CN106248989A - 基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置及方法 - 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的金属转子旋转速度测量装置及方法。该装置介电标记、传感器单元、信号调理单元、信号处理单元及信号分析单元。该方法在被测金属转子表面沿旋转方向粘贴一个或多个介电标记，在转子外围邻近介电标记处安装静电传感器或静电传感器阵列。介电标记采集的静电信号通过信号调理单元进行放大、滤波后，经信号处理单元送入信号分析单元对静电信号进行自相关、互相关、多路相关及数据融合，最终得到金属转子的转速；相比于现有技术，基于静电传感器的转子旋转速度测量装置结构简单、成本低、不易受粉尘、油污等环境因素的影响，属于非接触测量方法，测量范围宽、适用性广且具有较高的准确性。

Description

基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置及方法

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的金属转子旋转速度测量装置及方法。

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。目前常用的转速测量方法中：光电式转速计需要在转轴上安装光电码盘或者在转轴表面贴附反光条，而且测量性能容易受环境粉尘、油污的影响；磁阻式、磁电式以及电涡流式转速测量装置，在转轴上均需要安装附加元件，如霍尔元件、测速齿轮或键相，无法实现转子速度的直接测量。近年来，闫勇等人提出了利用静电传感器实现非金属转子旋转速度直接测量的装置及方法[ZL 201210344563.3,ZL201210344496.5]，并取得了良好的测量效果。然而，针对工业生产中大型旋转设备多为金属转子而且转速范围变化大的问题，

发明内容

本发明的目的是提出一种基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置及方法，其特征在于，所述旋转速度测量装置包括：介电标记1粘贴、喷涂或镶嵌在被测金属转子2的圆周上，静电传感器3安装在被测金属转子2边缘外围，每个静电电极4周围由绝缘材料5绝缘，静电电极4后侧为信号预放大电路，位于金属屏蔽壳6内；静电电极4、信号调理单元7、信号处理单元8和信号分析单元9串联。

所述介电标记材料为易产生并积累静电荷的聚四氟固体材料或涂料。

所述介电标记的个数为单个或多个：当介电标记为1个时，旋转一周过程中静电传感器输出单个脉冲的静电信号；当介电标记为多个时，介电标记的固定位置按不等间隔的随机数产生以形成多个随机脉冲的静电信号，相邻两个标记的中心间距至少为2倍的标记宽度。

一种基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置的金属转子旋转速度测量方法，其特征在于，静电电极(4)感应的静电信号通过信号调理单元7进行放大、滤波后，经信号处理单元8送入信号分析单元9对静电信号进行自相关、互相关、多路相关及数据融合，最终得到金属转子的转速；具体算法如下：

若转子直径为D，标记在圆周方向宽度为w，标记个数为n，相邻两个介电标记1的中心间距为d₁,d₂,d₃…d_n，则各变量满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{d}_n=\mathrm{\π}D\\ d_i\≥2w\end{array}\right.---\left(1\right)$

其介电标记1的形状、尺寸、厚度根据实际转子大小和固定方式而定，但是介电标记1的宽度不超过静电电极4的宽度。

所述静电传感器电极为条形或弧形，在转轴截面转动方向，静电传感器电极宽度为转子直径的0.05‐0.1倍；在转轴的轴向，静电电极长度为20mm‐50mm；静电电极距离绝缘条的距离为2mm‐10mm。

所述静电传感器为单电极静电传感器、双电极静电传感器或阵列式静电传感器；其中，双电极静电传感器的电极间距为其电极宽度的2‐4倍；阵列式静电传感器根据被测旋转部件大小差异、转速测量精度高低相应地调整传感器个数。

所述单电极静电传感器适用于平稳速度的测量，双电极和多电极静电传感器对变动速度的响应快。

所述静电传感器为单电极静电传感器时，信号自相关分析计算转速模型如下：

$\mathrm{\ρ}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}S\left(k\right)S(k+m)}{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}^2\left(k\right)}---\left(2\right)$

$RPM=\frac{60}{T}---\left(3\right)$

式中，S(k)(k＝1,2,…,2N)表示等间隔离散化的静电信号S(t)，k为静电信号的采样点，N为相关计算的点数，m为延时点数。ρ(m)为S(k)的归一化自相关函数；RPM为由信号S(k)得到的转速，T为旋转周期，是ρ(m)中除m＝0以外的第一个峰值点所对应的时间值。

所述静电传感器为双电极静电传感器时，信号互相关分析计算转速模型如下：

${\mathrm{\ρ}}_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_1\left(k\right)S_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_2^2\left(k\right)}\right)}---\left(4\right)$

$RPM=\frac{30\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}t}---\left(5\right)$

ρ₁₂(m)为S₁(k)和S₂(k)的归一化互相关函数。RPM为由信号S₁(k)和S₂(k)得到的转速，α为两个静电电极距离转子中心的夹角；τ为被测转子从静电电极1旋转到静电电极2的时间，也是ρ₁₂(m)的渡越时间，即峰值点对应的时间值。

所述静电传感器为阵列式分布时，感应电极个数为n时，信号多路相关分析计算转速模型如下：

${\mathrm{\ρ}}_{ij}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i\left(k\right)S_j(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_j^2\left(k\right)}\right)}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ω}}_{ij}=\frac{(j-i)2\mathrm{\π}}{{\mathrm{n\τ}}_{ij}}---\left(7\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_{ij}{\mathrm{\ω}}_{ij}}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_{ij}}---\left(8\right)$

r_ij＝max(ρ_ij) (9)

$RPM=\frac{30\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\π}}---\left(10\right)$

其中，S_i(k)、S_j(k)(k＝1,2,…,2N)表示第i、j个静电电极采集到的静电信号S_i(t)、S_j(t)的离散化形式；ρ_ij(m)为静电信号S_i(t)、S_j(t)的归一化自相关函数；ω_ij为由S_i(t)、S_j(t)得到的角速度，τ_ij为转子转过第i个电极和第j个电极所用的时间；τ_ij由互相关函数ρ_ij(m)确定；将S_i(t)、S_j(t)的相关系数r_ij作为权重，采用加权平均算法得到转子的角速度RPM为多路互相关及数据融合计算得到的转速。

本发明的有益效果是：静电传感器转速测量装置结构简单，不仅能够实现绝缘转子的转速测量而且能够通过在金属转子上粘贴、喷涂或镶嵌介电标记实现金属转子的转速测量；单电极静电传感器、双电极静电传感器以及阵列式静电传感器的不同配置方案能够实现低速、中速、高速的转速测量，提高了转速测量范围。利用信号相关分析和数据融合技术建立的转速测量模型，能够对转子转速进行精确、实时、可靠的测量。

附图说明

图1为基于双电极静电传感器的金属转子旋转速度测量装置及方法的原理结构示意图。

图中：1.介电标记，2.被测金属转子，3.静电传感器，4.静电电极，5.绝缘材料，6.金属屏蔽壳，7.信号调理单元，8.信号处理单元，9.微处理器系统。

图2为金属转子上7个介电标记安装方式示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置及方法。下面结合附图和实施例对本发明予以说明如下：

图1所示为基于双电极静电传感器的金属转子旋转速度测量装置及方法的原理结构示意图。图中，所述介电标记1通过(1)粘贴方式；(2)喷涂方式或(3)镶嵌方式固定在被测金属转子被测金属转子2的圆周上，介电标记材料为易产生并积累静电荷的固体材料或涂料，如聚四氟。介电标记的个数可以为单个或多个：当介电标记为一个时，旋转一周过程中静电传感器输出单个脉冲的静电信号；当介电标记为多个时，介电标记的固定位置按不等间隔的随机数产生以形成多个随机脉冲的静电信号，相邻两个标记的中心间距至少为2倍的标记宽度。介电标记的形状、尺寸、厚度根据实际转子大小和固定方式而定，一般情况下介电标记的宽度不超过静电电极的宽度。静电传感器(3)安装在被测转子边缘外围，静电传感器电极为条形或弧形，在转轴截面转动方向，电极宽度取决于被测转子的直径大小，一般为转子直径的0.05‐0.1倍。在转轴的轴向，电极长度一般为20mm‐50mm。电极距离绝缘条的距离为2mm‐10mm。静电传感器可以为单电极静电传感器、双电极静电传感器或阵列式静电传感器。双电极静电传感器的电极间距为电极宽度的2‐4倍。阵列式静电传感器可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传感器个数。每个静电电极4周围由绝缘材料5绝缘，静电电极后侧的信号预放大电路，位于金属屏蔽壳6内，将电极上的静电信号预放大，预放大电路由金属屏蔽壳6屏蔽，防止外界因素的干扰。静电信号通过信号调理单元7进行放大、滤波后，经信号处理单元8送入信号分析单元9对静电信号进行自相关、互相关、多路相关及数据融合，最终得到被测金属转子的转速。

本发明基于静电传感器的金属转子旋转速度测量方法是利用旋转运动产生的静电信号，经信号调理、处理后进行相关分析计算得到旋转部件的转速。

当静电传感器为单电极静电传感器时，信号自相关分析计算转速模型如下：

$\mathrm{\ρ}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}S\left(k\right)S(k+m)}{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}^2\left(k\right)}---\left(1\right)$

$RPM=\frac{60}{T}---\left(2\right)$

其中，S(k)(k＝1,2,…,2N)表示等间隔离散化的静电信号S(t)，k为静电信号的采样点，N为相关计算的点数，m为延时点数。ρ(m)为S(k)的归一化自相关函数。RPM为由信号S(k)得到的转速。T为旋转周期，是ρ(m)中除m＝0以外的第一个峰值点所对应的时间值。

当静电传感器为双电极静电传感器时，信号互相关分析计算转速模型如下：

${\mathrm{\ρ}}_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_1\left(k\right)S_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_2^2\left(k\right)}\right)}---\left(3\right)$

$RPM=\frac{30\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}t}---\left(4\right)$

ρ₁₂(m)为S₁(k)和S₂(k)的归一化互相关函数。RPM为由信号S₁(k)和S₂(k)得到的转速，α为两个静电电极距离转子中心的夹角。τ为被测转子从第一个静电电极4旋转到第二个静电电极4的时间，也是ρ₁₂(m)的渡越时间，即峰值点对应的时间值。

当静电传感器为阵列式分布时，感应电极个数为n时，信号多路相关分析计算转速模型如下：

${\mathrm{\ρ}}_{ij}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i\left(k\right)S_j(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_j^2\left(k\right)}\right)}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ω}}_{ij}=\frac{(j-i)2\mathrm{\π}}{{\mathrm{n\τ}}_{ij}}---\left(6\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_{ij}{\mathrm{\ω}}_{ij}}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_{ij}}---\left(7\right)$

r_ij＝max(ρ_ij) (8)

$RPM=\frac{30\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\π}}---\left(9\right)$

其中，S_i(k)、S_j(k)(k＝1,2,…,2N)表示第i、j个静电电极采集到的静电信号S_i(t)、S_j(t)的离散化形式。ρ_ij(m)为静电信号S_i(t)、S_j(t)的归一化自相关函数。ω_ij为由S_i(t)、S_j(t)得到的角速度，τ_ij为转子转过第i个电极和第j个电极所用的时间。τ_ij由互相关函数ρ_ij(m)确定。将S_i(t)、S_j(t)的相关系数r_ij作为权重，采用加权平均算法得到转子的角速度RPM为多路互相关及数据融合计算得到的转速。

Claims (10)

1.一种基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置，其特征在于，所述旋转速度测量装置包括：介电标记(1)粘贴、喷涂或镶嵌在被测金属转子(2)的圆周上，静电传感器(3)安装在被测金属转子(2)边缘外围，每个静电电极(4)周围由绝缘材料(5)绝缘，静电电极后侧为信号预放大电路，位于金属屏蔽壳(6)内；静电电极(4)、信号调理单元(7)、信号处理单元(8)和信号分析单元(9)串联。

2.根据权利要求1所述一种基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置，其特征在于，所述介电标记材料为易产生并积累静电荷的聚四氟固体材料或涂料。

3.根据权利要求1所述一种基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置，其特征在于，所述介电标记的个数为单个或多个：当介电标记为一个时，旋转一周过程中静电传感器输出单个脉冲的静电信号；当介电标记为多个时，介电标记的固定位置按不等间隔的随机数产生以形成多个随机脉冲的静电信号，相邻两个标记的中心间距至少为2倍的标记宽度。

4.一种权利要求1所述基于静电传感器的金属转子旋转速度测量装置的测量金属转子旋转速度方法，其特征在于，静电电极(4)感应的静电信号通过信号调理单元(7)进行放大、滤波后，经信号处理单元(8)送入信号分析单元(9)对静电信号进行自相关、互相关、多路相关及数据融合，最终得到金属转子的转速；具体算法如下：

若转子直径为D，标记在圆周方向宽度为w，标记个数为n，相邻两个介电标记1的中心间距为d₁,d₂,d₃…d_n，则各变量满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{d}_n=\mathrm{\π}D\\ d_i\≥2w\end{array}\right.---\left(1\right)$

其介电标记(1的形状、尺寸、厚度根据实际转子大小和固定方式而定，但是介电标记(1)的宽度不超过静电电极(4)的宽度。

5.根据权利要求4所述测量金属转子旋转速度方法，其特征在于，所述静电传感器电极为条形或弧形，在转轴截面转动方向，静电传感器电极宽度为转子直径的0.05-0.1倍；在转轴的轴向，电极长度为20mm-50mm；电极距离绝缘条的距离为2mm-10mm。

6.根据权利要求4所述测量金属转子旋转速度方法，其特征在于，所述静电传感器为单电极静电传感器、双电极静电传感器或阵列式静电传感器；其中，双电极静电传感器的电极间距为其电极宽度的2-4倍；阵列式静电传感器根据被测旋转部件大小差异、转速测量精度高低相应地调整传感器个数。

7.根据权利要求4所述测量金属转子旋转速度方法，其特征在于，所述单电极静电传感器适用于平稳速度的测量，双电极和多电极静电传感器对变动速度的响应快。

8.根据权利要求4所述测量金属转子旋转速度方法，其特征在于，所述静电传感器为单电极静电传感器时，信号自相关分析计算转速模型如下：

$\mathrm{\ρ}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}S\left(k\right)S(k+m)}{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}^2\left(k\right)}---\left(2\right)$

$RPM=\frac{60}{T}---\left(3\right)$

式中，S(k)(k＝1,2,…,2N)表示等间隔离散化的静电信号S(t)，k为静电信号的采样点，N为相关计算的点数，m为延时点数，ρ(m)为S(k)的归一化自相关函数；RPM为由信号S(k)得到的转速，T为旋转周期，是ρ(m)中除m＝0以外的第一个峰值点所对应的时间值。

9.根据权利要求4所述测量金属转子旋转速度方法，其特征在于，所述静电传感器为双电极静电传感器时，信号互相关分析计算转速模型如下：

${\mathrm{\ρ}}_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_1\left(k\right)S_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_2^2\left(k\right)}\right)}---\left(4\right)$

$RPM=\frac{30\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}t}---\left(5\right)$

ρ₁₂(m)为S₁(k)和S₂(k)的归一化互相关函数；RPM为由信号S₁(k)和S₂(k)得到的转速，α为两个静电电极距离转子中心的夹角；τ为被测转子从第一个静电电极(4)旋转到第二个静电电极(4)的时间，也是ρ₁₂(m)的渡越时间，即峰值点对应的时间值。

10.根据权利要求4所述测量金属转子旋转速度方法，其特征在于，所述静电传感器为阵列式分布时，感应电极个数为n时，信号多路相关分析计算转速模型如下：

${\mathrm{\ρ}}_{ij}\left(m\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i\left(k\right)S_j(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_j^2\left(k\right)}\right)}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ω}}_{ij}=\frac{(j-i)2\mathrm{\π}}{{\mathrm{n\τ}}_{ij}}---\left(7\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_{ij}{\mathrm{\ω}}_{ij}}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_{ij}}---\left(8\right)$

r_ij＝max(ρ_ij) (9)

$RPM=\frac{30\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\π}}---\left(10\right)$

其中，S_i(k)、S_j(k)(k＝1,2,…,2N)表示第i、j个静电电极采集到的静电信号S_i(t)、S_j(t)的离散化形式；ρ_ij(m)为静电信号S_i(t)、S_j(t)的归一化自相关函数；ω_ij为由S_i(t)、S_j(t)得到的角速度，τ_ij为转子转过第i个电极和第j个电极所用的时间；τ_ij由互相关函数ρ_ij(m)确定；将S_i(t)、S_j(t)的相关系数r_ij作为权重，采用加权平均算法得到转子的角速度RPM为多路互相关及数据融合计算得到的转速。