技术领域
[0001] 本公开涉及测量技术领域，尤其涉及一种微转子不平衡量测量装置与测量方法。
背景技术
[0002] 受微加工工艺的限制，微转子的
重心和几何中心很难实现完全重合，重心偏移量或者为了平衡在某半径下施加重量的大小即为不平衡量。微转子体积小、重量轻、长径比小(微转子轴向长度L/微转子直径D≤0.1)，且为了获得极高的
能量输出
密度一般需要在几十甚至上百万转/分的超高转速下稳定工作。不平衡量的存在将导致微转子过临界转速时的极限偏心率增高，超高转速旋转振动幅值增大，对微转子的动
力学特性尤其是超高转速下的
稳定性造成了严重的影响。
[0003] 不平衡量的测量对微转子动力学设计尤为重要，然而受微转子结构和尺度的限制，对不平衡量的精确测量非常困难。目前，针对此类微转子不平衡量的测量问题，与本
发明相关性最强的技术方案为美国MIT(Massachusetts Institute of Technology，麻省理工学院)采用的两种方法：一种是基于
硅深
刻蚀工艺特点的几何分析评估方法，基于硅深刻蚀工艺加工的微转子，深刻蚀工艺在
硅片不同部位刻蚀深度的不均匀性是产生微转子不平衡量的主要原因，根据深刻蚀工艺刻蚀深度与硅片部位之间存在的线性关系结合AutoCAD
软件对微转子的结构几何特征进行分析，在此
基础上计算出微转子重心偏离几何中心的距离，即不平衡量；另一种是基于微转子动力学响应试验曲线的不平衡量反推法，微转子采用静压径向
气体轴承系统进行支承，其径向振动响应随转子转速变化，当微转子越过临界转速实现高转速稳定旋转后，其振动响应将稳定在一个定值，该定值即为微转子的不平衡量，该方法中转子转速和径向位移均通过轴向布置的光纤位移
传感器测量微转子轴向端面设置的凸台信息而推算得到，通过测量不同转速下的径向振动响应，绘制振动响应曲线，即可分析得到微转子的不平衡量。另外，国内武汉理工大学针对
汽车仪
表盘中的超短微转子(重量小于10g，直径小于4mm)的不平衡问题设计了一套不平衡量测量装置，该装置的被测转子安装于一个
支撑于簧板上的振动桥上，利用
转速传感器和
加速度传感器分别检测微转子的转速和振动加速度，实现被测转子在设计转速下的振动响应测量，根据测得的最大振动响应幅值和对应的转速反推获得微转子得不平衡量。河南科技大学根据同样的原理针对重量小于10g，直径小于10mm，长径比约为1的微转子设计了一套动不平衡量测量装置，其采用带有阻尼和弹性支撑的系统支撑微转子，
电机提供旋转动力，通过加速度传感器测量微转子临界转速下的振动响应推算微转子的不平衡量。
[0004] 对于超小长径比微转子的径向不平衡量，直接测量分析难度很大，
精度也不理想，美国MIT的直接分析方法是建立在对关键加工工艺特点的分析基础之上的，其严重地受限于对于工艺特点的知悉和掌控，操作较为复杂，且分析精度不高。基于不平衡量与微转子振动响应的紧密联系，目前针对超小长径比微转子径向不平衡量的测量一般采用间接测量的方法，即通过试验测得给定转速下微转子的振动响应，再根据振动响应与不平衡量的对应关系反推算出微转子的不平衡量。现有的超小长径比微转子不平衡量间接测量技术存在以下缺点和难点：
[0005] 1)振动响应测量精度问题。受结构尺度的影响，微转子的不平衡量一般非常小，仅为μm量级，相应的产生的振动响应也比较小，这对测量设备的精度提出了很高的要求。现有的方案里一般采用加速度传感器监测振动加速度，或者是采用光学位移传感器(激光/光纤位移传感器)直接监测振动响应幅值。其中加速度传感器为
接触式测量，因此其无法安装于微转子上，而需要安装于
基座上，其所检测到的振动响应是微转子不平衡量所激励起的微转子极其安装基座的总体响应，该响应值将更加的微弱，测量难度更大。
[0006] 2)振动响应测量的干扰问题。采用加速度传感器测量微转子的振动响应一般是将加速度传感器安装于支撑基座上，通过测量微转子和整个试验台基座的振动响应来间接测量和分析微转子的振动响应和不平衡量，这样测量的振动响应
信号中不可避免的要包括其他振动
干扰信号的影响，当被测试转子高速旋转时,测量系统的驱动装置、传动装置、支承部件以及外部环境都会产生各种
频率的振动,这些振动同样经传感器转换为各种频率的干扰
电信号。通常干扰按频率分为同频干扰、高频干扰和低频干扰，这些干扰信号大大地增加了后期的振动信号分析处理的复杂度和难度，同时也影响了测量精度；采用光学位移传感器直接测量微转子的振动位移响应，相对于加速度传感器而言对其他附加装置振动干扰的免疫能力更好，但其依然需安装于支撑基座上，对于支撑基座的振动影响也无法避免。
[0007] 3)测量设备的安装和影响问题。测量设备的安装问题主要是针对光学位移传感器，微转子的轴向尺寸较小，一般为μm量级，极少能上mm量级，光学位移传感器主要安装于径向，对微转子实现径向振动位移的直接测量对传感器的尺寸以及微转子支承结构的设计都提出了极高的要求，实现难度很大，针对这一问题，MIT采用的是在微转子轴向端面加工测量凸台，通过轴向安装的光线位移传感器监测测量凸台，再通过一套极其复杂的信号
数据处理分析程序间接分析出微转子的径向振动位移，该间接测量方法中复杂的数据处理同时也会影响振动位移信号的测量精度。
发明内容
[0008] 本公开技术方案中称微转子重心偏离几何中心的距离为微转子的不平衡量,微转子不平衡量测量方法的原理主要是基于静压径向
气体轴承的
气体动力学原理和微转子-静压径向气体轴承系统动力学原理。通过以下方案实现：
[0009] 微转子不平衡量测量装置包括静压径向气体轴承、静压止推气体轴承、光纤位移传感器和
数据采集卡；
[0010] 所述静压径向气体轴承用于待测微转子的径向支承；
[0011] 所述静压止推气体轴承用于待测微转子的轴向支承；
[0012] 所述光纤位移传感器用于测量待测微转子的转速；
[0013] 所述数据采集卡用于采集所述光纤位移传感器输出的
电压信号。
[0014] 进一步地，所述微转子包括
叶片、第一凸台和第二凸台，所述叶片用于驱动所述微转子旋转，所述第一凸台用于测量所述微转子的转速；所述第二凸台与所述静压止推气体轴承接触，二者共同为所述微转子提供轴向支承。
[0015] 进一步地，所述测量装置还包括流量监测器、压力监控装置、气体
净化器和气源；
[0016] 所述流量监测器用于对所述静压径向气体轴承和静压止推气体轴承的供气流量进行测量；
[0017] 所述压力监控装置用于对所述气源的供气压力进行测量和控制；
[0018] 所述气体净化器用于对所述气源的气体进行净化和干燥；
[0019] 所述气源用于为所述测量装置提供高压气体。
[0020] 进一步地，所述测量装置还包括计算机，所述计算机与所述数据采集卡连接，用于对所述数据采集卡采集到的数据进行存储、放大、处理和分析，同时对所述压力监控装置进行控制。
[0021] 进一步地，使用所述测量装置测量微转子不平衡量的方法，
[0022] 所述测量方法包括以下步骤：
[0023] S1所述静压径向气体轴承性能分析：建立所述静压径向气体轴承的气体动力学模型，计算不同供气压力P条件下，所述静压径向气体轴承的供气流量 与所述微转子的偏心率ε之间的关系；
[0024] S2微转子-静压径向气体轴承系统动力特性分析：建立微转子-静压径向气体轴承系统动力学模型，计算不同供气压力P条件下,所述微转子的临界转速ωN和极限偏心率εp之间的关系，以及所述微转子的极限偏心率εp和不平衡量a之间的关系；
[0025] S3微转子-静压径向气体轴承系统动力响应测量实验：根据微转子-静压径向气体轴承系统动力特性分析结果，选择一个轴承初始供气压力P0，开展微转子-静压径向气体轴承系统动力响应测量试验；
[0026] S4启动所述气源和所述气体净化器，调节所述压力监控装置，使得轴承初始供压为P0，缓慢增大压力使所述微转子缓慢加速并通过临界转速ωN，同时采集加速过程中所述微转子的转速ω和所述静压径向气体轴承的供气流量 的数据；
[0027] S5将步骤S4采集到的试验数据进行处理分析，绘制在轴承初始供压P0条件下所述静压径向气体轴承的供气流量 与所述微转子的转速ω的关系曲线，分析得到所述微转子的临界转速ωN对应的所述静压径向气体轴承的极限供气流量
[0028] S6根据步骤S1中所述静压径向气体轴承的供气流量 与所述微转子的偏心率ε之间的关系，确定所述静压径向气体轴承的极限供气流量 所对应的所述微转子的极限偏心率εp，根据步骤S2中所述微转子的极限偏心率εp与不平衡量a的对应关系，推算得到轴承初始供气压力为P0时所述微转子的不平衡量a；其中，所述微转子的偏心率ε是指所述微转子的几何中心偏离所述静压径向气体轴承的几何中心的距离e与所述静压径向气体轴承的初始间隙h的比值，即ε＝e/h；所述微转子的临界转速ωN是指所述微转子的振动响应达到最大时的转速；所述微转子的极限偏心率εp是指所述微转子通过临界转速ωN时出现的偏心率极大值；所述微转子的不平衡量a是指所述微转子的重心偏离几何中心的距离。
[0029] 进一步地，步骤S3中所述轴承初始供气压力P0是根据所述轴承供气压力P、所述微转子的临界转速ωN和所述微转子的极限偏心率εp选择确定的。
[0030] 进一步地，步骤S4中调节所述压力监控装置包括调节所述静压径向气体轴承的气路的压力和所述静压止推气体轴承的气路的压力。
[0031] 本公开的有益效果：
[0032] 1)采用静压径向气体轴承和静压止推气体轴承为超小长径比微转子提供支承，结构简单紧凑，操作方便，支承
刚度和阻尼的调整通过调节轴承供
压实现，从而调整和控制临界转速和过临界转速时的振动响应(极限偏心率)，避免测量时转速过高或振动响应过大；
[0033] 2)采用高灵敏度流量监测器监测轴承供气流量，利用在一定的轴承供压情况下，静压径向气体轴承支承的微转子径向振动响应(偏心率)与轴承供气流量之间的对应关系，实现对微转子偏心率的间接监测，解决了振动位移监测装置在微结构中遇到的安装问题，以及位移传感器和加速度传感器在测量过程中存在的测量精度和环境振动干扰问题。
附图说明
[0034] 附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本
说明书中并构成本说明书的一部分。
[0035] 图1是本公开具体实施方式的微转子不平衡量测量装置的结构示意图；
[0036] 图2是本公开具体实施方式的微转子不平衡量测量装置的待测超小长径比微转子结构示意图；
[0037] 图3是本公开具体实施方式的微转子不平衡量测量方法的静压径向气体轴承供气流量与微转子偏心率的对应关系曲线图；
[0038] 图4是本公开具体实施方式的微转子不平衡量测量方法的微转子极限偏心率与不平衡量的对应关系曲线图；
[0039] 图5是本公开具体实施方式的微转子不平衡量测量方法的不同的不平衡量情况下微转子振动响应曲线图；
[0040] 图6是本公开具体实施方式的微转子不平衡量测量方法的不同供气压力情况下微转子振动响应曲线图；
[0041] 图7是本公开具体实施方式的微转子不平衡量测量方法的实施方案
流程图。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图和
实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
[0043] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
[0044] 微转子不平衡量测量装置包括静压径向气体轴承2、静压止推气体轴承3、光纤位移传感器8和数据采集卡9；
[0045] 静压径向气体轴承2用于待测微转子1的径向支承；
[0046] 静压止推气体轴承3用于待测微转子1的轴向支承；
[0047] 光纤位移传感器8用于测量待测微转子1的转速；
[0048] 数据采集卡9用于采集光纤位移传感器8输出的电压信号。
[0049] 微转子1包括叶片11-1、第一凸台11-2和第二凸台11-3，叶片11-1用于驱动微转子1旋转，第一凸台11-2用于测量微转子1的转速；第二凸台11-3与静压止推气体轴承3接触，二者共同为微转子1提供轴向支承。
[0050] 测量装置还包括流量监测器4、压力监控装置5、气体净化器6和气源7；
[0051] 流量监测器4用于对静压径向气体轴承2和静压止推气体轴承3的供气流量进行测量；
[0052] 压力监控装置5用于对气源7的供气压力进行测量和控制；
[0053] 气体净化器6用于对气源7的气体进行净化和干燥；
[0054] 气源7用于为测量装置提供高压气体。
[0055] 测量装置还包括计算机10，计算机10与数据采集卡9连接，用于对数据采集卡9采集到的数据进行存储、放大、处理和分析，同时对压力监控装置5进行控制。
[0056] 使用上述测量装置测量微转子不平衡量，测量方法包括以下步骤：
[0057] S1静压径向气体轴承2性能分析：建立静压径向气体轴承2的气体动力学模型，计算不同供气压力P条件下，静压径向气体轴承2的供气流量 与微转子1的偏心率ε之间的关系；
[0058] S2微转子-静压径向气体轴承系统动力特性分析：建立微转子-静压径向气体轴承系统动力学模型，计算不同供气压力P条件下,微转子1的临界转速ωN和极限偏心率εp之间的关系，以及微转子1的极限偏心率εp和不平衡量a之间的关系；
[0059] S3微转子-静压径向气体轴承系统动力响应测量实验：根据微转子-静压径向气体轴承系统动力特性分析结果，选择一个轴承初始供气压力P0，开展微转子-静压径向气体轴承系统动力响应测量试验；
[0060] S4启动气源7和气体净化器6，调节压力监控装置5，使得轴承初始供压为P0，缓慢增大压力，使微转子1缓慢加速并通过临界转速ωN，同时采集加速过程中微转子1的转速ω和静压径向气体轴承2的供气流量 的数据；
[0061] S5将步骤S4采集到的试验数据进行处理分析，绘制在轴承初始供压P0条件下静压径向气体轴承2的供气流量 与微转子1的转速ω的关系曲线，分析得到微转子1的临界转速ωN对应的静压径向气体轴承2的极限供气流量
[0062] S6根据步骤S1中静压径向气体轴承2的供气流量 与微转子1的偏心率ε之间的关系，确定静压径向气体轴承2的极限供气流量 所对应的微转子1的极限偏心率εp，根据步骤S2中微转子1的极限偏心率εp与不平衡量a的对应关系，推算得到轴承初始供气压力为P0时微转子1的不平衡量a；其中，微转子1的偏心率ε是指微转子1的几何中心偏离静压径向气体轴承2的几何中心的距离e与静压径向气体轴承2的初始间隙h的比值，即ε＝e/h；微转子1的临界转速ωN是指微转子1的振动响应达到最大时的转速；微转子1的极限偏心率εp是指微转子1通过临界转速ωN时出现的偏心率极大值；微转子1的不平衡量a是指微转子1的重心偏离几何中心的距离。
[0063] 步骤S3
中轴承初始供气压力P0是根据轴承供气压力P、微转子1的临界转速ωN和微转子1的极限偏心率εp选择确定的。
[0064] 步骤S4中调节压力监控装置5包括调节静压径向气体轴承2的气路的压力和静压止推气体轴承3的气路的压力。
[0065] 更为详细的，
[0066] 如图1所示，微转子不平衡量测量装置包括：静压径向气体轴承2，该气体轴承采用轴向供压，通过调节供气压力能够调整微转子1的径向支承刚度和阻尼，从而实现对微转子1的临界转速ωN和振动响应幅值的调节和控制；静压止推气体轴承3，包含前止推气体轴承和后止推气体轴承，为微转子1提供轴向支承；流量监测器4，测量精度0.1-1mg/s，对静压径向气体轴承2和静压止推气体轴承3的供气流量进行实时高精度测量；压力监控装置5，通过调节供气压力实现对静压径向气体轴承2和静压止推气体轴承3状态的控制和调整，以及实现对微转子1的旋转驱动；气体净化器6，对输入的气体进行净化和干燥；气源7，为测量装置提供稳定充足的气体；光纤位移传感器8可为高频响光纤位移传感器，用于间接测量微转子
1的转速，光纤位移传感器8沿微转子1的轴向安装于微转子1的转速测量凸台，即第一凸台
11-2的上方，二者距离在传感器8的量程以内；微转子1旋转过程中，第一凸台11-2经过传感器8的测量点时，传感器8将输出一个高电压信号，而微转子1其它部分距离传感器8的
探头较远，处于传感器8的量程之外，其经过传感器8的测量点时传感器8的
输出信号将是一个
低电压信号，通过分析位移传感器8的高电压信号出现频率即可获得微转子1的实时转速信息；数据采集卡9为高频高
分辨率数据采集卡，与压力监控装置5、流量监测器4和光纤位移传感器8相连接，用于对压力监控装置5、流量监测器4以及光纤位移传感器8输出的压力、流量和电压等信号的采集；计算机10对数据采集卡9采集到的数据进行存储、放大、处理和分析，同时对压力监控装置5进行控制。
[0067] 如图2所示，待测微转子1为微型径向
涡轮转子，其一侧端面有用于多个驱动微转子旋转的叶片11-1、对称分布的两个用于测量微转子1转速的凸台11-2以及一个轴向支承凸台11-3。
[0068] 本实施例中待测微转子1为超小长径比微转子，长径比L/D≤0.1，因而其不平衡量主要考虑径向不平衡量。待测微转子1由气体轴承系统提供支承，其中径向气体轴承采用轴向供气的静压径向气体轴承2，静压径向气体轴承2的气体动力学分析结果表明，在不同的轴承供压P下，轴承供气流量 和微转子偏心率ε存在着对应关系，其关系曲线如图3所示。
[0069] 超小长径比微转子-静压径向气体轴承系统动力学分析结果表明：在一定的轴承初始供压P0下，微转子1的极限偏心率εp与不平衡量a存在着对应关系，其关系曲线如图4所示。
[0070] 同一轴承供压情况下，不平衡量a的增大将导致微转子1的振动响应加剧，极限偏心率εp增大，但是对微转子1的临界转速ωN没有影响，如图5所示。
[0071] 不平衡量a相同的情况下，不同轴承供压△P对微转子1的临界转速ωN和极限偏心率εp均有明显影响，如图6所示。
[0072] 因此，本实施例通过静压径向气体轴承2气体动力学和微转子-静压径向气体轴承系统动力学计算分析，选择和调整轴承供压P，即可为待测微转子1提供合适的支承刚度和阻尼，对待测微转子1的临界转速ωN和极限偏心率εp实现合理控制；利用静压径向气体轴承2的供气流量 与微转子1的偏心率ε的对应关系以及微转子1的极限偏心率εp与不平衡量a的对应关系，即可通过监测试验过程中供气流量 的变化反推得到微转子1的不平衡量a。
[0073] 微转子不平衡量的测量方法如图7所示。首先，针对超小长径比微转子1的结构及尺寸对静压径向气体轴承2的结构尺寸进行设计，建立静压径向气体轴承2的气体动力学模型并开展计算分析，掌握不同供气压力P条件下静压径向气体轴承2的供气流量 与微转子1的偏心率ε之间的关系；然后，建立微转子-静压径向气体轴承系统动力学模型并开展计算分析，掌握不同供气压力P条件下微转子1的极限偏心率εp和不平衡量a之间的关系，以及微转子1的临界转速ωN和极限偏心率εp之间的关系。
[0074] 根据微转子-静压径向气体轴承系统动力学特性分析结果，以足够的起动供压、较低的临界转速、较大且安全的极限偏心率为原则
选定静压径向气体轴承2的初始供气压力P0，在该供气压力下开展微转子-静压径向气体轴承系统动力响应测量试验，测得在供气压力P0下静压径向气体轴承2的供气流量与微转子1的转速的关系曲线 根据测得的曲线确定供压P0下静压径向气体轴承2的临界转速ωN所对应的极限供气流量 根据供气流量 与微转子1的偏心率ε之间的对应关系，确定静压径向气体轴承2在供压P0下，极限供气流量 所对应的极限偏心率εp，最后根据微转子1的极限偏心率εp和不平衡量a之间的对应关系即可确定供压P0下微转子1的不平衡量a。
[0075] 本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
