一 概述

發動機曲軸的扭轉振動是軸系振動的一個自然現象。如果軸系扭轉振動的固有頻率落在發動機工作的常用轉速范圍內，會引起曲軸的扭轉共振，從而引起發動機的振動和噪聲，輕則加劇發動機的振動和噪聲，重則使曲軸斷裂損壞發動機，造成嚴重事故。因此，對發動機曲軸的扭轉振動測量對于汽車行業和發動機行業都是很重要的工作。

雖然計算機輔助設計現在已能對發動機曲軸進行模擬計算，但最終仍然需要對發動機的曲軸進行實際扭振測量，并且根據測量結果，判定曲軸的扭振狀態是否可以保證發動機安全、可靠性的工作。

因此，方便、快捷、準確地測量發動機曲軸的扭轉振動的儀器開發，一直是工程技術人員在不斷地追求。LMS QTV很好地實現了這一追求。

二 QTV的結構原理

與SCADAS III的其它模塊相同，QTV由兩個模塊組成。其電壓輸入調理模塊，確保 100kHz的模擬信號帶寬，用于對輸入轉速信號的調理、放大或衰減，以保證其SP 90模數轉換模塊正確地采集數據。過零檢測和rpm變化量的計算，則是通過一個高性能的數字信號處理器（DSP）在數字域內實現。

QTV的結構原理圖如圖1所示。它說明了QTV如何將模擬式轉速信號轉換為高精度、寬頻帶的rpm變化量。圖中只給出一個通道的框圖，實際上，一個QTV模塊有四個通道，能同時對旋轉件四個不同部位的扭振信號進行測量分析。

圖1 QTV結構原理圖

內涵有扭振信息的轉速信號，先饋入一個帶寬很寬的模擬式調理電路，該電路可選擇適當的放大或衰減因子。必要時，還可插入一高通濾波電路，但一般情況下，不推薦這樣做，因為會引起相位失真和不希望的瞬態響應。抗混濾波器和24 bit 、204.8 kHz 采樣率的模數轉換器，可保證精確采集原始的轉速數據。對原始信號作精確的數字化處理后，再由DSP作進一步的運算處理。

首先，對ADC輸出數據進行二倍升采樣。這個過程相對簡單，利用FIR（有限沖激響應）插值濾波器，保證運算過程非常精確。然后，對升采樣后的數據（此時的采樣間隔為2.5μs）進行零位檢測。

圖2 內插值方法

達到上述采樣間隔后，利用可靠、精確的拉格朗日多項式插值法（16階），再進行32倍插值。此時，對原始轉速信號的估計，達到76ns的時間分辨率。而最初的ADC采樣率為204.8KHz（4.9ms的時間分辨率）。最后，對拉格朗日插值后的采樣信號再進行檢測，查找其“＋”、“－”值的轉換點，并用線性插值法確定精確的過零時刻。由于最后一步的線性插值是在超高的過采樣后進行的，可以認為輸入數據具有極好的線性度，它有效地保證了最佳的RPM精度。仿真處理表明，理論上，QTV處理的時間分辨率等效于工作在幾個GHz的計數器。

三 扭振傳感器

在以往的扭振測量中，常常使用齒盤和磁電傳感器作為扭振傳感器。其缺點是不同發動機要加工不同齒盤，通用性差。其次，一般齒盤是鐵質，且直徑較大，其質量往往不能忽略，軸系附加了一定質量，從而使軸系的固有頻率降低，給測量帶來了誤差。

為了克服上述缺點，我們采用長春第一光學有限公司生產的ZKT-56A-120B-G12E型光電編碼器。該光電編碼器每轉輸出120個脈沖，采用通孔形式，用鍵槽固定。整個編碼器的質量《0.1kg。為了與曲軸前端連接，采用一個兩端螺紋的螺栓，一端直接與曲軸螺紋孔相連，另一端用于固定光電編碼器，因此在現場安裝非常方便。

圖3 光電編碼器安裝圖

由于光柵采用光刻技術，能保證絕對角度誤差≤0.2T，周期誤差≤0.05T，能保證測量精度。

四 試驗信號檢測

1 光電編碼器的輸出（A，B路任一個）一路接至LMS310的轉速輸入通道作為發動機的轉速信號，另一路接至QTV作為扭振輸入信號。設定頻率范圍0-1024Hz。

2 發動機運轉，當油溫和水溫正常后，在全負荷狀態下，發動機轉速均勻地從1000r/min升至額定轉速。記錄下全過程的數據。

3 后處理，繪制發動機扭振的彩圖和階次圖，并確定共振頻率。

五 利用LMS QTV進行扭振測量的優點

1 LMS QTV把扭振測量與分析融合成一體，可以方便地在現場對測量信號進行分析處理。

2 利用發動機的扭振彩圖，可以清楚地判定曲軸的共振頻率。

3 利用發動機扭振階次圖可以清楚地判定曲軸的共振階次，共振振幅。

4 QTV采用拉格朗日插值法，能保證測量結果的高精度。

六 案例分析

圖4 某四缸機曲軸扭振彩圖

圖5 共振頻率下的階次圖

圖6 階次跟蹤圖

圖7 階次跟蹤圖

責任編輯：gt