CN102854332B - 基于静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于转速测量技术范围的一种基于静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置及方法。该静电传感器阵列测转速装置包括：在被测旋转部件边缘外围等距离安装一组静电传感器，组成静电传感器阵列，静电电传感器阵列通过静电感应产生一个反映部件旋转信息的静电信号，该静电信号由调理单元将信号放大、滤波，经信号处理单元送入微处理器系统，在微处理器内对全部静电信号进行多路相关分析、转速计算并进行数据融合，进而获得被测旋转部件的转速。相比于现有的模拟法、频闪法、计数法等转速测量方法，静电传感器阵列测转速法构造简单、成本低、不易受环境因素的影响，属于非接触测量方法，且具有较高的准确性。

Description

基于静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置及方法

技术领域

本发明属于转速测量技术范围，特别涉及一种基于静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置及方法。

背景技术

转速是反映旋转设备运行状况的重要参数之一。转速测量技术广泛应用于工业领域中发电机、电动机、离心机、机床主轴等旋转设备的试验运转及速度调节系统中。转速测量精度、实时性和可靠性是保障高速旋转设备正常运行的关键，因此，寻找一种精确、快速、经济的转速测量方法有着重要的现实意义。随着科学技术的进步，转速测量方法已经从过去的接触式测量、非接触式测量发展到现在的视频技术测量转速。但是，每种测量方法都存在其局限性。例如，机械式转速计测量精度不高，测量范围有限；光电式转速计容易受电磁干扰和转动干扰且易受到恶劣环境的影响；磁感应式转速计温度误差大，在结构上对旋转磁钢和铝盘的轴的对称性要求高；频闪式转速计测量时要求转速状态稳定，不适合高速测量。本发明提出的一种基于静电传感器阵列和数据融合技术的转速测量方法，是利用被测旋转物体与空气等介质的相对运动产生电荷转移，导致旋转物体表面积累静电荷，并在静电传感器阵列上产生感应电荷。通过静电传感器对感应电荷放大，经过信号调理、处理后，进行相关性分析、计算和数据融合，最后得到旋转设备的转速。此方法属于非接触式测量，避免了机械磨损，成本低，而且适用于恶劣的环境条件。特别是在相对高转速情况下，可以快速、准确地测量转速。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置及方法。

一种基于静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置，其特征在于，所述静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置的组成：静电传感器1均匀分布在被测旋转部件边缘外围组成静电传感器阵列，感应所在位置处旋转部件的转动信息；每个静电传感器1表面涂覆电极绝缘材料3，由电极绝缘材料3与金属屏蔽壳4绝缘；每个静电传感器1的输出都通过信号线与信号调理单元5连接，信号调理单元5通过信号处理单元6与微处理器系统7连接。

所述信号处理单元6的输出连接至微处理器系统7的互相关分析模块连接；

所述微处理器系统7包括串联的互相关分析模块、转速计算模块和数据融合模块；

所述静电传感器为细条状的静电电极，在转轴截面转动方向，电极宽度取决于被测旋转部件的尺寸和所采用静电电极个数，取值为1-5mm；在转轴的轴向，电极长度为10-30mm。

所述静电传感器阵列根据被测旋转部件大小差异、转速测量精度高低相应的调整静电电极个数为2至8个电极，2至8个静电电极足以满多种应用场合。

所述细条状静电电极由不锈钢或铜片制成，电极绝缘材料由聚氯乙烯、环氧树脂或聚基酰胺制成。

所述金属屏蔽壳由不锈钢或铜制成，并将全部电极屏蔽，防止外界因素对静电传感器阵列的干扰。

一种静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置的转速测量方法，其特征在于，利用静电传感器阵列感应所在位置处旋转部件的转动信息，该转动信息代表着不同位置的静电信号，静电信号通过信号调理单元5进行放大、滤波后，经信号处理单元6送入微处理器系统7，由互相关分析模块、转速计算模块和数据融合模块对静电信号进行多路相关分析、转速计算并进行数据融合，最终得到被测旋转部件的转速，其中，当静电传感器阵列的静电电极个数为n时，信号多路相关分析计算转速模型如下：

$\mathrm{RPM}=\frac{60\stackrel{\‾}{v}}{\mathrm{nL}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{v}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{ij}}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)X_j(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_j^2\left(k\right)}\right)}---\left(3\right)$

$v_{\mathrm{ij}}=\frac{(j-i)L}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

其中，

为旋转部件转动的平均线速度，n为电极个数，L为相邻两电极中心之间的弧长。X_i(k)，X_j(k) (k=0,1,2,…,N-1, …,N+M-1；i,j=1,2,…,n)分别表示等间隔离散化的静电信号X_i(t)和X_j(t)，N为采样点数，M 为延时点数的最大值。τ_ij为相关函数的渡越时间，即被测旋转部件从电极i转到电极j的时间。m（m=0,1,…,M）为对应于延时τ_ij的延时点数。R_ij(m) (i, j=1,2,…,n)为X_i(k)和X_j(k)的归一化互相关函数，r_ij为互相关系数，即R_ij(m)的峰值高度。 v_ij为由第i个和第j个静电电极信号所得的线速度。

所述利用多路相关计算的结果分析得到被测部件的正向或反向的旋转方向。

本发明有益效果是：采用了结构简单、体积小、重量轻和安装容易的静电传感器阵列对旋转部件感应实时监测转速；静电传感器直接获取旋转部件表面的静电信息，通过信号调理、处理单元减小背景噪声对有用信号的影响；其次，利用信号相关性原理建立静电信号与转速的数学模型，通过数据融合技术得到实时、可靠的旋转部件转速。

附图说明

图1为基于四电极的静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置结构及测量原理示意图，

图中：1. 静电传感器，2.被测旋转部件，3.电极绝缘材料，4.金属屏蔽壳，5.信号调理单元，6.信号处理单元，7.微处理器系统。

图2为被测旋转部件的轴向示意图。

图3为六电极静电传感器阵列分布示意图。

图4为八电极静电传感器阵列分布示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置及方法。下面结合附图和实施例对本发明予以说明如下：

图1、2所示为基于四电极的静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置结构及测量原理示意图。图中，所述静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置的组成：静电传感器1均匀分布在被测旋转部件边缘外围的A、B、C、D处组成静电传感器阵列，以感应所在位置（如图1、图2、图3和图4中的A、B、C、D。E、F、G、H）处旋转部件的转动信息；每个静电传感器1表面涂覆绝缘材料3，由绝缘材料3与金属屏蔽壳4绝缘；每个静电传感器1的输出都通过信号线与信号调理单元5连接，信号调理单元5通过信号处理单元6的输出连接至微处理器系统7的互相关分析模块连接；其中，微处理器系统7包括串联的互相关分析模块、转速计算模块和数据融合模块。

所述静电传感器为细条状的静电电极，在转轴截面转动方向，电极宽度取决于被测旋转部件的尺寸和所采用静电电极个数，取值为1-5mm；在转轴的轴向，电极长度为10-30mm。

所述静电传感器阵列根据被测旋转部件大小差异、转速测量精度高低相应的调整静电电极个数为2至8个电极，2至8个静电电极足以满多种应用场合。

所述细条状静电电极由不锈钢或铜片制成，电极绝缘部分由聚氯乙烯或环氧树脂、聚基酰胺等绝缘材料制成。

所述金属屏蔽壳由不锈钢或铜制成，并将全部电极屏蔽，防止外界因素对静电传感器阵列的干扰。

一种静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置的转速测量方法，其特征在于，利用静电传感器阵列感应所在位置处旋转部件的转动信息，该转动信息代表着不同位置的静电信号，静电信号通过信号调理单元5进行放大、滤波后，经信号处理单元6送入微处理器系统7，由互相关分析模块、转速计算模块和数据融合模块对静电信号进行多路相关分析、转速计算并进行数据融合，最终得到被测旋转部件的转速，其中，当静电传感器阵列的静电电极个数为n时，信号多路相关分析计算转速模型如下：

$\mathrm{RPM}=\frac{60\stackrel{\‾}{v}}{\mathrm{nL}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{v}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{ij}}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)X_j(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_j^2\left(k\right)}\right)}---\left(3\right)$

$v_{\mathrm{ij}}=\frac{(j-i)L}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

其中，

为旋转部件转动的平均线速度，n为电极个数，L为相邻两电极中心之间的弧长。X_i(k)，X_j(k) (k=0,1,2,…,N-1, …,N+M-1；i,j=1,2,…,n)分别表示等间隔离散化的静电信号X_i(t)和X_j(t)，N为采样点数，M 为延时点数的最大值。τ_ij为相关函数的渡越时间，即被测旋转部件从电极i转到电极j的时间。m（m=0,1,…,M）为对应于延时τ_ij的延时点数。R_ij(m) (i, j=1,2,…,n)为X_i(k)和X_j(k)的归一化互相关函数，r_ij为互相关系数，即R_ij(m)的峰值高度。 v_ij为由第i个和第j个静电电极信号所得的线速度。

所述利用多路相关计算的结果分析得到被测部件的正向或反向的旋转方向。

Claims (2)

1.一种静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置，所述静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置的组成：静电传感器（1）均匀分布在被测旋转部件边缘外围组成静电传感器阵列，感应所在位置处旋转部件的转动信息；每个静电传感器（1）表面涂覆电极绝缘材料（3），由电极绝缘材料（3）与金属屏蔽壳（4）绝缘；每个静电传感器（1）的输出都通过信号线与信号调理单元（5）连接，信号调理单元（5）通过信号处理单元（6）与微处理器系统（7）连接；其特征在于，所述微处理器系统包括串联的互相关分析模块、转速计算模块和数据融合模块；所述静电传感器为细条状的静电电极，在转轴截面转动方向，电极宽度取决于被测旋转部件的尺寸和所采用静电电极个数，取值为1-5mm；在转轴的轴向，电极长度为10-30mm；所述静电传感器阵列根据被测旋转部件大小差异、转速测量精度高低相应的调整静电电极个数为2至8个电极，2至8个静电电极足以满多种应用场合。

2.一种静电传感器阵列和数据融合的转速测量装置的转速测量方法，其特征在于，利用静电传感器阵列感应所在位置处旋转部件的转动信息，该转动信息代表着不同位置的静电信号，静电信号通过信号调理单元（5）进行放大、滤波后，经信号处理单元（6）送入微处理器系统（7），由互相关分析模块、转速计算模块和数据融合模块对静电信号进行多路相关分析、转速计算并进行数据融合，最终得到被测旋转部件的转速，其中，当静电传感器阵列的静电电极个数为n时，信号多路相关分析计算转速模型如下：

$\mathrm{RPM}=\frac{60\stackrel{\‾}{v}}{\mathrm{nL}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{v}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{ij}}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)X_j(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_j^2\left(k\right)}\right)}---\left(3\right)$

$v_{\mathrm{ij}}=\frac{(j-i)L}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

其中，

为旋转部件转动的平均线速度，“RPM表示旋转体的转速”，n为电极个数，L为相邻两电极中心之间的弧长；X_i(k)，X_j(k)(k=0,1,2,…,N-1,…,N+M-1；i,j=1,2,…,n)分别表示等间隔离散化的静电信号X_i(t)和X_j(t)，N为采样点数，M为延时点数的最大值；τ_ij为相关函数的渡越时间，即被测旋转部件从电极i转到电极j的时间；m（m=0,1,…,M）为对应于延时τ_ij；的延时点数R_ij(m)(i,j=1,2,…,n)为X_i(k)和X_j(k)的归一化互相关函数，r_ij为互相关系数，即R_ij(m)的峰值高度；v_ij为由第i个和第j个静电电极信号所得的线速度；并且利用多路相关计算的结果分析得到被测部件的正向或反向的旋转方向。

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