本發(fā)明涉及一種測(cè)量轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼的的方法，尤其涉及一種精確測(cè)量細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼的方法。

背景技術(shù)：

磁懸浮電機(jī)技術(shù)的日趨成熟，其應(yīng)用也越來越廣泛，比如在航空航天領(lǐng)域的磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺，在工業(yè)生產(chǎn)中的高能量密度電機(jī)，在清潔能源領(lǐng)域的磁懸浮空氣壓縮機(jī)、分子泵等。磁懸浮電機(jī)能夠廣泛應(yīng)用主要是因?yàn)槠渚哂懈咿D(zhuǎn)速、無接觸、無摩擦、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)是采用了細(xì)長(zhǎng)軸控制支承轉(zhuǎn)子高速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。因而細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子在整個(gè)系統(tǒng)中尤為重要，精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的各項(xiàng)參數(shù)是很重要的，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性都產(chǎn)生重大影響。

目前，測(cè)量轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼，主要有半功率帶寬法、修正半功率帶寬法以及模態(tài)擬合法。由于半功率帶寬法和修正半功率帶寬法在頻域內(nèi)進(jìn)行，必須進(jìn)行FFT變換，能量泄漏無法避免，導(dǎo)致影響測(cè)量轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼的精度。同時(shí)模態(tài)擬合法需要良好的工作條件，比如激勵(lì)條件充分、很好的信噪比、足夠的頻率分辨力，并且，模態(tài)擬合法實(shí)施困難，對(duì)設(shè)備有很高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用振動(dòng)加速度傳感器，再通過示波器的分析處理，提高了測(cè)量細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼的精度和效率，并且降低了方法實(shí)施的難度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種測(cè)量細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼的方法，包括以下步驟：

(a)錘擊靜態(tài)水平放置的細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子，貼裝在轉(zhuǎn)子表面的振動(dòng)加速度傳感器檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)，采集振動(dòng)加速度傳感器輸出信號(hào)X_OUT和Y_OUT，采集的信號(hào)分別經(jīng)過低通濾波電路后以差動(dòng)形式接入放大電路，輸出電壓U_OUT。X_OUT和Y_OUT為振動(dòng)傳感器采集的原始信號(hào)，U_OUT為輸出的電壓信號(hào)，直接連入示波器中。

(b)示波器將電壓信號(hào)U_OUT進(jìn)行處理，處理成以周期為T_d的余弦信號(hào)，可以測(cè)出余弦信號(hào)的峰值，并且模態(tài)頻率ω_n可直接由示波器讀出，因?yàn)槭静ㄆ魈幚碇蟮男盘?hào)單位為dBV，即將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為分貝信號(hào)，因而，讀出示波器第i個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_i}和對(duì)應(yīng)時(shí)間T_i以及第i+1個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_i+1}和對(duì)應(yīng)時(shí)間T_i+1，確定第i個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_i}與第i+1個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_i+1}之差的絕對(duì)值為ΔU_dB，并且如下式所示：

ΔU_dB＝|U_{dB_i}-U_{dB_i+1}|

其中i＝1，2，3，……，N，N為示波器采樣點(diǎn)數(shù)，第i個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U_i，即未進(jìn)過示波器處理的第i個(gè)周期的最大電壓峰值，可用下式表示：

20lgU_i＝U_{dB_i}

其中第i+1個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U_i+1，即未進(jìn)過示波器處理的第i+1個(gè)周期的最大電壓峰值，可用下式表示：

20lgU_i+1＝U_{dB_i+1}

其中：T_d為兩個(gè)峰值之間的時(shí)間差，即余弦信號(hào)周期，可用下式表示：

T_d＝T_i+1-T_i

(c)測(cè)出的ΔU_dB＝|U_{dB_i}-U_{dB_i+1}|經(jīng)過以下算法公式，可直接求出內(nèi)阻尼公式如下：

轉(zhuǎn)子脈沖響應(yīng)如下：

其中：A為脈沖響應(yīng)幅值；ζ為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼；ω_n為模態(tài)頻率；t_i為時(shí)間；θ是脈沖響應(yīng)的相位角。

第i個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U_i，如下式所示：

第i+1個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U_i+1，如下式所示：

將U_i和U_i+1相比可得：

兩邊取對(duì)數(shù)可得：

化簡(jiǎn)上式可得：

即：

所述步驟(a)中的X_OUT和Y_OUT為原始電壓值，通過濾波電路后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的去齒距和噪聲削弱，通過濾波減少噪聲底密度，提高測(cè)量精度，本發(fā)明所采用振動(dòng)加速度傳感器型號(hào)為ADXL203，其輸出信號(hào)帶寬的典型值為2.5kHz，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，可以有效防止頻率混疊。ADXL203可根據(jù)實(shí)際需要來改變?yōu)V波電容C₂來設(shè)置輸出信號(hào)帶寬，信號(hào)帶寬越小，噪聲越小，因而精度越高。

所述步驟(b)中的U_OUT為調(diào)理電路輸出值，示波器對(duì)U_OUT進(jìn)行合成處理，可得到以周期為T_d的可直接測(cè)量的最大原始模態(tài)振幅U_i，并且在原有值的基礎(chǔ)上，為了方便后續(xù)的測(cè)量計(jì)算，將原始電壓值U_i轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量的以分貝為單位的值U_{dB_i}。

本發(fā)明的原理是：振動(dòng)加速度傳感器ADXL203輸出為連續(xù)信號(hào)，可以全范圍反應(yīng)細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子的振幅特性，輸出的兩軸信號(hào)分別經(jīng)過濾波電路實(shí)現(xiàn)去齒距和噪聲削弱，這樣減少噪聲底密度，提高測(cè)量精度，并且兩組信號(hào)以差分方式接入放大電路，使信號(hào)放大至利于示波器處理分析范圍，示波器將信號(hào)U_OUT進(jìn)行處理，形成以分貝為單位的余弦信號(hào)，通過示波器直接測(cè)量得出相鄰峰值之差絕對(duì)值ΔU_dB和周期T_d，測(cè)出的ΔU_dB和T_d可直接帶入算法公式中，最后得出細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼ζ。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明提出了的測(cè)量細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼的方法，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可適用于大多數(shù)場(chǎng)合，調(diào)理電路可靈活調(diào)節(jié)輸出范圍，提高了振動(dòng)加速度傳感器信號(hào)調(diào)理的精度和效率。

(2)本發(fā)明所采用的方法只需要借助示波器就可精確測(cè)量轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼，無需大量工作，工作量小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)流程圖；

圖2為細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子與振動(dòng)加速度傳感器位置關(guān)系示意圖；

圖3為系統(tǒng)組織連接圖；

圖4為T₁時(shí)刻下示波器工作圖；

圖5為T₂時(shí)刻下示波器工作圖；

圖6為振動(dòng)加速度傳感器調(diào)理電路圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、2、3、4、5、6所示，本發(fā)明的具體方法如下：

(a)如圖2、圖3、圖6所示，圖2為振動(dòng)加速度傳感器貼裝于轉(zhuǎn)子表面示意圖，圖3為系統(tǒng)組織連接圖，即傳感器、調(diào)理電路及示波器之間的連接圖，圖6為振動(dòng)加速度傳感器調(diào)理電路圖，包括濾波電路和差動(dòng)放大電路兩部分。錘擊靜態(tài)水平放置的細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子，貼裝在轉(zhuǎn)子表面的振動(dòng)加速度傳感器檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)加速度傳感器輸出信號(hào)X_OUT和Y_OUT分別接入低通濾波電路，所采用振動(dòng)加速度傳感器型號(hào)為ADXL203，其輸出信號(hào)帶寬的典型值為2.5kHz，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，可以有效防止頻率混疊。ADXL203可根據(jù)實(shí)際需要來改變?yōu)V波電容C₂來設(shè)置輸出信號(hào)帶寬，濾波電容和信號(hào)帶寬的關(guān)系如下式所示：

其中F表示帶寬值，R_FILT表示ADXL203的內(nèi)部標(biāo)稱電阻，C₂代表C₂電容值。

為了使ADXL203輸出信號(hào)帶寬為1kHz，已知ADXL203的內(nèi)部標(biāo)稱電阻R_FILT為16KΩ，我們將電容C₂的大小確定在0.01μF。ADXL203的典型輸出值為0.15V，因而要分別給兩個(gè)信號(hào)接入放大電路使信號(hào)保真，放大比例為4。X_OUT和Y_OUT經(jīng)過濾波放大電路后，再以差動(dòng)形式接入比例為5的放大電路，差動(dòng)形式能提高整個(gè)系統(tǒng)的精度，最后通過合理設(shè)置參數(shù)，可將輸出信號(hào)U_OUT調(diào)到0～3V范圍內(nèi)，以方便示波器讀取和分析處理。

(b)如圖4、圖5所示，圖為示波器將圖6中電壓信號(hào)U_OUT進(jìn)行處理，處理成余弦信號(hào)，可以測(cè)出余弦信號(hào)的峰值，并且模態(tài)頻率ω_n可直接由示波器讀出，因?yàn)槭静ㄆ魈幚碇蟮男盘?hào)單位為dBV，即將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為分貝信號(hào)。因而，讀出示波器第i個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_i}和對(duì)應(yīng)時(shí)間T_i以及第i+1個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_i+1}和對(duì)應(yīng)時(shí)間T_i+1。如圖4和圖5所示，我們?nèi)〉?個(gè)和第2個(gè)周期，讀出示波器第1個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_1}和對(duì)應(yīng)時(shí)間T₁以及第2個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_2}和對(duì)應(yīng)時(shí)間T₂，確定第1個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_1}與第2個(gè)周期最大模態(tài)振幅U_{dB_2}之差的絕對(duì)值為ΔU_dB，并且如下式所示：

ΔU_dB＝|U_{dB_1}-U_{dB_2}|

其中第1個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U₁，即未進(jìn)過示波器處理的第1個(gè)周期的最大電壓峰值，可用下式表示：

20lgU₁＝U_{dB_1}

其中第2個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U₂，即未進(jìn)過示波器處理的第2個(gè)周期的最大電壓峰值，可用下式表示：

20lgU₂＝U_{dB_2}

其中T_d為兩個(gè)峰值之間的時(shí)間差，即余弦信號(hào)周期，可用下式表示：

T_d＝T₂-T₁

因而由圖4和圖5可知U_{dB_1}、U_{dB_2}、T₁、T₂以及ω_n分別為13.8dB V、25.1dB V、10ms、110ms和818Hz。

(c)測(cè)出的ΔU_dB＝|U_{dB_1}-U_{dB_2}|經(jīng)過以下算法公式，可直接求出內(nèi)阻尼公式如下：

第1個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U₁，如下式所示：

其中A為脈沖響應(yīng)幅值；ζ為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼；ω_n為模態(tài)頻率。

第2個(gè)周期最大原始模態(tài)振幅U₂，如下式所示：

其中A為脈沖響應(yīng)幅值；ζ為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼；ω_n為模態(tài)頻率。

將U₁和U₂相比可得：

兩邊取對(duì)數(shù)可得：

化簡(jiǎn)上式可得：

即：

將U_{dB_1}＝13.8dBV、U_{dB_2}＝25.1dBV、T₁＝10ms、T₂＝110ms以及ω_n＝818Hz分別帶入上式，得到ζ＝0.016062417。

本發(fā)明可以作為一種通用的測(cè)量細(xì)長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼方法，調(diào)理電路可較精確的實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，提高了振動(dòng)加速度傳感器信號(hào)調(diào)理的精度和效率，算法高效便捷，提高了計(jì)算的效率。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。