51 - 食品科学技术学报页

损, 缩短机械寿命, 严重时能造成破坏性事故. 为
此,必须对设备的动平衡性能进行测试,力求找到影响
设备动平衡性能的最大惯性离心力的方位,以便在相
应的位置上进行配重处理,减小不平衡力[10 -12] .
2摇 测试系统的总体构成
动平衡性能测试系统主要由压电式加速度传感
器、 电荷放大电路、光电编码器、主控制器、 上位机以
及电平转换电路组成[13] , 如图 2.
图 2摇 测试系统的组成
Fig. 2摇 Composition of testing system
光电编码器主要是测量设备中的轴位置信号,
压电式加速度传感器和电荷放大器主要是接收外部
离心力信息的激励并响应, 主控制器把传感器的响
应信号转变为可接收的数字信号, 并存储于数据存
储区,然后主控制器经过对采集数据的分析处理 ,得
到最大离心力方位信息,此信息经过电平转换电路
实时传递并在上位机上显示.
2郾 1摇 主控制器
主控制器选用飞思卡尔公司最新推出的高性
能、 低功耗、低成本的 K60 芯片[14] . 其最高工作频
率为 100 MHz,可以满足数据采集处理的实时性要
求, 内部的大容量存储空间可以保证数据存储准确
不丢失, 提供了多路高精度的 AD 采样通道, 内部的
FTM 模块兼有 PWM 输出 、 输入捕捉和正交编码等
功能,为压电式加速度传感器和光电编码器提供了
接口,同时它内部还集成了 UART 通信接口模块,方
便了和上位机间的通信. 软件采用 C 语言开发, 执
行效率高,可移植性好 ,C 语言已经成为电子开发、
微机控制行业的主流开发语言.
2郾 2摇 压电式加速度传感器
测试过程中涉及惯性离心力的测量, 而控制器
只能接收并处理电信号,所以需要通过能量转换把
非电量信号转换为电信号,以便控制器的采集处理.
压电式加速度传感器体积小 、灵敏度高、 质量轻、 测
量范围宽,因而广泛应用于控制过程中惯性离心力
的测量 [15 - 16] . 压电式加速度传感器的压电材料受
到一定的机械载荷时,会在压电晶体两极化表面产
生等量的正负电荷, 而电荷量的大小则与载荷的大
小成正比, 因为压电晶体绝缘电阻很高, 此时压电式
加速度传感器的结构可以简化为一块平行的电容
板 [17 - 18] ,如图 3.
图 3摇 压电式加速度传感器简化结构
Fig. 3摇 Simplified structure of piezoelectricity
type acceleration sensor
其电容量的计算公式为:
C = 着A
L 摇 . (1)
若施加外载荷为 F , 所产生的电荷量计算如式
(2):
Q = dF. (2)
式 (1) 和式(2) 中, 着 为压电晶体的介电常数;A 为极
板面积 ;L 为压电晶体的厚度;d 为压电系数 .
压电晶体一旦确定后 ,着 、A、d、 L 都是常数, 所以
压电晶体上产生的电荷 Q 与所受载荷 F 成正比. 当
加速度传感器受到振动时 , 压电晶体的两个表面则
会产生交变电荷, 此交变电荷与所受载荷成正比 .
本测试系统中使用两个压电式加速度传感器 , 分别
安装在设备外壳的顶面和一个侧面 .
2郾 3摇 电荷放大器
由于压电式加速度传感器是电荷输出型器件 ,
所以还需要有与传感器匹配的电荷放大电路 . 电荷
放大电路具有两方面的作用 , 一是把传感器输出的
微弱的电荷信号放大 ,提高采样精度,二是把电荷信
号转换为控制器可识别的电压信号 [19] . 电荷放大
电路如图 4.
图 4摇 电荷放大电路
Fig. 4摇 Charge amplifier circuit
2郾 4摇 光电编码器
为了找到最大离心力的位置, 必须有标记轴转
64 食品科学技术学报 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2014 年 7 月