CN105937875B - 一种动态间隙测量仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种动态间隙测量仪及其测量方法，动态间隙测量仪包括间隙探针(4)、激励组件和位移测量组件，所述激励组件包括振动器(6)、振动器固定杆(7)和振动控制环(5)，所述振动器(6)设在所述振动器固定杆(7)上，所述位移测量组件包括电涡流位移传感器(3)和位移传感器固定杆(2)，用于测量间隙的所述间隙探针(4)套设在振动控制环(5)之中，所述振动控制环(5)连接振动器(6)使得振动器(6)的振动响应传递到间隙探针(4)，设在位移传感器固定杆(2)上的电涡流位移传感器(3)测量所述间隙探针(4)的位移响应。
Description
技术领域
本发明属于测量领域，特别是涉及一种动态间隙测量仪及其测量方法。
背景技术
在机械结构中，由于装配和润滑的需求，各部件结合面之间不可避免的存在间隙。由于结合面间隙的存在，在外力和外力矩的作用下，结合部件相对结合面会产生偏移，这种偏移也必然会导致结构部件相对于理想位置产生偏移，从而导致响应精度的下降。此外，由于运动过程中产生的磨损、热效应及局部变形等因素的影响，间隙值将逐渐增大，从而不断地改变部件间的受力情况，导致构件间磨损加剧，同时会产生刺耳的噪音，严重影响系统的运动精度和稳定性，进而使得机械结构的动力性能下降。间隙值测量能够有助于了解不同间隙下系统的作用规律，为控制和消除由间隙诱发的系统偏差提供基础。因此，研究间隙值的测量，尤其是动态间隙值监测具有实际意义。人们已经发明了一系列精巧的结构及方式来测量间隙值的大小。比如，利用间隙塞尺的组合可以精确测量间隙值；利用图象处理的方式可以方便地测量间隙值的大小；现在甚至出现了一些电子式的数字游标间隙尺。
目前，用于间隙测量方式较多，然而主要的间隙测量装置及方式有以下不足：间隙塞尺组合操作复杂，组合的过程中会带来误差，且测量精度会受人为主观因素以及材料属性的影响；图象处理的方式精度较差，且只能测量机构间隙外沿的间隙值；数字游标间隙尺由于测量头厚度的限制，无法实现微小间隙值的精确测量。
专利文献CN104359378 A公开的一种数字游标间隙尺包括游标尺组件、压力测量组件、连接装置，所述数字间隙尺组件包括游标(2)、主尺(1)、紧固螺钉(3)；所述压力测量组件包括压力传感器(6)、推力杆(8)、直线轴承(5)、紧固螺栓(7)；所述连接装置包括斜连接杆(4)、销钉(9)、主连接杆(10)、连接螺栓(11)。该专利采用游标卡尺作为测量主尺，通过连接装置将推力杆的微小位移放大，实现微小间隙值的精确测量。但该专利由于自身结构的限制，无法实现狭小空间内间隙值的测量。
专利文献CN204064527U公开的一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试装置包括被测转轴、左右卡环、辅助支撑、位移测量臂、参考臂、约束阻尼器、电涡流位移传感器以及测量电路；左右卡环分别固定于被测转转轴的两端，辅助支撑位于左右卡环两者中间位置，卡装于被测转轴上；位移测量臂和参考臂的粗端分别通过左右卡环与被测转轴固联，随转轴一同旋转；位移测量臂和参考臂的另一端细端自由放置在辅助支撑上，成为自由端，静止时，位移测量臂和参考臂互相平行，并同时平行于测转转轴轴线；位移测量臂的自由端面向参考臂上安装反射式电涡流位移传感器，参考臂的自由端面向位移测量臂处安装铜质的感应圆盘，形成对涡流位移传感器的参考点；在位移测量臂和参考臂的自由端外侧分别连接相同的约束阻尼器，约束阻尼器的外壳固连于辅助支撑上，电涡流位移传感器安装在位移测量臂的自由端，与参考臂自由端构成测量位移的相对参考点；测量电路固定在被测转轴上，输出激励到涡流传感器，涡流传感器信号输入到测量电路，测量电路根据采集信号计算出实时扭矩载荷数据。该专利适合大轴径尺寸的微小扭转变形的高精度测试，但该专利无法实现微小间隙值的精确测量。
专利文献CN103017647A公开的一种液压对击锤锤头位移量的检测方法将液压对击锤锤头侧面竖直方向刻上凹槽刻度，采用固定在机架上且正对凹槽刻度的检测传感器感应锤头凹槽移动，当凹槽进入电涡流位移传感器感应区域时，检测传感器输出一个随位移量连续变化的电压信号，通过实时检测输出的电压信号并加以计算，确定锤头打击过程中的位移量；具体步骤为：1)在液压对击锤锤头侧面竖直方向刻上多个等距且大小相等的凹槽，在对击锤机架上正对凹槽刻度的位置安装检测传感器，分别安装在上、下锤头打击时经过的位置；2)启动液压对击锤，上下锤头做对击运动，当两个锤头分别经过对应的检测传感器时，检测传感器感应到锤头上凹槽刻度，电涡流位移传感器输出连续变化的电压信号；3)数据采集卡将采集的电压信号传输至上位机进行处理。该专利可以实时检测对击锤锤头的位移量，但该专利无法实现微小间隙值的精确测量。
因此，本领域急需要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种用于精确测量间隙值以及监测间隙值动态变化的动态间隙测量仪。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
根据本发明的一方面，一种动态间隙测量仪包括间隙探针、激励组件和位移测量组件，所述激励组件包括振动器、振动器固定杆和振动控制环，所述振动器设在所述振动器固定杆上，所述位移测量组件包括电涡流位移传感器和位移传感器固定杆，用于测量间隙的所述间隙探针套设在振动控制环之中，所述振动控制环连接振动器使得振动器的振动响应传递到间隙探针，设在位移传感器固定杆上的电涡流位移传感器测量所述间隙探针的位移响应。
优选地，所述动态间隙测量仪设有处理器，所述处理器基于来自两个所述电涡流位移传感器的位移响应和来自所述振动器的振动响应进行处理。
优选地，所述处理器基于以下公式计算间隙值，
其中，Xi(w)，i＝1、2、3、4，其分别表示振动器激励位置、两个电涡流位移传感器测量的位移响应以及间隙探针与所测间隙之间的位移响应，HL表示间隙探针(4)的频响函数，F(ω)表示振动器的激励力，Fnl(ω)表示所测间隙的非线性力。
优选地，所述动态间隙测量仪设有支撑组件和底座，所述支撑组件包括支撑架和支撑架紧固螺栓，所述支撑架下部经由支撑架紧固螺栓连接底座，所述底座上设有用于移动和固定支撑架的倒T型槽。
优选地，所述动态间隙测量仪设有探针调节组件，所述探针调节组件包括摇板和止旋螺栓，所述摇板左右两端经由止旋螺栓连接所述支撑架；所述间隙探针通过尾端的螺纹连接所述摇板，所述位移传感器固定杆后端连接所述摇板，所述振动器固定杆后端连接所述摇板。
优选地，可旋转的所述摇板经由止旋螺栓固定旋转角度以使间隙探针插入间隙，并使所述间隙探针与间隙的两侧之间留有空隙。
优选地，所述间隙探针具有不同直径且所述振动控制环具有相应的不同内径。
优选地，摇板通过两端的凸台设在所述支撑架上。
根据本发明的另一方面，一种使用根据所述的动态间隙测量仪的测量方法包括以下步骤。
第一步骤中，根据所测间隙选择直径适当的间隙探针以及相应的振动控制环，用于测量间隙的所述间隙探针套设在所述振动控制环之中。
第二步骤中，调整支撑架的位置以及摇板的角度并通过支撑架固定螺栓以及止旋螺栓固定，使得间隙探针插入所测间隙中并与所测间隙的两侧之间留有空隙。
第三步骤中，开启振动器，设在位移传感器固定杆上的两个电涡流位移传感器测量所述间隙探针的位移响应。
优选地，在第三步骤中，所述处理器基于来自所述电涡流位移传感器的位移响应和来自所述振动器的振动响应进行处理，所述处理器基于以下公式计算间隙值并绘制间隙非线性力-位移曲线，
其中，Xi(w)，i＝1、2、3、4，其分别表示振动器激励位置、两个电涡流位移传感器测量的位移响应以及间隙探针与所测间隙之间的位移响应，HL表示间隙探针(4)的频响函数，F(ω)表示振动器的激励力，Fnl(ω)表示所测间隙的非线性力。
本发明具有如下有益效果和显著的进步：
1)所述动态间隙测量仪依靠间隙探针实现间隙值的测量，结构简单加工方便。
2)所述动态间隙测量仪可实现不同大小不同位置的间隙值测量，操作简单方便。
3)所述动态间隙测量仪可实现机构间隙值动态变化的实时监测。
4)所述动态间隙测量仪与间隙塞尺相比不需要进行操作复杂的叠加组合，测量结果不受人为主观因素和被测对象材料属性的影响。
5)所述动态间隙测量仪与图像处理方法相比，能够测量存在一定深度的开口间隙的内部间隙值分布。
6)所述动态间隙测量仪与数字游标间隙尺相比，不受测量头厚度的影响，可实现微小间隙值的测量。
7)所述动态间隙测量仪与数字间隙尺相比，间隙探针结构小巧，可实现狭小空间内间隙值的测量。
8)结构紧凑、通用性强，而且加工装配容易、操作简单。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了，说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件；
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的动态间隙测量仪的结构示意图；
图2是根据本发明另一个实施例的动态间隙测量仪的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的测量方法的步骤示意图；
附图标记对应的部件名称：1底座；2位移传感器固定杆；3电涡流位移传感器；4间隙探针；5振动控制环；6振动器；7振动器固定杆；8摇板；9支撑架；10止旋螺栓；11支撑架紧固螺栓；
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明的一个实施例的动态间隙测量仪的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。
如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种动态间隙测量仪，一种动态间隙测量仪，其包括间隙探针4、激励组件和位移测量组件，所述激励组件包括振动器6、振动器固定杆7和振动控制环5，所述振动器6设在所述振动器固定杆7上，所述位移测量组件包括电涡流位移传感器3和位移传感器固定杆2，用于测量间隙的所述间隙探针4套设在振动控制环5之中，所述振动控制环5连接振动器6使得振动器6的振动响应传递到间隙探针4，设在位移传感器固定杆2上的两个电涡流位移传感器3测量所述间隙探针4的位移响应。通过插入间隙位置处的间隙探针4的位移响应实现机构内间隙值的测量。
本发明实施例优选的是，所述动态间隙测量仪设有处理器，所述处理器基于来自两个所述电涡流位移传感器3的位移响应和来自所述振动器6的振动响应进行处理。两个所述电涡流位移传感器3用以测量间隙探针4的两个不同位置的位移响应，根据测得的位移响应利用间隙特性实现间隙值的精确测量。
在一个实施例中，所述处理器基于以下公式计算间隙值，
其中，Xi(w)，i＝1、2、3、4，其分别表示振动器激励位置、两个电涡流位移传感器测量的位移响应以及间隙探针与所测间隙之间的位移响应，HL表示间隙探针4的频响函数，F(ω)表示振动器6的激励力，Fnl(ω)表示所测间隙的非线性力。因此可通过式1求取间隙探针4与被测间隙接触端部的位移响应X4(ω)和所受间隙非线性力Fnl(ω)；通过傅里叶逆变换将X4(ω)和Fnl(ω)转换到时域，然后绘制间隙非线性力-位移曲线，其呈三线性，曲线两拐点之间的距离再加上间隙探针的直径即为所测间隙值。
在本发明实施例中优选地，处理器可编译、组织或分析数据。处理器可以包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA、模拟电路、数字电路、及其组合、或其他己知或以后开发的处理器。处理器可包括存储器，该存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器。存储器可以包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器、电子可擦除可编程只读存储器EEPROM或其它类型的存储器。
图2为本发明的一个实施例的动态间隙测量仪的结构示意图，本发明实施例将结合图2进行具体说明。
如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种动态间隙测量仪，一种动态间隙测量仪，其包括间隙探针4、激励组件，位移测量组件，所述激励组件包括振动器6、振动器固定杆7和振动控制环5，所述振动器6设在所述振动器固定杆7上，所述位移测量组件包括电涡流位移传感器3和位移传感器固定杆2，用于测量间隙的所述间隙探针4套设在振动控制环5之中，所述振动控制环5连接振动器6使得振动器6的振动响应传递到间隙探针4，设在位移传感器固定杆2上的两个电涡流位移传感器3测量所述间隙探针4的位移响应，所述动态间隙测量仪设有支撑组件和底座1，所述支撑组件包括支撑架9和支撑架紧固螺栓11，所述支撑架9下部经由支撑架紧固螺栓11连接底座1，所述底座1上设有用于移动和固定支撑架9的倒T型槽。
本发明实施例优选的是，所述动态间隙测量仪设有探针调节组件，所述探针调节组件包括摇板8和止旋螺栓10，所述摇板8左右两端经由止旋螺栓10连接所述支撑架9；所述间隙探针4通过尾端的螺纹连接所述摇板8，所述位移传感器固定杆2后端连接所述摇板8，所述振动器固定杆7后端连接所述摇板8。
本发明实施例优选的是，可旋转的所述摇板8经由所述止旋螺栓10固定旋转角度以使间隙探针4插入间隙，并使所述间隙探针4与间隙的两侧之间留有空隙。
本发明实施例优选的是，所述间隙探针4具有不同直径且所述振动控制环5具有相应的不同内径，通过不同直径的间隙探针4能极大地扩展间隙测量范围，实现微小间隙值的测量。
本发明实施例优选的是，所述位移测量组件包括两个以上的电涡流位移传感器3，摇板8通过两端的凸台设在所述支撑架9上。
优选地，所述电涡流位移传感器3可将所测间隙探针4的振动信息通过数据传输线传输给数据采集设备，并通过电脑将采集数据处理，以实现数字化测量。
优选地，所述动态间隙测量仪能够测量存在一定深度的开口间隙的内部间隙值分布，同时能够用以实现机构间隙的间隙值动态变化监测。
参见图3，根据本发明一个实施例的使用所述的动态间隙测量仪的测量方法包括以下步骤。
第一步骤S1中，根据所测间隙选择直径适当的间隙探针4以及相应的振动控制环5，用于测量间隙的所述间隙探针4套设在所述振动控制环5之中。
第二步骤S2中，调整支撑架9的位置以及摇板8的角度并通过支撑架固定螺栓11以及止旋螺栓10固定，使得间隙探针4插入所测间隙中并与所测间隙的两侧之间留有空隙。
第三步骤S3中，开启振动器6，设在位移传感器固定杆2上的两个电涡流位移传感器3测量所述间隙探针4的位移响应。电涡流位移传感器3可外接数据采集设备。
本发明实施例优选的是，在第三步骤S3中，所述处理器基于来自所述电涡流位移传感器3的位移响应和来自所述振动器6的振动响应进行处理，所述处理器基于以下公式计算间隙值并绘制间隙非线性力-位移曲线，
其中，Xi(w)，i＝1、2、3、4，其分别表示振动器激励位置、两个电涡流位移传感器测量的位移响应以及间隙探针与所测间隙之间的位移响应，HL表示间隙探针4的频响函数，F(ω)表示振动器6的激励力，Fnl(ω)表示所测间隙的非线性力。通过如处理器的数据采集设备采集电涡流位移传感器3的测量值x2(t)和x3(t)；通过傅里叶变换将所测位移响应转换到频域X2(ω)和X3(ω)并代入公式1中，表示间隙探针在上述位置处的频响函数HL可事先通过实验测得，因此可通过式1求取间隙探针4与被测间隙接触端部的位移响应X4(ω)和所受间隙非线性力Fnl(ω)；通过傅里叶逆变换将X4(ω)和Fnl(ω)转换到时域，然后绘制间隙非线性力-位移曲线，其呈三线性，曲线两拐点之间的距离再加上间隙探针的直径即为所测间隙值。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种动态间隙测量仪，其包括间隙探针(4)、激励组件和位移测量组件，所述激励组件包括振动器(6)、振动器固定杆(7)和振动控制环(5)，所述振动器(6)设在所述振动器固定杆(7)上，所述位移测量组件包括电涡流位移传感器(3)和位移传感器固定杆(2)，其特征在于：用于测量间隙的所述间隙探针(4)套设在振动控制环(5)之中，所述振动控制环(5)连接振动器(6)使得振动器(6)的振动响应传递到间隙探针(4)，设在位移传感器固定杆(2)上的电涡流位移传感器(3)测量所述间隙探针(4)的位移响应，所述动态间隙测量仪设有处理器。
2.根据权利要求1所述的动态间隙测量仪，其特征在于：所述处理器基于来自两个所述电涡流位移传感器(3)的位移响应和来自所述振动器(6)的振动响应进行处理。
3.根据权利要求2所述的动态间隙测量仪，其特征在于：所述处理器基于以下公式计算间隙值，
其中，Xi(w)，i＝1、2、3、4，其分别表示振动器激励位置、两个电涡流位移传感器测量的位移响应以及间隙探针与所测间隙之间的位移响应，HL表示间隙探针(4)的频响函数，F(ω)表示振动器(6)的激励力，Fnl(ω)表示所测间隙的非线性力。
4.根据权利要求1所述的动态间隙测量仪，其特征在于：所述动态间隙测量仪设有支撑组件和底座(1)，所述支撑组件包括支撑架(9)和支撑架紧固螺栓(11)，所述支撑架(9)下部经由支撑架紧固螺栓(11)连接底座(1)，所述底座(1)上设有用于移动和固定支撑架(9)的倒T型槽。
5.根据权利要求4所述的动态间隙测量仪，其特征在于：所述动态间隙测量仪设有探针调节组件，所述探针调节组件包括摇板(8)和止旋螺栓(10)，所述摇板(8)左右两端经由止旋螺栓(10)连接所述支撑架(9)；所述间隙探针(4)通过尾端的螺纹连接所述摇板(8)，所述位移传感器固定杆(2)后端连接所述摇板(8)，所述振动器固定杆(7)后端连接所述摇板(8)。
6.根据权利要求5所述的动态间隙测量仪，其特征在于：可旋转的所述摇板(8)经由所述止旋螺栓(10)固定旋转角度以使间隙探针(4)插入间隙，并使所述间隙探针(4)与间隙的两侧之间留有空隙。
7.根据权利要求1所述的动态间隙测量仪，其特征在于：所述间隙探针(4)具有不同直径且所述振动控制环(5)具有相应的不同内径。
8.根据权利要求5所述的动态间隙测量仪，其特征在于：摇板(8)通过两端的凸台设在所述支撑架(9)上。
9.一种使用根据权利要求1-8中任一项所述的动态间隙测量仪的测量方法，其包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，根据所测间隙选择直径适当的间隙探针(4)以及相应的振动控制环(5)，用于测量间隙的所述间隙探针(4)套设在所述振动控制环(5)之中；
第二步骤(S2)中，调整支撑架(9)的位置以及摇板(8)的角度并通过支撑架固定螺栓(11)以及止旋螺栓(10)固定，使得间隙探针(4)插入所测间隙中并与所测间隙的两侧之间留有空隙；
第三步骤(S3)中，开启振动器(6)，设在位移传感器固定杆(2)上的两个电涡流位移传感器(3)测量所述间隙探针(4)的位移响应。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于：
在第三步骤(S3)中，处理器基于来自所述电涡流位移传感器(3)的位移响应和来自所述振动器(6)的振动响应进行处理，所述处理器基于以下公式计算间隙值并绘制间隙非线性力-位移曲线，
其中，Xi(w)，i＝1、2、3、4，其分别表示振动器激励位置、两个电涡流位移传感器测量的位移响应以及间隙探针与所测间隙之间的位移响应，HL表示间隙探针(4)的频响函数，F(ω)表示振动器(6)的激励力，Fnl(ω)表示所测间隙的非线性力。
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- 2016-06-30 CN CN201610505130.XA patent/CN105937875B/zh not_active Expired - Fee Related
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