液壓系統振動位移感測器的設計

注：

本文由

佛山興迪

整理自《物理通報》

2018第11期

，作者蔡彥、單長吉、杜國芳等。

液壓系統中的壓力衝擊和振動透過液壓管路傳遞，如聲波樣輻射到周圍環境，發出噪音並汙染環境。在振動的情況下，導致測量的壓力和流速等存在較大誤差，當振幅較大時，檢測部件還可能被損壞或其工作壽命受到影響。此外，當振動的頻率與系統的固有頻率相同時，系統會產生共振，不僅會導致系統中元件的疲勞，還會導致噪聲輻射的急劇增加，以至於導致元件的損壞，降低系統的效能，影響執行部件的精度，並降低了液壓機構的使用壽命。因此，必須充分重視振動和噪聲對系統的影響。

製圖/佛山興迪

為了更好地衰減振動及噪聲，本文將基於液壓系統的的特點，設計一套測定液壓系統振動幅度的位移感測器，為下一步構建自適應液壓系統減振消音器打下基礎。

位移感測器的設計與工作機理

為了實現位移的精確測定，將此裝置裝備在液壓系統的泵上，或其他振動較強的部位。設計的位移感測器的核心部件有壓力感測器及其顯示器、有輕質彈簧。其中，彈簧一端固定於振動部位外殼上，另一端與壓力感測器相連線，彈簧的使用是為了防止直接使用壓力感測器導致的壓力過載。壓力感測器固定在支架上，並透過訊號線與顯示器相連線，支架底座固定在液壓系統相對穩定的主支架上，如圖1所示。

虛線框中各部件為對外不可見，只有壓力感測器顯示器對外可見，以便於觀察。

液壓系統工作中，泵振動連帶管路、油箱振動或共振時，亦或是空氣進入液壓缸引起振動時，此位移感測器開始工作。振動發生時，彈簧即開始伸縮，彈簧的伸縮量就是振動部位的振幅Δx。選取的彈簧的勁度係數k較小，由胡克定律可知，彈簧將壓力F傳遞給壓力感測器，壓力感測器將力訊號轉變為電訊號I傳輸至顯示器，透過記錄顯示器的電訊號數值，即可反演出振幅Δx。

整個位移感測器系統中，壓力感測器是關鍵部件。本系統中，精度要求高，並且為便於輸出電訊號至顯示器，選擇壓電壓力感測器。

為了能精確測定振幅，安裝前需要對壓力感測器輸入與輸出量的關係進行標定，以便讓感測器工作線上性範圍內。標定方法為靜態標定，在彈簧的彈性限度內，給定多個不同的壓力值，獲得一系列壓力感測器的輸出電訊號，並形成一條壓力F與電訊號I的靜態標定曲線，標定曲線的直線段就是其有效工作範圍，透過一系列的標定還可以得到壓力感測器的遲滯、重複性、精度等靜態指標，完成標定後，即可進行振幅的測量。

圖1所示的位移感測器除了可以用來測定液壓系統振動位移，還可以用於其他機械系統中，測定機械振動的幅度。

結合液壓系統的特點，以液壓系統振動部位的振幅為研究物件，當液壓系統裡的振幅發生改變時，液壓系統位移感測器在有效工作範圍內能夠即時匹配相應的振幅，達到最佳的測量效果。如果液壓系統特性分析顯示，該感測器能夠及時匹配振幅及振動頻率的變化，且系統響應時間及系統穩定性均符合設計要求，將具有實際的應用價值。