4.平衡机测量系统
与 "Kinematics "有限责任公司联系的大多数平衡机业余制造商都计划在其设计中使用我公司生产的 "Balanset "系列测量系统。不过，也有一些客户计划独立制造此类测量系统。因此，我们有必要详细讨论平衡机测量系统的构造。这些系统的主要要求是对振动信号的旋转分量的振幅和相位进行高精度测量，该信号出现在平衡转子的旋转频率上。要实现这一目标，通常需要采用多种技术解决方案，包括
4.1.选择振动传感器
在平衡机的测量系统中，可以使用各种类型的振动传感器（换能器），包括
4.1.1.振动加速度传感器
在振动加速度传感器中，压电式和电容式（芯片）加速度传感器的应用最为广泛，可有效用于软轴承平衡机。在实践中，一般允许使用转换系数 (Kpr) 在 10 至 30 mV/(m/s²) 之间的振动加速度传感器。对于平衡精度要求特别高的平衡机，建议使用 Kpr 达到 100 mV/(m/s²) 或以上的加速度传感器。作为可用作平衡机振动传感器的压电加速度计的示例，图 4.1 显示了 LLC "Izmeritel" 生产的 DN3M1 和 DN3M1V6 压电加速度计。
图 4.1.压电加速度计 DN 3M1 和 DN 3M1V6
要将此类传感器连接到振动测量仪器和系统，必须使用外置或内置电荷放大器。
图 4.2.电容式加速度计 AD1，"Kinematics "有限责任公司制造
应该指出的是，这些传感器（包括市场上广泛使用的电容式加速度计 ADXL 345 板（见图 4.3））与压电式加速度计相比具有若干显著优势。具体来说，在技术特性相似的情况下，它们的价格要便宜 4 到 8 倍。此外，它们不需要使用压电式加速度计所需的昂贵而棘手的电荷放大器。
在平衡机测量系统中使用两种加速度计的情况下，通常会对传感器信号进行硬件积分（或双重积分）。
图 4.2.组装好的电容式加速度计 AD 1。
图 4.3.电容式加速度计电路板 ADXL 345。
在这种情况下，与振动加速度成比例的初始传感器信号会相应地转换成与振动速度或位移成比例的信号。在低速平衡机的测量系统中使用加速度计时，振动信号的双重积分过程尤为重要，因为在低速平衡机中，转子的较低旋转频率范围可达 120 rpm 或更低。在平衡机测量系统中使用电容式加速度计时，应考虑到在积分后，其信号可能包含低频干扰，表现在 0.5 至 3 赫兹的频率范围内。这可能会限制使用这些传感器的机器的低频平衡范围。
4.1.2.振动速度传感器 4.1.2.1.电感式振动速度传感器。 这些传感器包括一个感应线圈和一个磁芯。当线圈相对于静止磁芯（或磁芯相对于静止线圈）振动时，线圈中会感应出电磁场，其电压与传感器活动元件的振动速度成正比。电感式传感器的转换系数（Кпр）通常很高，可达几十甚至几百毫伏/毫米/秒。其中，申克 T77 型传感器的转换系数为 80 mV/mm/sec，而 IRD Mechanalysis 544M 型传感器的转换系数为 40 mV/mm/sec。在某些情况下（例如申克平衡机），使用带有机械放大器的特殊高灵敏度电感式振动速度传感器，Кпр 可超过 1000 mV/mm/sec。如果在平衡机的测量系统中使用电感式振动速度传感器，还可以对与振动速度成比例的电信号进行硬件集成，将其转换为与振动位移成比例的信号。
图 4.4.IRD Mechanalysis 公司的 544M 型传感器。
图 4.5.申克公司的 T77 型传感器 需要指出的是，由于生产劳动强度大，电感式振动速度传感器相当稀缺和昂贵。因此，尽管这些传感器具有明显的优势，但业余平衡机制造商却很少使用它们。
4.1.2.2.基于压电加速度计的振动速度传感器。 此类传感器与标准压电加速度计的不同之处在于，其外壳内置电荷放大器和积分器，可输出与振动速度成比例的信号。例如，国内生产商（ZETLAB 公司和 LLC "Vibropribor"）生产的压电振动速度传感器如图 4.6 和图 4.7 所示。
图 4.6.俄罗斯 ZETLAB 公司的 AV02 型传感器
图 4.7.LLC "Vibropribor" 公司的 DVST 2 型传感器 此类传感器由不同的生产商（包括国内和国外生产商）制造，目前被广泛使用，尤其是在便携式振动设备中。这些传感器的成本相当高，即使是国内制造商生产的，每个也能达到 20,000 至 30,000 卢布。
4.1.3.位移传感器 在平衡机的测量系统中，还可以使用非接触式位移传感器（电容式或电感式）。这些传感器可在静态模式下工作，可记录从 0 Hz 开始的振动过程。在平衡转速为 120 rpm 及以下的低速转子时，使用这种传感器尤为有效。这些传感器的转换系数可达 1000 mV/mm 或更高，因此即使不进行额外的放大，也能提供高精度和高分辨率的位移测量。这些传感器的一个明显优势是成本相对较低，一些国内制造商的成本不超过 1000 卢布。在平衡机中使用这些传感器时，必须考虑到传感器敏感元件与振动物体表面之间的额定工作间隙受到传感器线圈直径的限制。例如，对于图 4.8 所示的 "TEKO "公司 ISAN E41A 型传感器，规定的工作间隙通常为 3.8 至 4 毫米，可测量振动物体在 ±2.5 毫米范围内的位移。
图 4.8.俄罗斯 TEKO 公司 ISAN E41A 型电感式位移传感器
4.1.4.力传感器 如前所述，力传感器用于硬轴承平衡机的测量系统。这些传感器通常采用压电式力传感器，特别是由于其制造简单，成本相对较低。此类传感器的示例如图 4.9 和图 4.10 所示。
图 4.9.Kinematika LLC 制造的力传感器 SD 1
图 4.10：用于汽车平衡机的力传感器，由 "STO Market "销售 国内外众多制造商生产的应变式测力传感器也可用于测量硬轴承平衡机支架的相对变形。
4.2.相位角传感器 为了使振动测量过程与平衡转子的旋转角度同步，需要使用相位角传感器，如激光（光电）或电感式传感器。国内外生产商生产的这些传感器设计各异。这些传感器的价格差异很大，从大约 40 美元到 200 美元不等。图 4.11 所示的 "Diamex "公司生产的相位角传感器就是此类设备的一个例子。
图 4.11："Diamex "的相位角传感器
另一个例子是图 4.12 所示的 "Kinematics "有限责任公司实施的模型，该模型使用中国制造的 DT 2234C 型激光转速计作为相位角传感器。 这种传感器的明显优势包括
图 4.12：DT 2234C 型激光转速计
在某些情况下，如果由于某种原因不适合使用光学激光传感器，则可以用电感式非接触位移传感器取而代之，如前面提到的 ISAN E41A 型或其他制造商生产的类似产品。
4.3.振动传感器的信号处理功能 为了精确测量平衡设备中振动信号旋转分量的振幅和相位，通常会结合使用硬件和软件处理工具。这些工具可以
4.3.1.宽带信号滤波 该步骤对于清除振动传感器信号中可能出现的干扰至关重要，这些干扰可能出现在设备频率范围的下限和上限。平衡机的测量装置最好将带通滤波器的下限设为 2-3 赫兹，上限设为 50（100）赫兹。"下限 "滤波有助于抑制各类传感器测量放大器输出端可能出现的低频噪音。上 "滤波器可消除因组合频率和机器各机械部件的潜在共振而产生的干扰。
4.3.2.传感器模拟信号的放大 如果需要提高平衡机测量系统的灵敏度，可以放大从振动传感器到测量单元输入端的信号。既可以使用恒定增益的标准放大器，也可以使用增益可根据传感器实际信号电平进行编程改变的多级放大器。可编程多级放大器的一个例子是电压测量转换器中的放大器，如 LLC "L-Card" 公司的 E154 或 E14-140。
4.3.3.整合 如前所述，在平衡机的测量系统中，建议对振动传感器信号进行硬件积分和/或双重积分。因此，与振动加速度成比例的初始加速度传感器信号可以转换成与振动速度（积分）或振动位移（双重积分）成比例的信号。同样，积分后的振动速度传感器信号也可以转换成与振动位移成比例的信号。
4.3.4.使用跟踪滤波器对模拟信号进行窄带滤波 为减少干扰并提高平衡机测量系统的振动信号处理质量，可使用窄带跟踪滤波器。这些滤波器的中心频率通过转子旋转传感器信号自动调整为平衡转子的旋转频率。"MAXIM "公司的 MAX263、MAX264、MAX267、MAX268 等现代集成电路可用于制造此类滤波器。
4.3.5.信号的模数转换 模数转换是一个关键步骤，可确保在测量振幅和相位时提高振动信号处理的质量。所有现代平衡机测量系统都采用了这一程序。例如，"L-Card "有限责任公司的 E154 或 E14-140 型电压测量转换器就有效地应用了这种 ADC，该转换器用于 "Kinematics "有限责任公司生产的几种平衡机测量系统中。此外，"Kinematics "有限责任公司还拥有使用基于 "Arduino "控制器、"Microchip "公司的 PIC18F4620 微控制器和类似设备的廉价微处理器系统的经验。
文章作者 ：费尔德曼-瓦列里-达维多维奇
编辑和翻译：尼古拉-安德列耶维奇-谢尔科文科
对于可能出现的翻译错误，我深表歉意。
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