。传感器由弹性元件１、螺钉孔２、固定胶３、质量元件４、应变片５组成。其中弹性元件前端为为圆柱形等截面梁，末端为轮辐式结构。质量元件为圆柱形结构，其一个端面与弹性体悬臂梁自由端用固定胶固结在一起。４个螺钉孔分别位于弹性体轮辐边缘环形结构上。应变片Ｒ、足、足、兄分别布置在弹性元件轮辐垂直方向辐条的中轴面的上下两侧，且靠近轮缘，与水平辐条中轴面的距离相同，组成一组全桥电桥，测量Ｚ方向的弯曲应变获取其加速度值，如图３．３所示。图３．３全桥差动图３．３Ｗｈｏｌｅｂｒｉｄｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｉｒｃｕｉｔ３新型应变式三轴加速度传感器的研究应变片Ｒ，与Ｒ分别布置在弹性元件悬臂梁垂直方向的中轴面的上下两侧，且靠近轮辐，组成一组半桥电桥，测量ｘ方向的弯曲应变获取其加速度值；应变片Ｒ。与Ｒ分别布置在弹性元件悬臂梁水平方向的中轴面的左右两侧，且靠近轮辐，组成一组半桥电桥，测量Ｙ方向的弯曲应变获取其加速度值，。应变片尺，、Ｒ。、Ｒ，、咫布片位置位于弹性元件同一截面上。组桥方式如图３．４所示。图３．４半桥差动图３．４Ｈａｌｆｂｒｉｄｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｉｒｃｕｉｔ悬臂梁式应变三轴加速度传感器如图３．５所示。传感器由三个相同质量元件ｍ，、ｍ小ｍ３和及三个相同圆柱形等截面梁弹性元件玑１２、如组成。／忑／／Ｉ．／／ｋ＿／１７“／。氍ｆｒ比．互Ｚ．／厂、１７ｒ搬＝，’ｙ。．／●≥ｑ，乓。‘ｒ矿、．ＬＪ－●Ｊ，｜暖／‘＿十ｒＪ／＃’。上－．Ｆ’＂，、，，／，，’一曼０＼■乓一●。－图３．５悬臂梁式应变三轴加速度传感器结构简图Ｆｉｇ．３．５ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＣａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｓｔｒａｉｎｔｈｒｅｅ―ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ在弹性元件Ｚ，靠近固定端的外圆柱面上，沿轴线方向均匀布置四片应变片；在弹性元件１２、１３靠近固定端的外圆柱面上，沿轴线方向各均匀布置两片应变片。应变片Ｒ。和Ｒ沿轴向布置在弹性体Ｚ，的ｚ轴线及ｘ轴所组成的平面上；应变片恐和Ｒ沿轴向布置在弹性体ｌｌ的ｚ轴线及Ｙ轴所组成的平面上，；应变片愿、Ｒ１９重庆大学硕士学位论文沿轴向布置在弹性体１２的Ｚ轴线及Ｙ轴所组成的平面上；尺，和足沿轴向布置在弹性体２３的Ｚ轴线及Ｙ轴所组成的平面上。各弹性体上布置的应变片所在截面距其弹性体自由端截面的距离为Ｌ。应变片冠和尼组成一组双臂电桥，测量ｘ方向的弯曲应变获取其加速度值；应变片Ｒ和Ｒｄ组成一组双臂电桥，测量Ｙ方向的弯曲应变获取其加速度值。如图３．６所示。图３．６半桥差动图３．６Ｈａｌｆｂｒｉｄｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｉｒｃｕｉｔ应变片恐、Ｒ６、Ｒ７和咫组成一组全桥电桥，测量Ｚ：孑向的弯曲应变获取其加速度值，如图３．７所示。图３．７全桥差动图３．７Ｗｈｏｌｅｂｒｉｄｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｉｒｃｕｉｔ比较上述两种新型应变式三轴加速度传感器，轮辐式应变三轴加速度传感器结构复杂，较难加工，而悬臂梁式应变三轴加速度传感器结构简单，易于加工装配，故选择其为理想的应变式三轴加速度传感器作为研究对象。２０３新型应变式三轴加速度传感器的研究３．３应变式三轴加速度传感器的动力学模型３．３．１传感器的动力学模型建模应变式三轴加速度传感器是通过测量惯性力作用下弹性元件应变来实现对加速度的测量。Ｆ（ｔ）＝ｍａ（ｔ）（３．１）式中：Ｆ（ｆ）＝（Ｃ，Ｅ，Ｅ）１，量；以（ｆ）＝（ｑ，口，，哎）１，Ｆｘ，Ｅ，Ｆ为三维惯性力分量；ｍ为质量块质吒，ａ，，哎为三维加速度分量。图３．５显示，传感器系统结构对称，可抵消质量块ｍ２和ｍ３所受惯性力对弹性体，』其他两方向产生的弯矩和扭矩之间的耦合影响。假设３个弹性元件玑１２、１３是同尺寸同材料的圆柱形截面梁，且３质量块ｍｌ、ｍ２、ｍ３尺寸相同，质量相等。任意方向谐波激励的复指数形式是：以么ａ时＝么。（３．２）４其３个质量块的动力学微分、万程为：（３．３）卜托（毫一ｘ．Ⅳ）＋霸（葺一％）＋乞（毫一乏）啦（＿一屯）＝。２ｍ：毫＋ｃ：（毫一毫）＋２尼：（ｘ：一＿）＝。卜托（计“）吲Ｙｌ－ＹＨ）＋Ｑ（计多：）啦（＂ｙ：）＝。２ｍ：豉＋ｃ：（多：一多。］＋２ｋ４（ｙ：一ｙ。）＝。ｍ，三。＋ｃ，（三。一ｚ二）＋包（ｚ１－ｚＨ）＋ｃ：（三。一二：）＋２ｋ６（ｚ。一ｚ：）＝。１２ｍ：三：＋ｃ：（二：一三。）＋２吃（ｚ：一ｚ。）＝。式中Ｋｌ一弹性元件ｌｌ的Ｘ方向弯曲刚度；Ｋ２一弹性元件易，如的Ｘ方向弯曲刚度；Ｋ３一弹性元件ＺＪ的Ｙ方向弯曲刚度；Ｋ４Ｋ。弹性元件易，１３的Ｙ方向压缩刚度；碰性亓：件Ｉ，的７青向乐缩冈Ｉ｜府．２ｌ～―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一～一一重庆大学硕士学位论文Ｋｏ一弹性元件易，／３的Ｚ方向弯曲刚度；Ｃ１～阻尼器１的阻尼系数；Ｃ２～阻尼器２，３的阻尼系数；ｍ１一质量块１的质量；ｍ２一质量块２，３的质量：ＸＨ被测物体Ｘ方向的绝对位移；Ｘ１一质量块ｍ１的Ｘ方向的绝对位移；Ｘ２～质量块ｍ２，ｍ３的Ｘ方向的绝对位移；Ｙ’Ｈ～被测物体Ｙ方向的绝对位移；Ｙｌ～质量块ｍｌ的Ｙ方向的绝对位移；Ｙ’２～质量块ｍ２，ｍ３的Ｙ方向的绝对位移；ＺＨ被测物体Ｚ方向的绝对位移；Ｚ１～质量块ｍ１的Ｚ方向的绝对位移；Ｚ２～质量块ｍ２，ｍ３的Ｚ方向的绝对位移。质量块１、２相对于振动物体的位移分别为：ｘ口２ｘｌ―ｘＨ’ｘｂ２ｘ２一ｘＨ２ｊＹⅡ２ｙ１一少Ⅳ，ＹｂｚａＹ２一ＹＨｏ（３．４）２ｚｌ―ｚＨ’ｚｂ２ｚ２一ＺＨ；因３弹性元件是同尺寸、同材料的圆柱形截面梁，且３质量块的质量相等，即：ｍｌ。ｍ２２Ｉｎ；ｅｌ＝Ｃ２＝Ｃ；ｋｌ＝ｋ２＝ｋ３＝ａｋ４＝ａｋｓ＝ｋ６＝ｋ，（３．５）将式（３．４）（３．５）带入公式（３．３），则：聊，毫＋ｑ毫＋盔吒＋乞（毫一毫）＋２恕（吒一屯）＝～聊。ｑ２，％毛＋巳（毛一毫）＋２红（％一吒）＝一２％吒，咒。Ｙ”ａ＋Ｃ１多。＋ｇＹａ＋ｃ：（多。一多。）＋２颤（Ｙａ－－Ｙｂ）＝一，％日，２ｍ：Ｙ”ｂ＋ｃ２（Ｙ‘ｂ―ｙａ）＋２缸（Ｙｂ－－Ｙ。）＝一２，卵：以，ｍ。三：＋ｃ１之＋吃乙＋ｃ：ｚｏ一艺］＋２丸（乙一Ｚ６）＝一聊，吒（３．６）２ｍ：之＋ｃ：（艺一艺］＋２丸（乞一乞）＝一２ｍ：哎３．３．２传感器幅频特性分析考虑稳态振动，可设特解为：Ｂ，露一’¨Ｂ、旷弹２Ｂ、￡一弹、￡ｊ“Ｂ４ｅ一７Ｐ２Ｂｓｇ一。矿１（３．７）％％儿％乞乙Ｂ６粤一’妒２则解为：４∞２聊屉ｉ刃ｉ万及＝（３．８）壤＝令％。、ｃｏ．：为系统的无阻尼固有频率；Ａ＝ｉＣＯ岫＝Ｏ，）ｎ１２ｍ尼嘞２％ｚ２詈、％ｌ尼，ｃＣ善＝２ｍｏｏ．１、口』＝ＡｘＣ０２、口ｙ＝Ａｙ０９２、口ｚ＝Ａｚｃ０２（３．９）２３重庆大学硕士学位论文将式（３．９）带入公式（３．８），惯性式加速度传感器质量快的相对位移与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移来反映被测振动加速度的大ｄ、，加速度传感器幅频特。Ａａ（∞）的表达式为：丸（小斟丽ＢＩ一州＝斟＝参＝删一－爿＝嘉＝删２剀２４９毋２＝州一．斟＝参＝抓五万面丽（３．１０）忽（小斟＝４９∥２一当彳，口１，即传感器的∞远小于％，，此时Ａａ（∞）≈常数，由此可见，惯性式传感器的输出能量能正确反映被测振动的加速度。３．４传感器性能分析与参数优化任何传感器的输出与输入关系不会是完全符合所要求的线性或非线性的关系。衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、重复性、迟滞、灵敏度、固有频率、阈值和分辨力、时间漂移、零点和灵敏度温度漂移【４２１。传感器的滞后、线性度等问题可通过采用良好的整体结构得到很好的解决，温度效应可通过布片及电桥运算消除。因此，传感器的固有频率和灵敏度是需要关注的两项主要性能指标。加速度传感器Ｘ方向响应固有频率与灵敏度为：２４３新型应变式三轴加速度传感器的研究衍ｊ１１墅４－、／＇ｉ２３Ｅｒｃｄ４只＝占＝３ｍｇｌ／（ＥＷ）＝３ｍｇｌ／（Ｅｚｄ３／３２）加速度传感器Ｙ方向响应固有频率与灵敏度为：（３．１１），１／一（，）２芴Ｓｙ＝占＝３ｍｇｌ／（ＥＷｌ＝３ｍｇｌ／（Ｅｒｃｄ３／３２）加速度传感器Ｚ方向响应固有频率与灵敏度为：（３．１２），１／巾）２瓦Ｓｚ＝占＝ｍｇｌ／（ＥＷ）＝ｍｇｌ／（Ｅｒｃｄ３／３２）（３．１３）式中：Ｅ为ＬＹｌ２的弹性模量；ｄ为弹性元件截面圆直径；，为弹性元件长度；ｍ为质量块质量。固有频率和灵敏度是弹性体的两个重要性能指标，实际中固有频率和灵敏度存在矛盾，灵敏度增加会导致固有频率的下降。为了兼顾这两项重要性能指标，．为优选应变式三轴加速度传感器结构参数，需在传感器安装空间限制范围内对结构参数进行组合排列，考虑到实际可能组合方案较多，为提高优选效率，采用正交试验设计法对传感器结构参数进行优化。①正交试验设计方法简介正交试验设计方法是根据数理统计学的原理，从大量的试验点中挑选适量的具有代表性的试验点，应用一种标准化了的“正交表”来合理安排多因素实验的一种科学方法，根据这种方法，人们只要做较少次数的实验就能得到比较满意的结果［４３１。１１指标进行一项实验，首先要明确实验的目的，以及如何考察它的效果。一般把实验需要考察的称为实验指标。能够用数量表示的实验指标，称为定量指标，例如质量、尺寸、速度、温度、压力等。不能用数量表示的指标称为定性指标，如颜色、外观等。２）因素２５重庆大学硕士学位论文对实验指标产生影响的原因称为因素。因素是在实验中应该加以考察的重点内容。在实验中能够人为的加以控制和调节的一类因素称为可控因素。如转速、吃刀量、吃刀深度、加热温度、保温时间等。由于实验条件受到限制，暂时还不能人为的加以调节和因素称为不可控因素。实际问题一般较复杂，试验的影响因素较多。在多因素、多水平试验中，若对每个因素每个水平相互搭配进行全面的试验，试验次数就很多。人们在实践中发现，理想的结果的获取并不需要进行全面试验。正交试验设计就能有效地解决这个问题。正交表是正交设计的主要工具，它是一种特制的表格。以Ｌ。３４为例来说明，介绍表的记号及特点，正交表的格式如表３．１所示。Ｌ９３４中字母Ｌ为正交表；数字９表示表明此表有９行，说明进行了９次试验；数字４表明此表共有４列，说明此表可安排４个因素；数字３表明在表的主体部分只出现１、２、３这三个数字，它们分别代表了因素的３个水平，说明各因素都ｍｋ为３个水平。正交表一般记为Ｌ（。），咒为表的行数，即进行试验的次数；ｎ为表中列数，即因数的个数；ｍ为各因素的水平数。正交表有以下两条重要性质：ａ．每列中的不同数字出现次数相等。ｂ．任意的两列中，若将同一行的两个数字看为有序数对时，则每种数对出现的次数相等。由于正交表的具有上述性质，用它来安排试验时，各因素各水平搭配均衡，这正是正交表的优点。表３．１正交表ｋ３４Ｔａｂｌｅ３．１ＯｒｔｈｏｇｎａｌｔａｂｌｅＬ９３４试验号１２３４２６３新型应变式三轴加速度传感器的研究②试验指标与因素的选取影响传感器固有频率、灵敏度及综合性能指标的因素主要有弹性元件长度Ｚ、弹性元件截面直径ｄ、质量块质量ｍ。若对所有不同因素可能取值加以组合，则计算量太大并且不能达到预期目的。因此应用正交试验设计方法，较全面分析弹性元件的结构尺寸和质量块的质量参数对传感器固有频率、灵敏度及综合性能指标的影响，最大限度减小计算量。正交试验就选取这三个参数作为试验因素。根据实际情况选取３作为每个因素的水平数，每个因素按照一定幅度递增。其正交试验水平表如表３．２所示。表３．２加速度传感器正交试验水平表Ｔａｂｌｅ３．２Ｏｒｔｈｏｇｎａｌｔｅｓｔｌｅｖｅｌｔａｂｌｅｏｆａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ③正交试验表的选用由表３．１＿可知这是一个３因素３水平的试验，根据正交试验设计方法，应该选用Ｌ。３４型正交表。由于只讨论弹性体的直径ｄ、弹性体的长度ｌ、质量块的质量ｍ三个因素的影响，故取正交试验表的前三列因素，第四列不要。把３个因素依次放入表中前３列（第４列不要），将各列的水平及该列相应因素具体水平对应起来，得到如表３．３所示的具体试验方案。④正交试验的结果根据正交试验的设计，分别对不同尺寸下传感器的Ｘ、Ｙ、Ｚ轴向的灵敏度、固有频率及综合性能指标进行分析。在此着重分析了弹性体的直径ｄ、弹性体的长度ｌ、质量块的质量ｍ三个因素对灵敏度、固有频率和综合性能指标的影响。１）按照所设计的正交试验表要求，由公式（３．１１）计算传感器ｘ方向固有频率、灵敏度及综合性能指标。结果列于表３．３。２７重庆大学硕士学位论文根据正交试验计算结果，采用极差分析法确定弹性元件截面直径ｄ、弹性元件长度，、质量块质量ｍ三因素对传感器固有频率、灵敏度及综合性能指标影响的主次关系。结果列于表３．４、表３．５及表３．６。表中Ｋ，（ｆ＝：ｌ，２，３）是各因素中各水平所对应的各次试验结果数据之和，厶（ｆ－１，２，３）＝Ｋｉ／３，是各水平所对应的各次试验结果数据之和的均值。极差值为同一列中厶的最大值与最小值的差值，极差值越大表明其因素水平的改变对试验指标的影响越大。各因素对模型Ｘ方向振动的固有频率、灵敏度以及综合性能指标的极差分析如表３．４、表３．５、表３．６所示。表３．４各因素对固有频率的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．４Ｒａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｎａｔｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ表３．５各因素对灵敏度的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．５Ｒａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ表３．６各因素对综合性能指标的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．６Ｒａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘ表３．６显示，各因素对综合性能的影响因素从主到次依次为弹性元件直径、质量块质量、弹性元件长度，得到最佳方案为ｄ１４．０１ｌｍ２。此时，弹性元件直径为ｇ。ｍｍ、弹性元件长度为１１．０ｍｍ、质量块质量为７．０２）按照所设计的正交试验表要求，由公式（３．１２）计算传感器Ｙ方向固有频率、灵敏度及综合性能指标。结果列于表３．７。２９重庆大学硕士学位论文表３．７正交表与分析计算结果Ｔａｂｌｅ３．７Ｏｒｔｈｏｇｎａｌｔａｂｌｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ各因素对模型Ｙ方向振动的固有频率、灵敏度以及综合性能指标的极差分析如表３．８、表３．９、表３．１０所示。表３．８各因素对固有频率的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．８Ｒａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｎａｔｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ３０表３．９各因素对灵敏度的影响的极差分析―――――――――――――――――――――――――――●―――――――――――――――＿＿＿―――――――――――――――一一ｄＫ，Ｋ＇１６．９７８．６０４．９７５．６６２．８７１．６５，８．７９１０．３２１１．４２２．９３３．４４３．８１１鲨！！！：！垦竺兰竺兰！翌堡！！！兰！竖竺！！！呈！！竺二！望．．．――ｍ８．５１１０．０５１１．９７２．８４３．３５３．９９ｋＬ，ｋＬ＾极差．！：！！！：！！！：！！表３．１０各因素对综合性能指标的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．１２ＲａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｔｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｄＫ】Ｋ２Ｋ３Ｌ】Ｌ，Ｌ１２１５６５１９３２５１６８８５７１８８．４６４４１．７５６２８．４１５５９．９，２０６１５１９３１７１７８４４６８７１．５６４３８．９５９４８．１９２３．４７ｍ１８０９９１９４１８２０２５８６０３３６４７２．８６７５２．７１８０９９极差表３．１２显示，各因素对综合性能的影响因素从主到次依次为弹性元件直径、质量块质量、弹性元件长度，得到最佳方案为ｄｌ４．０１１ｍ３。此时，弹性元件直径为ｇ。ｍｍ、弹性元件长度为１１．０ｍｍ、质量块质量为８．０③按照所设计的正交试验表要求，由公式（３．１３）计算传感器Ｚ方向固有频率、灵敏度及综合性能指标。结果列于表３．１３。３１一――――――――――――――――――――――――――――――一――――――――一重庆大学硕士学位论文表３．１１正交表与分析计算结果一――――――――――――――――――――――――――――――――――――＿―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――＿――一Ｔａｂｌｅ３．１１Ｏｒｔｈｏｇｎａｌｔａｂｌｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ各因素对模型Ｚ方向振动的固有频率、灵敏度以及综合性能指标的极差分析如表３．１２、表３．１３、表３．１４所示。表３．１２各因素对固有频率的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．１２Ｒａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｎａｔｕｒｅ仔ｅｑｕｅｎｃｙ３２３新型应变式三轴加速度传感器的研究表３．１３各因素对灵敏度的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．１３Ｒａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｄ，ｍ表３．１４各因素对综合性能指标的影响的极差分析Ｔａｂｌｅ３．１４Ｒａｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘ表３．１４显示，传感器综合性能指标的影响因素从主到次依次为弹性元件直径、质量块质量、弹性元件长度。以综合性能指标为优化目标，最佳方案为ｄｌｌｌｍ，，即弹性元件直径取第一水平，弹性元件长度取第一水平，质量块质量取第三水平。此时，弹性元件直径为４．０ｍｍ、弹性元件长度为１１．０ｍｍ、质量块质量为８．０ｇ。综合三轴应变式加速度传感器Ｘ、Ｙ、Ｚ三方向固有频率、灵敏度及综合性能指标的正交试验与极差分析，以综合性能指标为优化目标，最佳方案为ｄｌ‘聊，。此时，弹性元件直径为４．０ｍｍ、弹性元件长度为１１．０ｍｍ、质量块质量为８．０如表３．１５所示。ｇ。重庆大学硕士学位论文表３．１５加速度传感器的结构参数Ｔａｂｌｅ３．１５Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ应变式三轴加速度传感器的Ｘ、Ｙ、Ｚ轴向固有频率及灵敏度分别『为：ｏ厂’、＝１２９６．８Ｈｚｎｌ工ＪＳｉｎ＝５．８８ｋｔｃｆｇｏ甩Ｉｆ，、＝１４４２．６ＨｚＶｌＳｔｎ＝５．８８／ａｃ魄ｏ（３．１４）ｆ，、＝２４４４．２Ｈｚｎ１２Ｉ薯：１＝２．０６∥ｓ／ｇ弹性元件的应变设定不大于１０００９ｅ，传感器的量程是：‰。２罂２等硼叫ｇ如果安全系数ｎ取２．５，传感器的实际量程是６８９。（３．１５）３．５传感器设计要求及材料选择一应变式三轴加速度传感器结构设计包括弹性元件的设计以及传感器弹性元件和质量块结合方式的整体设计。弹性元件是应变式加速度传感器的核心部分。工作时，它将被测物体加速度产生的惯性力转化为弹性元件的应变，通过贴在弹性元件上的应变片测出应变大小和方向，建立加速度与应变之间的确定关系。传感器的整体结构则对于传感器不同方向加速度测量的准确性至关重要，选择对称式结构能够有效抵消传感器所受惯性力对其它方向弯矩和扭矩之间的耦合影响。３．５．１弹性元件的设计原则弹性元件设计应满足以下原则【４１］：①结构简单弹性元件力求用最简单的结构形式，这样能够简化加工工艺，保证加工质量，降低成本，便于制造，且结构越简单滞后性与非线性度也越小。②刚性良好为了’使得传感器性能稳定，实现高精度测量，准确表征输入信号的情况，应尽量使弹性元件在惯性力作用下的弹性位移小，即使其具有良好的刚度。③结构的整体性弹性元件应避免组合形式，尽量具有整体性，这是由于焊接变形、紧固部位松动、滑动位移等因素都会对传感器的可靠性、重复性及滞后性能带来潜在的甚３新型应变式三轴加速度传感器的研究至严重的影响。④对作用力位置变化不敏感弹性元件应变敏感区的应力分布只随作用力的大小变化，避免受干扰力或作用点的位置、作用力的方向变化等因素的影响，或者这种影响是能通过电桥消除的。⑤弹性元件工作区应有良好的线性弹性元件应变工作敏感区（粘贴应变片的有效工作区）应变与力的线性关系是传感器进行线性变化的基础和前提。⑥弹性元件工作区应具有最大应变值弹性元件工作区在额定的负载工作范围内应具有较高的灵敏度及较好的疲劳寿命。⑦工作区的最佳额定应变值对于应变式加速度传感器来说，其最大工作应变一般不超过１０００∥占。３．５．２传感器元件的材料选择弹性元件材料应满足以下原则【４ｌｊ：①弹性元件材料的弹性模量弹性元件材料的弹性模量会直接影响传感器的固有频率及灵敏度等重要性能指标。材料的弹性模量在传感器量程内保持不变可保证在弹性元件结构是线性时，应变片粘贴处的应变与力、位移等物理量之间为线性关系。②弹性元件材料的强度弹性元件材料的比例极限要高。这样弹性元件的工作应变区大，相应的传感器的输出信号也大，并且要求材料的疲劳强度要高。③弹性元件材料的线膨胀系数要求弹性元件线膨胀系数小。当外界温度改变时，弹性元件产生变形，材料的线膨胀系数越大，变形也就越大。该变形将会使弹性元件中产生内应力，引起传感器的灵敏度和温漂的变化。④弹性元件材料的工艺性能及价格要求弹性元件材料的工艺性能好。易锻造、焊接，便于机械加工和热处理等，而且价格要便宜。根据传感器的量程和使用要求，选取ＬＹｌ２为弹性元件材料。ＬＹｌ２属于硬铝合金（铝一铜一镁系），其机械性能优良，特别是屈服比高、比重小、强度大，是制造小量程传感器弹性元件的理想材料，其材料属性如表３．１６所示。重庆大学硕士学位论文表３．１６弹性元件材料属性Ｔａｂｌｅ３．１６Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｅｌｅｍｅｎｔ选取铜为质量块材料。铜的材料属性优良，弹性模量大、密度大，ｊ不易变形，是制造应变式传感器质量块的理想材料，其材料属性如表３．１７所示。表３．１７质量块的材料属性Ｔａｂｌｅ３．１７Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｓｓｂｌｏｃｋ３．６传感器有限元模型与仿真分析３．６．１传感器的有限元模型应变式三轴加速度传感器的弹性元件材料为硬铝ＬＹｌ２，质量块材料为铜。①单元选取为了验证应变式三轴加速度传感器动力学模型的有效性，同时进一步分析应变式三轴加速度传感器的动态特性，建立了有限元分析模型，如图３．８所示。其中，用梁单元替代杆单元，质量块用质量单元代替，可简化模型，提高计算效率。模型共包括１９９个单元和１９７个节点。量陀‘弹／∥一』赫ｍ／‰ｍ）ｏ＾－¨．图３．８传感器有限元模型Ｆｉｇ３．８Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ３６３新型应变式三轴加速度传感器的研究②约束处理分析应变式三轴加速度传感器ｘ方向的模态和动态响应时，约束弹性元件底座Ｙ、Ｚ向位移和绕Ｚ轴转动；分析应变式三轴加速度传感器Ｙ方向的模态和动态响应时，约束弹性元件底座ｘ、Ｚ向位移和绕Ｚ轴转动；分析应变式三轴加速度传感器ｚ方向的模态和动态响应时，约束弹性元件底座Ｘ、Ｙ向位移和绕Ｚ轴转动。３．６．２模态分析在ＡＮＳＹＳ中，模态分析又称为结构的固有特性分析。模态分析是一种用于确定设计结构振动特性的分析方法，通过模态分析可确定设计结构的固有频率。模态分析结果可作为瞬态动力学及谐响应分析等其它动力分析的基础［４４１。对新型应变式三轴加速度传感器的有限元模型进行模态分析时，边界条件与其工作状态一致。模态分析计算自由振动，不施加外部载荷。通过分析得到传感器的一阶、二阶、三阶固有频率如表３．１８所示，振型如图３．９、图３．１０、图３．１１所示。图３．９加速度传感器Ｘ方向的振型Ｆｉｇ３．９ＶｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｘｄｉｒｅｃｔｉｏｎＦｉｇ３．１０加速度传感器Ｙ方向的振型Ｆｉｇ３．１０ＶｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ３７重庆大学硕士学位论文Ｆｉｇ３．１１加速度传感器Ｚ方向的振型ｚＦｉｇ３．１１Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎ由分析结果可知，传感器的一阶、二阶以及三阶固有频率与理论计算固有频率值极接近，分别激起了加速度传感器Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的振动。表３．１８传感器的固有频率Ｔａｂｌｅ３．１８Ｎａｔｕｒａｌ丹ｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ３．６．３动态响应性能分析利用ＬＳ．ＤＹＮＡ软件，对新型应变式三轴加速度传感器的动态响应进行了仿真分析。即，在弹性元件，，固定端Ｚｏ处分别施加Ｘ、Ｙ、Ｚ方向幅值为么频率为．厂的正弦位移激励（ｆ在Ｏ～２磊内取系列值），经仿真计算获得了频响特性。如图３．１２、图３．１３、图３．１４所示。在仿真传感器Ｘ方向的动态响应时，输入位移激励的函数形式为：ｘ＝ｓｉｎ（２ｚｃｆｉ），ｆ分别在０－２厶内取系列值。ｆｘ．取固有频率１１３８．７Ｈｚ。在仿真传感器Ｙ方向的动态响应时，输入位移激励的函数形式为：ｙ＝ｓｉｎ（２万∥），ｆ分别在０－２厶内取系列值。工。取固有频率１２７８．６Ｈｚ。在仿真传感器Ｚ方向的动态响应时，输入位移激励的函数形式为：ｚ＝ｓｉｎ（２ｚｃｆｉ），ｆ分别在０－２厶内取系列值。厶取固有频率２４２９．６Ｈｚ。３新型应变式三轴加速度传感器的研究理论值ｆ一一有哦元仿真值－●一一●●－－一一＿。‘’、ｐ一Ｌ一一Ｊ二／少繁。●?一－Ｊ＼－－●●＿？…＼｛ｉｔ图３．１２质量块１的Ｘ方向动态响应性能曲线Ｆｉｇ３．１２ＤｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｓｓｏｎｅ理论值１一一有限元仿真值＊’一孵’●／｝１，＿Ｊ－－－＿＿。／＝』…，ｄ算Ｅ二一一｝●●●●＿Ｊ－ｌＩ一－－。．…．＊…ｎ苓ｉ图３．１３质量块１的Ｙ方向动态响应性能曲线Ｆｉｇ３．１３ＤｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｓｓｏｎｅ理论值１～一有躁元仿真值…：舅?。∥｛ＲＨ…一ｔｆ孓图３．１４质量块２的Ｚ方向动态响应性能曲线Ｆｉｇ３．１４ＤｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｐｅｒｆｏｒｍｍａｃｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｓｓｔｗｏ３９重庆大学硕士学位论文图３．１２，图３．１３和图３．１４同时显示了动力学模型计算的结果，其有限元仿真值与理论值的对应良好，建立的应变式三轴传感器的动力学模型能够很好反映了传感器的动态特性，验证了其正确性，同时也验证了应变式三轴加速度传感器具有良好的低频特性。图＝；．１２，图３．１３和图３．１４的结果显示，当频率ｆ小二于二１７５Ｈｚ时，处于线性范围；当ｆ大于１７５Ｈｚ时，则进入非线性区域，所以设计的应变式三轴加速度传感器的工作频率范围是Ｏ～１７５Ｈｚ，符合监测轴承低频故障信号特征的要求。３．７传感器的加工制造３．７．１传感器实体结构应变式三轴加速度传感器弹性元件与质量元件通过数控加工完成。弹性元件为等截面圆柱结构，材料为硬铝ＬＹｌ２，需要经过淬火处理与回火处理，安排好工艺与切削量，最后成型的切削量不得大于２０／．ｔｍ，对贴片部位，最后要进行研磨加工；三质量元件为等截面方形结构，材料为黄铜。通过弹性元件与质量元件间形成过盈配合，构成应变式三轴加速度传感器，如图３．１５所示。图３．１５应变式三轴加速度传感器Ｆｉｇ．３．１５Ｅｎｔｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ３．７．２应变片的布片和组桥①．应变片的选用由于箔式应变片较丝式应变片相比，具有线栅线条均匀、横向效应小、允许电流大、柔性好、蠕变小、疲劳寿命长等优点，故新型应变式三轴加速度传感器选用ＫＦＧ型箔式应变片，丝栅长度为１ｍｍ，灵敏度系数为２．１，标称电阻值为】２０Ｑ。３新型应变式三轴加速度传感器的研究②．布片位置和组桥应变式三轴加速度传感器的应变片布置及三维关系，如图３．１５所示。对于应变片足、足、足将应变的变化转化为电阻的变化，而电阻的变化量通常采用直流电桥作为测量电路来测量。应变式三轴加速度传感器Ｘ方向应变测量电路如图３．１６所示。它有４个纯电阻的桥臂，传感器应变片冠的电阻可以充任其中任意一个桥臂，应变仪内部提供另外三个电阻蜀：、Ｒ１，、Ｒ１。充任其余桥臂。ＵＦ为电源电压，Ｕ：为输出电压，尺，为负载电阻，由此可得桥路输出电压为：图３．１６直流电桥图３．１６叽２志％一彘Ｒ％＝％辞‰‘Ｄｉｒｅｃｔ―ｃｕｒｒｅｎｔｂｒｉｄｇｅ置＋墨２。墨３＋，。。。（Ｒ＋蜀２）（墨３＋墨。）㈦㈣显然，当置Ｒ。＝Ｒ１：Ｒ１，时，电桥平衡，桥路输出电压％为零。如电桥中Ｒｚ为应变片，它随被测参数变化而变化，Ｒ，：、Ｒ，与Ｒ１。为固定电阻。当被测参数的变化引起电阻变化△月。时，即ＲＩ＝Ｒ＋觚，则桥路平衡被破坏，产生电桥输出不平衡电压～一一上鱼堂．．塑。。二墨２墨３Ｌ一―（Ｒ１－．１－／螺１－ｉ１―２）（Ｒ１３－．｛－．Ｒ１４）Ｒ１ｒｒＵＲ１ｒ一墨Ｒ。一Ｒｌ：Ｒ１３＋量。皑ｒ％占（墨＋皑＋墨２）（蜀３＋４）。亡％２丙五再瓦丽了丽Ｒｌ因为Ｒ。Ｒ。。－Ｒ１：Ｒ１３＝０，所以上式将变为吁一Ｒ１４ＡＲｘ吣碡翔％鱼竺４１重庆大学硕士学位论文桥臂比Ｒ。／置：＝墨，／Ｒ。。＝１，略去分母中△Ｒ／墨，则桥路输出电压为ｕ，：丝竺：丝Ｋ占‘４Ｒ４应变式三轴加速度传感器Ｙ方向与Ｚ方向应变测量电路同Ｘ方向测量电路相同。３．８传感器的标定实验传感器在制造装配完毕后需要进行标定，以保证测量值准确地传递。传感器的动静态标定是利用一定等级的仪器及设备产生已知的非电量作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量。然后将传感器的输出量与输入量作比较，从而得到一系列数据或曲线。通过对数据和曲线的分析处理，得到其动静态特性过程【４５｜。新型应变式三轴加速度传感器的灵敏度标定实验采用绝对标准法。通过一套标准装置激励被标定的加速度传感器，测出被标定传感器的输出电量和激励设备的振动频率与振幅，再计算出被标定传感器的灵敏度。应变式三轴加速度传感器的标定系统由Ｋｉｓｔｌｅｒ８９２１ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｈａｋｅｒ型激振器、ＤＲＡ．３０应变仪、计算机和分析软件组成。标准激励装置能产生频率为１６０Ｈｚ，幅值为１９的正弦加速度激励。标定实验装置如图３．１７所：示。图３．１７应变式三轴加速度传感器标定实验装置Ｆｉｇ．３．１７Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｏｆｓｔｒａｉｎ３－ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒＫｉｓｔｌｅｒ８９２１ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｈａｋｅｒ型激振器只能提供轴向正弦激励，故在对应变式三轴加速度传感器Ｘ方向灵敏度进行标定时，传感器布置方式如图３．１８所示。４２３新型皇銮壅三塑！！望鏖堡壁墨塑婴壅――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一一振动激励源ｌ图３．１８传感器Ｘ方向灵敏度标定简图ｆｏｒＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎＦｉ９３．１８Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ标准激励装置产生幅值为１．０２９、频率为１６０Ｈｚ的轴向正弦加速度激励，应变仪采集的应变式三轴加速度传感器Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的振动加速度信号如图３．１９、图３．２０、图３．２１所示。∞孙竹ｕｏｎ，制堪ｍ圆霉：图３．１９传感器ｘ方向振动信号ＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎＦｉ９３．１９Ｓｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒ４３一――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一～～重庆大学硕士学位论文图３．２０传感器Ｙ方向振动信号Ｆｉ９３．２０ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ图３．２１传感器Ｚ方向振动信号Ｆｉ９３．２１ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎ对应变式三轴加速度传感器Ｘ方向标定，传感器Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的振动加速度信号的ＲＭＳ值如图３．２２、图３．２３、图３．２４所示。图３．２２传感器Ｘ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．２２ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒ４４Ｘｄｉｒｅｃｔｉｏｎ图３．２３传感器Ｙ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．１７ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ图３．２４传感器Ｚ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．１８ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎ根据所求得的Ｘ、Ｙ、Ｚ方向振动信号的ＲＭＳ值，计算其ＲＭＳ均值，如表３．１９所示。表３．１９振动信号ＲＭＳ均值Ｔａｂｌｅ３．１９ＶｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｖｅｒａｇｅＲＭＳ―――――――――――――――――――――――――――――一――――――――――――――――――――――――――――――――――――一振动信号ＲＭＳ均值１０．４５３．８０２．６５Ｘ方向桥路Ｙ方向桥路Ｚ方向桥路４５～――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一～～重庆大学硕士学位论文应变式三轴加速度传感器Ｘ方向灵敏度为：足２酱划筋驯ｇ则Ｘ方向加速度测量值对Ｙ方向及Ｚ方向测量影响为：２赢灯００％《＆姒ｋ：三：鱼业×１００％：２５．３％２赢×２孓砒ｋ彭＃！：！Ｑ丝×１００％：３６．３％ｂＫｉｓｔｌｅｒ８９２１ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｈａｋｅｒ型激振器只能提供轴向正弦激励，故在对应变式三轴加速度传感器Ｙ方向灵敏度进行标定时，传感器布置方式应如图３．２５所示。振动激励源ｌ图３．２５传感器Ｙ方向灵敏度标定简图Ｆｉ９３．２５ＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｆｏｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ当标准激励装置产生Ｙ方向的振动时，应变仪采集的应变式三轴加速度传感器各方向振动信号如图３．２６、图３．２７、图３．２８所示。――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――＿――――――――――――一一！堑型查銮壅三塑塑望壁堡壁矍堕婴窒图３．２６传感器ｘ方向振动信号Ｆｉ９３．２６ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎ∞∞∞ｏ兰、制逍∞锄锄图３．２７传感器Ｙ方向振动信号Ｆｉ９３．２７ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ图３．２８传感器Ｚ方向振动信号Ｆｉ９３．２８ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎ４７一―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一一重庆大学硕士学位论文对应变式三轴加速度传感器Ｙ方向标定，传感器Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的振动加速度信号的ＲＭＳ值如图３．２９、３．３０、３．３１所示。ｕ，∞芏譬图３．２９传感器ｘ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．２９ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎ图３．３０传感器Ｙ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．３０ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ４８３新型应变式三轴加速度传感器的研究――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一图３．３１传感器Ｚ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．３１ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎ根据所求得的Ｘ、Ｙ、Ｚ方向振动信号的ＲＭＳ值，计算其ＲＭＳ均值，如表３．２０所示。表３．２０振动信号ＲＭＳ均值Ｔａｂｌｅ３．２０ＶｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｖｅｒａｇｅＲＭＳ振动信号ｘ方向桥路Ｙ方向桥路Ｚ方向桥路ＲＭＳ均值２．３５１３．８０１．９０应变式三轴加速度传感器Ｙ方向灵敏度为：ｓ＝尝娟粥驯ｇ则Ｙ方向加速度测量值对Ｘ方向及Ｚ方向测量影响为：～＝丽２．３５画／．ｔｃ×１。。％＝１７?。％ｙｚ％．：％×坐：２赢×２‘Ｋｉｓｔｌｅｒ８９２１ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｈａｋｅｒ型激振器只能提供轴向正弦激励，故在对应变式三轴加速度传感器Ｚ方向灵敏度进行标定时，传感器布置方式应如图３．３２所示。４９重庆大学硕士学位论文振动激勖源｝图３．３２传感器ｚ方向灵敏度标定简图Ｆｉ９３．３２ＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｆｏｒＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎ当标准激励装置产生Ｚ方向的振动时，应变仪采集的应变式三轴加速度传感器各方向振动信号如图３．３３、图３．３４、图３．３５所示。图３．３３传感器Ｘ方向振动信号Ｆｉ９３．３３ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎ善制嗵图３．３４传感器Ｙ方向振动信号Ｆｉ９３．３４ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ兰制埘图３．３５传感器Ｚ方向振动信号Ｆｉ９３．３５ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｆｏｒＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎ对应变式三轴加速度传感器Ｚ方向标定，传感器Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的振动加速度信号的ＲＭＳ值如图３．３６、３．３７、３．３８所示。５１图３．３６传感器ｘ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．３６ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎ图３．３７传感器Ｙ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．３７ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎ图３．３８传感器Ｚ方向振动信号ＲＭＳ值Ｆｉ９３．３８ＳｅｎｓｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌＲＭＳｆｏｒＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎ５２３新型应变式三轴加速度传感器的研究根据所求得的Ｘ、Ｙ、Ｚ方向振动信号的ＲＭＳ值，计算其ＲＭＳ均值，如表３．２１所示。表３．２１振动信号ＲＭＳ均值Ｔａｂｌｅ３．２１ＶｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｖｅｒａｇｅＲＭＳ振动信号Ｘ方向桥路Ｙ方向桥路Ｚ方向桥路ＲＭＳ均值２．８５２．７８６．３１应变式三轴加速度传感器Ｚ方向灵敏度为：逆＝酱地均刚ｇ则Ｚ；ｂ－向加速度测量值对Ｘ方向及Ｙ方向测量影响为：ｋ＝畿枷‰４¨％ｂ＝淼枷‰４嘶％３．９本章小结本章对应变式三轴加速度传感器进行了研究，得到如下结论：①固有频率和灵敏度是弹性体的两个重要性能指标，实际中固有频率和灵敏度存在矛盾，灵敏度增加会导致