CN105738644B - 一种转速测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转速测量装置，该装置需要将一个条形聚氯乙烯塑料薄片固定在旋转物体上，由于条形电荷旋转经过条形电极时会在电极表面形成有规律的感应电荷，所以新型结构传感器通过多片电极串联均匀放置在转轴附近使得信号在单个转动周期内有多个相同波形。通过信号调理电路对传感器输出信号进行放大滤波比较形成方波，最终输入单片机控制电路实现转速的计算、显示、存储与通讯。该方法不仅节约了电路成本，用单路信号实现转速测量，同时提高了精度。

Description

一种转速测量装置
技术领域
本发明属于转速测量领域，针对工业现场的旋转设备，提供一种转速测量装置。
背景技术
转速测量问题存在于电气、机械、医疗等诸多领域，准确快速的获取转速具有重要意义。在某些特定的生产过程中，不仅要求转速测量方法具有较高的准确性和实时性，还对测量仪器抗恶劣环境的能力、非接触性有所要求。
转速测量方法可以分为模拟式与数字式两种。模拟式转速测量输出与转速成线性关系的物理量，数字式会在测量时产生频率正比于转速的信号。常用的模拟式转速测量方法有测速发电机，常用的数字式转速测量方法有光电式转速测量。而现有的光电转速计或者测速发电机等测速方法，因其不能抵抗恶劣环境(光电转速计对高尘埃的场合效果不佳)、必须与旋转机构接触(测速发电机)或成本较高等因素，在应用中都有局限性。近些年来，静电传感器开始应用于非接触式转速测量领域，静电传感器具有结构简单、成本低以及对环境适应范围广等特点。专利CN202975039U给出了一种利用静电传感器测量旋转物体的装置，其方法属于模拟式转速测量方法，通过对多路信号进行互相关运算或者对单路信号进行自相关运算求取两路信号时间差或者转动周期，进行计算转速，使用微处理器或者PC机进行相关运算，需要AD采集与多路信号调理电路，所以响应速度慢、成本高、不适合大范围使用。因此，一种更具有普遍适用性的转速测量仪器亟待被研制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种转速测量装置，用于工业现场旋转设备的转速测量。
一种转速测量装置，包含一个固定在转轴上的聚氯乙烯薄片、一个静电传感器以及后续信号处理电路，条形聚氯乙烯薄片固定在待测转轴上，静电传感器安装在聚四氟乙烯薄片附近，静电传感器输出接信号调理电路产生方波，方波信号接入单片机数字电路。
所述聚氯乙烯薄片为细条行，通过J-2012型环氧树脂粘剂与转轴金属表面粘合，安装在转轴表面并与转轴轴向位置平行，其厚度为0.5mm，长度取值范围为20-40mm，宽度取值范围2-5mm。
所述静电传感器由屏蔽罩、电极片、转换电路组成，电极片安装在屏蔽罩上预留位置，转换电路与电极片相连接并安装在屏蔽罩内部。
所述电极片为细条形铜片电极，电极个数可以根据被测部件大小、测量精度等要求相应的调整为2-10个，根据待测转轴大小，电极长度在30-50mm之间适当取值，宽度在2-10mm范围取值，电极安装在屏蔽罩内环外侧，与屏蔽罩之间由绝缘材料连接，所有电极之间电气连接。
所述屏蔽罩由不锈钢或铜制作，为圆环型腔体，内外半径相差6mm，宽度40mm，屏蔽罩半径可由待测转轴大小作相应调整，屏蔽罩内环外侧均匀分布若干个用于固定电极片的位置，其个数与电极片个数相同，同时整个屏蔽罩接地形成静电屏蔽。
所述转换电路为电流电压转换电路，电路放置于屏蔽罩内部，电路器件均为贴片封装，放置于屏蔽罩内部，转换电路由屏蔽导线与外部信号处理电路连接。
所述信号处理电路包含放大电路，滤波电路、比较电路以及单片机数字电路，其中放大电路为反向输入放大电路，滤波器为巴特沃斯低通滤波器，比较电路为反向输入迟滞比较器，数字电路由单片机搭建采用M/T策略实现对方波的计时计数，从而实现对转速的计算、显示、存储和传输，
本发明有益效果是：采用结构简单、体积小、成本低的新型结构传感器实现转速的测量；多片电极均匀分布后电气连接，感应旋转中的条形塑料表面所带电荷，使得传感器输出周期波形；该发明只需一路电路实现转速的测量，避免了相关测速法中多路传感器及其电路的复杂性；该发明无需数据采集，通过调理电路输出方波实现数字化转速测量，简化了电路，降低了成本，实现了事实、准确、可靠的转速测量。
附图说明
图1静电场仿真结果：(a)感应电荷波形；(b)电流波形；
图2静电传感器；
图3转速测量装置系统示意图；
图4转速计算原理；
具体实施方式
本发明提出了一种转速测量装置，由于条形塑料与空气摩擦带电以及表面电荷附着使条形塑料呈现一定的带电性，结合仿真可知电极表面会感应如图1(a)所示的表面电荷，该表面电荷的变化会产生如图1(b)电流，峰值处对应电荷旋转经过电极片附近，通过放置于屏蔽罩内部的转换电路输出电压波形，经信号调理电路后产生方波；若干个电极电气连接后，在一个旋转周期内传感器会输出包含对应个数的方波，提高了测量精度，通过对一段时间内方波个数进行计数，达到测速的目的。由于采用静电感应原理与新结构静电传感器，具有非接触、测量精度高等特点。同时，静电传感器造价低、结构简单、抗恶劣环境能力强，可广泛应用于工业过程。
本发明的实施步骤如下：
如附图2所示，首先将条形聚氯乙烯薄片1通过胶水固定在待测转动物体上，其长度方向与转动轴向平行，静电传感器的中心与转轴中心重合，附图2以四电极静电传感器为例，四片电极3均匀的安装在屏蔽罩2内侧并通过导线电气连接，使用绝缘材料与金属屏蔽层绝缘，屏蔽罩内部放置电流电压转换电路4，其输入端与电极相连接，屏蔽罩接地对内置电路板形成屏蔽，同时减少外部干扰对电极片的影响。
如附图3所示，传感器输出接调理电路，调理电路包含放大电路、滤波电路、比较电路，其中放大电路为反向输出放大电路，滤波器为巴特沃斯低通滤波器，比较电路为反向输出迟滞比较器。
如附图3所示，调理电路输出的方波送入单片机数字电路，单片机采用M/T策略实现对方波的计时计数，从而实现对转速的计算、显示、存储和传输。
所述聚氯乙烯薄片为细条行，通过J-2012型环氧树脂粘剂与转轴金属表面粘合，安装在与转轴轴向位置平行的转轴表面上，其厚度为0.5mm，长宽取决于待测转动尺寸，长度取值范围为20-40mm，宽度取值范围2-5mm。
所述屏蔽罩由不锈钢或铜制作，为圆环型腔体，内外半径相差6mm，宽度40mm，屏蔽罩半径可由待测转轴大小作相应调整，屏蔽罩内环外侧均匀分布若干个用于固定电极片的位置，其个数与电极片个数相同，整个屏蔽罩接地形成静电屏蔽。
所述电极片为细条形铜片电极，通过绝缘材料7与屏蔽罩固定，同时所有电极片之间通过导线8电气连接，电极个数可以根据被测部件大小、测量精度等要求相应的调整为2-10个，根据待测转轴大小，电极长度在30-50mm之间适当取值，宽度在2-10mm范围取值，电极安装在屏蔽罩内环外侧，由绝缘材料与屏蔽罩连接，其长度方向与转轴轴向平行，所有电极之间电气连接。
所述转换电路为电流电压转换电路，转换电路通过屏蔽导线5经过金属套筒6与外部信号处理电路连接，电路板制作使用贴片器件，节约空间，电路安装于屏蔽罩内部，减少传感器输出所受的外界干扰，提高信噪比。
如附图4所示，所述单片机转速计算方法采用M/T策略对方波进行计数，该方法提前设定一个计数时间Tc，在方波上升沿(或下降沿)开始计时，同时开始对方波计数，在设定的时间结束后计数并不停止，而是在下一个方波上升沿(或下降沿)到来后计时停止同时计数停止，从而通过一定的计算得到转速，附图4中Td为完成一次测量所用的计时时间，fc为计时时钟频率，m1为输入信号的方波计数个数，m2为计时脉冲个数，当电极个数为k时，可以得到转速计算公式如下：
所述M/T策略需要提前设定计数时间，根据测量范围、精度以及响应快慢的要求，取0.2s到1s之间。

Claims (6)

1.一种转速测量装置，包含一个固定在转轴上的聚氯乙烯薄片、一个静电传感器以及后续信号处理电路，其特征在于，条形聚氯乙烯薄片固定在待测转轴轴向位置上，静电传感器由电极、屏蔽罩、电流电压转换电路组成，电极采用多电极电气连接设计，电极内嵌安装在屏蔽罩内侧，传感器安装在条形聚氯乙烯薄片附近，其中心轴与转轴轴线重合，静电传感器输出接信号调理电路产生方波，方波信号接入单片机数字电路。
2.根据权利要求1所述的转速测量装置，其特征在于，所述聚氯乙烯薄片为细条形 ，通过J-2012型环氧树脂粘剂与转轴金属表面粘合，安装在转轴表面并与转轴轴向位置平行，其厚度为0.5mm，长度取值范围为20-40mm，宽度取值范围2-5mm。
3.根据权利要求1所述的转速测量装置，其特征在于，所述静电传感器由屏蔽罩、电极片、电流电压转换电路组成，电极片均匀等角度间距安装在屏蔽罩内侧上预留位置，通过导线电气连接形成一个整体电极，导线放置于屏蔽罩内侧，转换电路与电极片相连接并安装在屏蔽罩内部。
4.根据权利要求3所述的转速测量装置，其特征在于，所述电极为多片细条形铜片相连接，铜片个数为2-10个，铜片长度在30-50mm之间，宽度在2-10mm范围内取值，电极安装在屏蔽罩内环外侧，与屏蔽罩之间由绝缘材料连接，所有电极之间通过导线电气连接。
5.根据权利要求3所述的转速测量装置，其特征在于，所述屏蔽罩由不锈钢或铜制作，为圆环型腔体，内外半径相差6mm，宽度40mm，屏蔽罩半径根据待测转轴大小作调整，屏蔽罩内环外侧均匀分布若干个用于固定电极片的位置，其个数与电极片个数相同，同时整个屏蔽罩接地形成静电屏蔽。
6.根据权利要求3所述的转速测量装置，其特征在于，电路放置于屏蔽罩内部，电路器件均为贴片封装，放置于屏蔽罩内部，转换电路由屏蔽导线与外部信号处理电路连接。
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