毕业设计题 目 基于悬臂梁的涡电流 测振系统的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程和自动化 班 级学 生学 号指导教师二 年五月二十日1 1 前言1.1 振动综述1.1.1 机械振动机械振动也简称为振动，是物体在平衡位置附近做的往复运动。在现实生活中，我们能看到的很多机械都是运用机械振动这一学说理论建造出来的。如筛分设备、输送设备、给料设备、粉碎设备等机械设备都是将振动理论运用到现实生活中的结果。筛分设备：筛分设备是机械振动在现实中运用最多的产品。如热矿筛、旋振筛、脱水筛等。顾名思义，筛分设备就是运用振动知识以和筛分部件将大小、类型不同的物品区分开来，减少劳动力以和提高生产效率。例如：热矿筛用带偏心块的双轴激振器，双轴振动器两根轴上的偏心块由两台电动机带动分别做反向自同步旋转，使筛箱直线振动，筛体沿直线作周期性往复运动，从而达到筛分目的。又如南方常用的小型水稻落谷机，机箱中有一块筛网，由发动机带动连杆往复运动，当水稻与稻草落入筛网的时候，不停的振动让稻谷通过筛网落入机箱存谷槽中，来实现稻谷与稻草的分离，减少人力资源，提高农业效率。输送设备运用机械振动也是很多的。比如：螺旋输送机、往复式给料机、振动输送机、买刮板输送机等。输送设备是将物体由一个地方通过输送管道输送到另一个地方的设备，来节约人力资源，提高生产效率。例如：广泛应用于冶金、煤炭、建材、化工等行业中的粉末状和颗粒状物料输送的振动输送机，采用电动机作为动力源，使物料被抛起的同时通过管道做向前运动，达到输送目的。给料设备在某种程度与输送设备有共同之处，例如：振动给料机、单管螺旋喂料机、振动料斗等。拿振动料斗来说,它是一种新型给料设备,安装在料仓下部，通过振动使物料活化，能有效消除物料的起拱、堵塞以和粘仓现象，以解决料仓排料难的问题。总而言之，机械振动在现实生活生产中有多种多样的应用，有的是直接应用，有的是间接应用。科学的力量是非常强大的,只有把科学转变为科技才能用来造福人类，造福社会。1.1.2 振动研究目的机械振动对于大多数工业机械、工程结构和仪器仪表来说是有害的，它常常是造成机械结构恶性破坏与失效的直接原因。据统计，我国每年因运输车辆振动致使包装不妥的产品受损、失效以和破坏造成的经济损失达数亿元。超出规范标准的振动能够缩短机器寿命，影响机械加工质量，降低机械电子产品的使用性能，甚至产生公害，以和污染环境等。1995年7月初，天全某水泥厂2号机立窑在更换风机时，忽视了共振现象的产生以和其危害，在7、8两个月时间里，发生了连续损坏3台罗茨风机以和一台215kW电机的重大设备事故，造成直接经济损失40多万元。通过现场事故分析与补救措施处理，实践证明：此次重大设备事故，是由共振现象造成，损失严重，教训深刻。共振对人体产生有着较大危害，人体各部位有不同的频率，如眼球频率约为60HZ，颅骨频率最大约为200 HZ。把人体比作一个整体来看，水平方向的固有频率约为3-6 HZ，垂直方向的固有频率约为48HZ。因此国家规定：要求各类振动机械地振动频率必须大于20 HZ,并且要尽量避免振动源频率与人体有关部位固有频率产生共振。振动测量从航天航空部门发展起来，现在在在动力机械、交通运输、建筑等工业部门和环境保护、劳动保护等方面也有其重要作用。现在，振动分析以和振动设计已经成为产品设计中一个关键环节。学习振动力学的主要目的，就是掌握振动的基本理论与分析方法，用于确定以和限制振动时工程结构机械产品的性能、寿命和安全的有害影响。振动有其可利用的一面，如工业上常采用的振动筛选、振动沉桩、振动输送以和根据振动理论设计的测量传感器，地震仪等。了解振动力学地另一目的，就是通过振动理论来创造以和设计新型振动设备、仪表以和自动化设备。1.2 振动测量技术振动测量技术是从航天航空部门发展起来的，现在在工业生产以和科研领域都占有重要地位，对于航天航空、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业、环境保护等来说表现的尤其突出。振动测量的分类方法有多种。依据测量原理可以分为机械法、电测法、光电结合测量法等；依据测振传感器是否与被测物体接触，振动测量可以分为接触测量以和非接触测量；依据振动传感器原理不同，又可分为加速度型、速度型、位移变化检测型。其中加速度型以和速度型属接触型测量，使用时需将其固定在被测物体上；位移变化检测型属非接触测量型，使用时无须装在被测物体上。从检测频率来看：加速度型测振传感器主要用于中、高频范围，速度型测振传感器主要用于中频范围，位移检测型主要用于直流到低频范围。1.2.1接触式振动测量在振动测量技术中，根据被测对象与测量元件是否接触分为接触式测量或者非接触式测量。传感器的信号，经数据处理后，可以获取被测对象的振动信号。自20 世纪60 年代起，人们进行了大量振动测量的理论和实践研究。实践发展过程中，常见的接触式测量方法分为以下几类：压电式，电阻式，电动式。(1)压电式传感器：典型的“双向传感器”。属于发电式传感器。压电效应：当沿着一定方向对某些电介质施加力使其变形时，在一定表面产生电荷，外力去掉后，重新回复不带电状态，这一现象被称为正压电效应。在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向产生机械变形或机械压力；外加电场撒去时，这些变形或应力也随之消失，此被称为逆压电效应。工作原理：以某些物质压电效应为基础。应用：利用正压电效应可制成压电电源以和电压发生器，利用逆压电效应可制成超声发生器以和电声器件。利用压电效应，可制成测力传感器。在振动测量之中，由于压电晶体所受力是惯性质量块产生的牵连惯性力，产生的电荷数与加速度大小成正比，因此压电式传感器是加速度传感器。压电式力传感器在振动试验中，除测量振动外，还经常测量对试件所施加的动态激振力。压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小以和重量轻等优点，因此获得广泛应用。(2)电阻应变式传感器：将被测的机械振动量转换为传感元件电阻变化量。实现这种机电转换的传感元件有很多种形式，其中电阻应变式的传感器是最常见的形式。电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上，由于试件受力变形，引起应变片原长变化，从而引起应变片阻值变化。实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化与其长度的相对变化成正比。 图1.1 电阻应变式测振传感器测振示意图电阻应变式加速度测振传感器有两种主要类型。一是张丝式，它的主要原理是通过物体振动，带动其内部电阻丝长度发生变化，从而使其电阻发生相应变化。二是压阻式，它是利用了半导体或者某些稀有金属受力时，其本身电阻率发生改变的特性的压阻效应。电阻应变式加速度测振传感器如图1.1所示。基础振动带动质量块振动，使悬臂梁发生弯曲变形，使粘贴在梁上的应变片随之变形。由加速度频率特性可以知道，位移与输入加速度成比例，粘贴在梁上的应变片将质量块的相对位移转换成电阻变化，再经电桥转换为电压输出。通过其幅频特性，电阻应变式加速度测振传感器的频率特性主要由其内部弹簧质量决定。该类传感器工作频率低，为02KHz，可以测量超低频振动。 一般与动态应变仪配合使用。在选择此类电测型测振传感器时，要充分考虑被测量的参数（位移、速度或加速度）、测量频率范围、量程、分辨率、使用环境以和相移等问题。对相位有严格要求地振动测试项目，如相关分析，传递函数分析等，应特别注意传感器和测试系统的相频特性，或者对供货商提出要求；或者在振动台上实测相差，以便对传感器作筛选或在分析时作出修正。(3)电动式传感器起源于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场内切割磁力线时，导体两端就会感生电动势，利用这一原理的传感器称为电动式传感器。从机械接收原理来说相对式电动传感器，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用电磁感应规律，因此其产生的电动势与被测振动速度成正比，实际上它是一个速度传感器。1.2.2 非接触式振动测量非接触测量是以光电、电磁技术为基础，不接触被测物体，从而得到物体表面参数信息的测量方法。典型的非接触测量方法有激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量法等。 (1)电感式传感器是依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测机械振动参数变化转换成为电参量信号变化。利用线圈自感或者互感变化，实现测量的一种装置。他的核心部分是可变自感或可变互感，然后将被测量转化为线圈自感或线圈互感的变化时，一般利用磁场作为媒介或者利用铁磁体。工作原理：其是把被测位移量转换为线圈自感或互感变化，而实现测量的一类传感器。因此，电感传感器有二种形式，一为可变间隙式，二为可变导磁面积式。优点：结构简单可靠、抗干扰能力强、输出阻抗小、输出功率大、对工作环境要求不高、示值误差一般为示值范围的0.1%0.5%、分辨率较高、稳定性好。缺点：不宜用于快速测量。频率响应低、(2)涡电流传感器是一种相对式非接触式传感器，通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的位移或幅值。涡流线圈感抗与被测导体离线圈远近有关。涡电流传感器具有线性工作范围大、频率范围宽（010 kHZ），非接触式测量和灵敏度高等优点，主要应用于振动位移的测量、静位移的测量、旋转机械中监测转轴振动测量。涡电流传感器是成立在涡流效应原理上的传感器。涡电流传感器可以以非接触地方法测量物体外貌以及金属导体的多种物理量，如位移、厚度、转速、振荡、硬度、应力等参数。这种传感器可用于无损探伤。 涡电流传感频率响应宽、布局简略、测量规模大、抗干忧能力强、活络度高，特别是具有非接触测量的优点，是以在工业出产和科技的广泛范畴内获的了广泛的应用。(3)电容式传感器是将被测量变化转换成电容量变化的一种装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。一般分为两种类型：可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可测量直线振动位移。可变面积式可测量扭转振动角位移。优点：结构简单、易实现非接触测量、动态响应快。缺点：比较容易受干扰和分布电容影响。广泛应用于位移、压力、液位、加速度、成分含量测量中。应用：电容式传感器可以用来测量直线位移、振动振幅、角位移，尤其适合测量精密轴系回转精度、加速度等机械量、高频振动振幅。还可用来测量压力、液位、料面、压差、非金属材料的涂层、成分含量、油膜的厚度、测量电介质的密度、湿度、厚度等，在控制系统和自动检测中常常用作位置信号发生器。1.3毕业设计内容与意义该设计题目属于机电一体化系统设计内容，应用到课程包括：测试技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、机械零件、机电传动、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造和基础、互换性与技术测量、数控技术、计算机辅助电路设计、计算机辅助绘图等。根据所学专业知识，完成基于悬臂梁测振系统的整体设计，包括悬臂梁的机械结构系统、激振器的夹持系统、传感器的调整以和固定系统、自动控制系统等几个部分。 该系统的指标如下： 1系统最大检测位移为10mm； 2传感器原始间隙的最大范围为5mm； 3激振器的固定位置可以在悬臂梁的滑槽内移动，移动范围为20 mm；4传感器可以在悬臂梁上移动范围为10 mm。本系统的设计,着重以下几个方面:(1) 经济、小型装置实验设备应该是小型的、成本低的, 应充分利用实验室现有装置, 并且便于操作和管理。(2) 能完成预定测试要求试验装置应根据要求产生不同的振动频率, 且将各点振动结果准确测量出来, 还要找出其共振点,确定固有频率。(3) 测试结果数字化为了克服模拟信号测量和读数的误差, 可以采用单