CN103344321B - 基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于旋转机械径向振动检测技术范围的一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测方法及装置。该旋转体径向漂移检测装置包括：在被测旋转体边缘外围安装一组或多组静电传感器阵列。在旋转体运转过程中，每个静电传感器通过静电感应产生静电信号。该静电信号由信号调理单元放大、滤波，经模数转换器转换后，在微处理器内进行数字信号处理，对采集到的多组静电信号分别进行静电强度的计算与分析，进而获得旋转体径向偏移的信息。相比于现有的电涡流传感器、激光位移传感器，利用静电传感器阵列检测旋转体径向漂移的装置具有结构简单、成本低廉、运维方便、不易受环境条件的影响等优点。

Description

基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测方法及装置

技术领域

本发明属于旋转机械径向振动检测技术范围，特别涉及一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测方法及装置。

背景技术

旋转机械是电力、能源、化工、航空和船舶等领域的核心设备，如汽轮机、发电机、鼓风机、压缩机等，其运行状况直接影响到整个机组的工作性能，是安全、高效生产的决定性元素。然而，在旋转机械的设计、制造、装配过程中可能存在各种各样的误差，在其运行过程中由于承载、受热、摩擦等物理、化学作用，往往造成转子不平衡、转子不对中、转轴弯曲、部件松动等状况。机械振动含有丰富的设备运行状态信息，为及时掌握设备运行故障的早期征兆，探索并发展精确、快速、经济、可靠的机械设备振动的测量方法具有十分重要的意义。对于10Hz以下的低频振动旋转机械，以位移作为评定机械振动的物理量，可以直观地反映转子的运动情况。目前应用最为广泛的是电涡流传感器，其结构简单、频率响应宽、测量线性范围大，但是对环境要求苛刻，特别是对磁干扰敏感，且对非金属材料或合金材料不能实现测量。激光位移传感器由于系统复杂、价格昂贵，限制了其大范围应用。本发明提出的一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移自动检测方法，是利用旋转体在运转过程中与空气等介质发生相对运动，从而产生电荷转移，导致旋转体的表面积累静电荷，并在其附近的静电电极上产生感应电荷。通过静电传感器采集到的静电信号，其静电强度与电极到旋转体表面的距离存在映射关系。因此，静电信号经过信号调理、处理后，分析每组信号的静电强度及其变化规律，最终判断旋转体偏移的方向及位置。此方法属于非接触式测量，避免了机械磨损，结构简单、价格低廉、灵敏度高、运维方便，而且适用于恶劣的工业环境条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测方法及装置。

一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置，其特征在于，所述基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置的组成：静电传感器a均匀分布在被测旋转体c边缘外围且距离转轴轴心O等距离处，安装在金属屏蔽壳d内壁上，组成静电传感器阵列；每个静电传感器a表面涂覆电极绝缘材料b，由电极绝缘材料b与金属屏蔽壳d绝缘；每个静电传感器a的输出直接与信号调理单元的输入连接，信号调理单元通过信号屏蔽线与信号处理单元连接。

所述静电传感器阵列的静电电极个数及组数根据被测旋转体大小差异、检测精度高低相应地调整。

所述每组静电传感器的静电电极个数为4个、6个或8个；4个静电电极就能够满足多种应用场合；静电传感器阵列的组数由旋转体轴向长度决定。

所述静电传感器的静电电极由细条状的铜片制成，电极绝缘材料为聚氯乙烯、环氧树脂或聚酰胺。

所述静电传感器的静电电极尺寸，在转轴截面转动方向，电极宽度取决于被测旋转体的尺寸和所采用的静电电极个数，取值为1-5mm；在转轴的轴向，电极长度为10-20mm。

所述旋转体为金属材料时，其表面可以贴敷单片、多片或连续的易摩擦带电的绝缘材料，其中易摩擦带电的绝缘材料为聚氯乙烯、尼龙或聚四氟乙烯，以提高低速工况下静电信号的强度。

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

一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测方法，其特征在于，旋转体运转过程中，每个静电传感器由于静电感应产生静电信号，该静电信号通过信号调理单元进行放大、滤波后，经信号处理单元计算得到静电强度；由于电极到旋转体表面的距离越近，静电强度越大，反之亦然，所以通过计算每个电极的静电强度的相对偏差，以反映旋转体的径向漂移情况；静电强度的计算模型采用静电信号的均方根RMS值来表示，

${\mathrm{RMS}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}^2}---\left(1\right)$

其中，i表示电极1、2、3或4，S_ij表示在i号电极上感应的静电信号，j表示采样点，N表示最大采样点数。

当每组静电传感器个数为m时，平均静电强度表示为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{RMS}}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RMS}}_i---\left(2\right)$

每个电极静电强度的相对偏差δS_i为：

$\mathrm{\δ}{S}_i=\frac{{\mathrm{RMS}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{RMS}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{RMS}}}\×100\%---\left(3\right)$

如果只有单个电极静电强度的相对偏差为正，且数值比较大，如果δS₁为正，δS₂、δS₃、δS₄为负，则认为旋转体偏向于1号电极；如果有两个电极静电强度的相对偏差为正，且数值比较大，则认为旋转体偏向于这两个电极之间的方向；δS_i的计算值与旋转体径向漂移情况的关系如下表所述。

δS1	δS2	δS3	δS4	旋转体径向漂移情况
					+	-	-	-	偏向1号电极
-	+	-	-	偏向2号电极
					-	-	+	-	偏向3号电极
-	-	-	+	偏向4号电极
					+	+	-	-	偏向1、2号电极之间
-	+	+	-	偏向2、3号电极之间
					-	-	+	+	偏向3、4号电极之间
+	-	-	+	偏向1、4号电极之间

如果δS_i为正值，且关于时间t的函数δS_i(t)是一条平缓的直线(如图2所示的直线)，则认为旋转体是在偏向i号电极方向产生静态漂移；如果δS_i(t)是一条穿越时间轴且上下波动的曲线(如图2所示的曲线)，则认为旋转体是在i号电极方向产生动态漂移；由此判断电极静电强度的相对偏差是随时间变化而变化的趋势。

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体径向漂移自动检测；静电传感器感应旋转体运转过程中表面产生的静电荷，通过信号调理单元和信号处理单元减小背景噪声对有用信号的影响；其次，利用静电传感器阵列中每个电极静电强度的相对偏差，反映旋转体的径向漂移情况，可以避免如旋转体的材料、大小、转速高低以及温度、湿度等因素对静电强度的影响，从而得到实时、可靠的旋转体漂移情况。

附图说明

图1为旋转体径向漂移自动检测装置中静电传感器阵列结构示意图。

图中：a.静电传感器，b.电极绝缘材料，c.被测旋转体，d.金属屏蔽壳。

图2为静电信号S_i的静电强度的相对偏差δS_i。

具体实施方式

本发明提供一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的自动检测方法及装置。下面结合附图和实施例对本发明予以说明如下：

图1所示为基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移自动检测装置中静电传感器阵列的结构示意图。图中，所述静电传感器阵列的旋转体径向漂移自动检测装置的组成：静电传感器a均匀分布在被测旋转体c边缘外围且距离转轴轴心O等距离处，安装在金属屏蔽壳d内壁上，如图1中的1、2、3、4号电极组成静电传感器阵列；每个静电传感器a表面涂覆电极绝缘材料b，由电极绝缘材料b与金属屏蔽壳d绝缘；每个静电传感器a的输出直接与信号调理单元的输入连接，信号调理单元通过信号屏蔽线与信号处理单元连接。

所述静电传感器阵列的静电电极个数及组数可以根据被测旋转体大小差异、检测精度高低相应地调整。一般每组静电传感器的电极个数为4个、6个或8个，4个静电电极一般可以满足多种应用场合。静电传感器阵列的组数由旋转体轴向长度决定。

所述静电传感器的感应电极由细条状的铜片制成，电极绝缘材料为聚氯乙烯或环氧树脂、聚酰胺等绝缘材料制成。

所述静电传感器的感应电极尺寸，在转轴截面转动方向，电极宽度取决于被测旋转体的尺寸和所采用的静电电极个数，取值为1-5mm；在转轴的轴向，电极长度为10-20mm。

所述旋转体为金属材料时，其表面可以贴敷单片、多片或连续的易摩擦带电的绝缘材料，如聚氯乙烯、尼龙、聚四氟等，以提高低速工况下静电信号的强度。

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

一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的自动检测方法，其特征在于，旋转体运转过程中，每个静电传感器由于静电感应产生静电信号，该静电信号通过信号调理单元进行放大、滤波后，经信号处理单元计算得到静电强度。由于电极到旋转体表面的距离越近，静电强度越大，反之亦然，所以通过计算每个电极的静电强度相对偏差，可以反映旋转体径向偏移的情况。

静电强度的计算模型采用静电信号的均方根RMS值来表示。

${\mathrm{RMS}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}^2}---\left(1\right)$

其中，i表示电极1、2、3或4，S_ij表示在i号电极上感应的静电信号，j表示采样点，N表示最大采样点数。

当每组静电传感器个数为m时，平均静电强度表示为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{RMS}}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RMS}}_i---\left(2\right)$

每个电极静电强度的相对偏差δS_i为：

$\mathrm{\δ}{S}_i=\frac{{\mathrm{RMS}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{RMS}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{RMS}}}\×100\%---\left(3\right)$

如果只有单个电极的相对偏差为正且数值比较大，比如δS₁为正，δS₂、δS₃、δS₄为负，可以认为旋转体偏向于1号电极。如果有两个电极的相对偏差为正且数值比较大，可以认为旋转体偏向于这两个电极之间的方向。δS_i的计算值与旋转体径向漂移情况的关系如表1所述。

表1δS_i的计算值与旋转体径向漂移情况的关系

δS1	δS2	δS3	δS4	旋转体径向漂移情况
					+	-	-	-	偏向1号电极
-	+	-	-	偏向2号电极
					-	-	+	-	偏向3号电极
-	-	-	+	偏向4号电极
					+	+	-	-	偏向1、2号电极之间
-	+	+	-	偏向2、3号电极之间
					-	-	+	+	偏向3、4号电极之间
+	-	-	+	偏向1、4号电极之间

根据相对偏差随时间的变化趋势，可以判断漂移的性质。如果δS_i为正值且关于时间t的函数δS_i(t)是一条平缓的直线(如图2所示的直线)，可以认为旋转体在偏向i号电极方向产生静态漂移。如果δS_i(t)是一条穿越时间轴且上下波动的曲线(如图2所示的曲线)，可以认为旋转体在i号电极方向产生动态漂移。

Claims (6)

1.一种基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置，其特征在于，所述基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置的组成为静电传感器(a)均匀分布在被测旋转体(c)边缘外围，且距离转轴轴心O等距离处，静电传感器安装在金属屏蔽壳(d)内壁上；由多个静电传感器(a)组成静电传感器阵列；每组静电传感器阵列的静电电极个数为4，静电传感器阵列的组数由旋转体轴向长度决定；每个静电传感器(a)表面涂覆电极绝缘材料(b)，由电极绝缘材料(b)与金属屏蔽壳(d)绝缘；每个静电传感器(a)的输出直接与信号调理单元的输入连接，信号调理单元通过信号屏蔽线与信号处理单元连接。

2.根据权利要求1所述基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置，其特征在于，所述静电传感器的静电电极由细条状的铜片制成，电极绝缘材料为聚氯乙烯、环氧树脂或聚酰胺。

3.根据权利要求1所述基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置，其特征在于，所述静电传感器的静电电极尺寸，在转轴截面转动方向，电极宽度取决于被测旋转体的尺寸和所采用的静电电极个数，取值为1-5mm；在转轴的轴向，电极长度为10-20mm。

4.根据权利要求1所述基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置，其特征在于，所述旋转体为金属材料，其表面贴敷单片、多片或连续的易摩擦带电的绝缘材料，其中易摩擦带电的绝缘材料为聚氯乙烯、尼龙或聚四氟乙烯，以提高低速工况下静电信号的强度。

5.根据权利要求1所述基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置，其特征在于，所述金属屏蔽壳由不锈钢或铜制成，将全部电极屏蔽，防止外界因素对静电传感器阵列的干扰。

6.一种权利要求1所述基于静电传感器阵列的旋转体径向漂移的检测装置的旋转体径向漂移的检测方法，其特征在于，旋转体运转过程中，每个静电传感器由于静电感应产生静电信号，该静电信号通过信号调理单元进行放大、滤波后，经信号处理单元计算得到静电强度；由于电极到旋转体表面的距离越近，静电强度越大，反之亦然，所以通过计算每个电极的静电强度的相对偏差，以反映旋转体的径向漂移情况；静电强度的计算模型采用静电信号的均方根RMS值来表示，

${\mathrm{RMS}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{ij}^2}---\left(1\right)$

其中，i表示电极1、2、3或4，S_ij表示在i号电极上感应的静电信号，j表示采样点，N表示最大采样点数；平均静电强度表示为：

$\stackrel{\‾}{RMS}=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{\mathrm{RMS}}_i---\left(2\right)$

每个电极静电强度的相对偏差δS_i为：

${\mathrm{\δS}}_i=\frac{{\mathrm{RMS}}_i-\stackrel{\‾}{RMS}}{\stackrel{\‾}{RMS}}\×100\%---\left(3\right)$

如果只有单个电极静电强度的相对偏差为正，且数值比较大，如果δS₁为正，δS₂、δS₃、δS₄为负，则认为旋转体偏向于1号电极；如果有两个电极静电强度的相对偏差为正，且数值比较大，则认为旋转体偏向于这两个电极之间的方向；δS_i的计算值与旋转体径向漂移情况的关系如表1所述，

表1δS_i的计算值与旋转体径向漂移情况的关系

δS₁ δS₂ δS₃ δS₄ 旋转体径向漂移情况 + - - - 偏向1号电极 - + - - 偏向2号电极 - - + - 偏向3号电极 - - - + 偏向4号电极 + + - - 偏向1、2号电极之间 - + + - 偏向2、3号电极之间 - - + + 偏向3、4号电极之间 + - - + 偏向1、4号电极之间

如果δS_i为正值，且关于时间t的函数δS_i(t)是一条平缓的直线，则认为旋转体是在偏向i号电极方向产生静态漂移；如果δS_i(t)是一条穿越时间轴且上下波动的曲线，则认为旋转体是在i号电极方向产生动态漂移；由此判断电极静电强度的相对偏差随时间变化而变化的趋势。