CN106441676B - 一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器及其使用方法 - Google Patents
一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器及其使用方法，其装置包括轴承，所述轴承包括轴圈、座圈、滚动体和保持架，所述轴圈通过滚动体和保持架与座圈联接，所述轴圈上设有第一压电材料，所述座圈上设有第二压电材料，所述第一压电材料与信号发生装置连通，所述第二压电材料与信号接收处理装置连通。本发明的优点在于：与现有技术相比，其通用性强、结构简单、使用寿命长、低成本，适用于监测推力滚动轴承轴向力状态。
Description
技术领域
本发明涉及材料结构监测技术领域，具体涉及一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器及其使用方法。
背景技术
轴承的功能是支承回转体，保证其在固定位置，又可顺利旋转。它是所有机械设备不可缺少的通用零部件之一。
推力滚动轴承作为轴承的一种，主要用于承受转速较低的轴向载荷。推力滚动轴承的工作状态对机械结构的性能及寿命都有重大的影响，因此对推力滚动轴承的健康状态监测具有重大意义。
压电主动式传感技术是目前应用较多的一种新型结构健康监测方法，利用压电材料的正逆压电效应集驱动和传感功能为一体从而实现对结构的健康实时在线监测。
但是，目前将压电主动式传感技术运用到实用机械上的研究很少，将压电主动式传感技术运用到推力滚动轴承中的应用更为少见。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器及其使用方法，该装置结构简单、通用性强、低成本，其使用方法结合时间反演法、压电主动传感技术，可以有效地监测推力滚动轴承及类似轴承轴向力状态。
为实现上述目的，本发明所设计的一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器，包括轴承，所述轴承包括轴圈、座圈、滚动体和保持架，所述轴圈通过滚动体和保持架与座圈联接，所述轴圈上设有第一压电材料，所述座圈上设有第二压电材料，所述第一压电材料与信号发生装置连通，所述第二压电材料与信号接收处理装置连通。
进一步地，所述轴圈上表面设有第一凹槽，所述座圈下表面设有第二凹槽，所述第一压电材料设置在第一凹槽内，所述第二压电材料设置在第二凹槽内。
进一步地，所述轴圈上还设有导电滑环，所述第一压电材料通过导电滑环与信号发生装置连通。
更进一步地，所述轴圈与座圈上分别设置有引线口。
作为优选项，所述第一凹槽和第二凹槽中均设有绝缘涂层，所述绝缘涂层设置在第一压电材料与第一凹槽、第二压电材料与第二凹槽之间。
本发明所设计的一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器的使用方法，该方法包括以下步骤：
1)将轴圈中的第一压电材料作为激发器，通过信号发生装置对其供给50～150KHz高斯调制脉冲电压信号产生超声波脉冲；第一压电材料产生的超声波通过轴圈与滚动体之间的接触界面后传入滚动体，再通过座圈与滚动体之间的接触界面，传递给座圈中的第二压电材料，座圈中的第二压电材料作为传感器接收超声响应信号并由信号接收处理装置存储；
2)在信号接收处理装置对响应信号进行时域上的反演后，再输送给轴圈中的第一压电材料激发产生反演后的超声波信号，该信号通过轴圈与滚动体之间的接触界面后传入滚动体，再通过座圈与滚动体之间的接触界面，传递给座圈中的第二压电材料，再次由座圈中的第二压电材料接收该时间反演聚焦信号；
3)通过信号分析处理装置分析第二压电材料的聚焦信号幅值，建立接收聚焦信号幅值等特征量与轴承的轴向力之间的关系，通过事先标定的聚焦信号峰值与轴承轴向力之间的关系，可确定轴承轴向力的状态，实现对轴承的健康监测。
进一步地，步骤3中：所述第一压电材料作用50～150KHz高斯调制脉冲信号，通过分析第二压电材料的响应信号能量和聚焦信号幅值，建立接收信号能量等特征量与轴承所受轴向力之间的关系，实现对轴承轴向力状态的监测：
响应信号的能量与聚焦信号幅值的关系：
E∝C1S (2)
式中：yF(t)为聚焦信号的幅值
y(t)为响应信号
A为常数
E为信号能量
S为轴圈、座圈与滚动体间的接触面积
F为轴承的轴向力
C1、C2为常数。
如式(1)、(2)和(3)，当轴承轴向力F增加时，轴圈及座圈与滚动体的接触面积S增加，相应地通过接触面的信号能量E随之增加，聚焦信号的幅值yF(t)增大；
反之，当轴承轴向力F减少时，轴圈及座圈与滚动体的接触面积S减少，相应地通过接触面的信号能量E随之减少，聚焦信号的幅值yF(t)减小。
本发明的优点在于：与现有技术相比，其通用性强、结构简单、使用寿命长、低成本，适用于监测推力滚动轴承轴向力状态。
附图说明
图1为轴承的立体结构示意图；
图2为轴承另一方向的立体结构示意图；
图3为轴承正视示意图；
图4为轴承后视示意图；
图5为轴承俯视示意图；
图6为图5中A-A向剖视示意图；
图7为本发明的连接示意图；
图8为采用推力滚动轴承的实验结果数据表。
图中：轴承1(其中：轴圈1.1、座圈1.2、滚动体1.3、保持架1.4)、第一压电材料2(其中：第一凹槽2.1)、第二压电材料3(其中：第二凹槽3.1)、信号发生装置4、信号接收处理装置5、导电滑环6、引线口7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1～6所示的一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器，包括轴承1，所述轴承1包括轴圈1.1、座圈1.2、滚动体1.3和保持架1.4，所述轴圈1.1通过滚动体1.3和保持架1.4与座圈1.2连接，所述轴圈1.1上设有第一压电材料2，所述座圈1.2上设有第二压电材料3，所述轴圈1.1上表面设有第一凹槽2.1，所述座圈1.2下表面设有第二凹槽3.1，所述第一压电材料2设置在第一凹槽2.1内，所述第二压电材料3设置在第二凹槽3.1内。所述第一凹槽2.1和第二凹槽3.1中均设有绝缘涂层，所述绝缘涂层设置在第一压电材料2与第一凹槽2.1、第二压电材料3与第二凹槽3.1之间。所述第一压电材料2与信号发生装置4连通，所述轴圈1.1上还设有导电滑环6，所述第一压电材料2通过导电滑环6与信号发生装置4连通。所述第二压电材料3与信号接收处理装置5连通。所述轴圈1.1与座圈1.2上分别设置有引线口7。
一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器的使用方法，该方法包括以下步骤：
1)将轴圈1.1中的第一压电材料2作为激发器，通过信号发生装置4对其供给50～150KHz高斯调制脉冲电压信号产生超声波脉冲；第一压电材料2 产生的超声波通过轴圈1.1与滚动体1.3之间的接触界面后传入滚动体1.3，再通过座圈1.2与滚动体1.3之间的接触界面，传递给座圈1.2中的第二压电材料3，座圈1.2中的第二压电材料3作为传感器接收超声响应信号并由信号接收处理5装置存储；
2)在信号接收处理装置5对响应信号进行时域上的反演后，再输送给轴圈1.1中的第一压电材料2激发产生反演后的超声波信号，该信号通过轴圈1.1与滚动体1.3之间的接触界面后传入滚动体1.3，再通过座圈1.2与滚动体1.3之间的接触界面，传递给座圈1.2中的第二压电材料3，再次由座圈1.2中的第二压电材料3接收该时间反演聚焦信号；
3)通过信号分析处理装置5分析第二压电材料3的聚焦信号幅值，建立接收聚焦信号幅值等特征量与轴承1的轴向力之间的关系，通过事先标定的聚焦信号峰值与轴承1轴向力之间的关系，可确定轴承1轴向力的状态，实现对轴承1的健康监测；
所述第一压电材料2作用50～150KHz高斯调制脉冲信号，通过分析第二压电材料3的响应信号能量和聚焦信号幅值，建立接收信号能量等特征量与轴承1所受轴向力之间的关系，实现对轴承1轴向力状态的监测：
响应信号的能量与聚焦信号幅值的关系：
E∝C1S (2)
式中：yF(t)为聚焦信号的幅值
y(t)为响应信号
A为常数
E为信号能量
S为轴圈1.1、座圈1.2与滚动体1.3间的接触面积
F为轴承1的轴向力
C1、C2为常数。
如式(1)、(2)和(3)，当轴承1轴向力F增加时，轴圈1.1及座圈1.2与滚动体1.3的接触面积S增加，相应地通过接触面的信号能量E随之增加，聚焦信号的幅值yF(t)增大；
反之，当轴承1轴向力F减少时，轴圈1.1及座圈1.2与滚动体1.3的接触面积S减少，相应地通过接触面的信号能量E随之减少，聚焦信号的幅值yF(t)减小。
实际使用时：
如图3的测试系统流程图，所述通过信号发生装置4发射50～150KHz高斯调制脉冲电压信号，通过导电滑环6传递给轴圈1.1的第一压电材料2，第一压电材料2作为激发器，产生超声波信号；第一压电材料2产生的超声波通过轴圈1.1与滚动体1.3之间的接触界面后传入滚动体1.3，再通过座圈1.2与滚动体1.3之间的接触界面，传递给座圈1.2中的第二压电材料3，座圈1.2中的第二压电材料3作为传感器接收超声响应信号并由信号接收处理5装置存储；在信号接收处理装置5对响应信号进行时域上的反演后，再输送给轴圈1.1中的第一压电材料2激发产生反演后的超声波信号，该信号通过轴圈1.1与滚动体1.3之间的接触界面后传入滚动体1.3，再通过座圈1.2与滚动体1.3之间的接触界面，传递给座圈1.2中的第二压电材料3，再次由座圈1.2中的第二压电材料3接收该时间反演聚焦信号；
将接收的聚焦信号进行存储、分析，当轴承1轴向力发生变化时，轴圈1.1、座圈1.2与滚动体1.3之间接触界面的实际接触面积会发生变化，通过轴圈1.1、座圈1.2与滚动体1.3的接触界面的超声波聚焦信号的幅值，即超声波信号能量，等特征量会发生相应的变化，通过事先标定的聚焦信号峰值与轴承1轴向力之间的关系，可确定轴承1轴向力的状态，实现对轴承1的健康监测。
实施例：
采用推力滚动轴承(型号：51204)作为实验试样，进行初步实验。对第一压电材料2施加150kHz的高斯调制脉冲信号，压电常数d33和d31分别为400×10-12CN、-150×10-12CN。实验结果数据见图8.
由图8可得出，聚焦信号的幅值随着轴承1轴向力的增大而增加，这一结论与上述公式(1)和公式(3)所表明的聚焦信号幅值与轴承1轴向力之间的关系相吻合。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器，包括轴承（1），所述轴承（1）包括轴圈（1.1）、座圈（1.2）、滚动体（1.3）和保持架（1.4），所述轴圈（1.1）通过滚动体（1.3）和保持架（1.4）与座圈（1.2）联接，其特征在于：所述轴圈（1.1）上设有第一压电材料（2），所述座圈（1.2）上设有第二压电材料（3），所述第一压电材料（2）与信号发生装置（4）连通，所述第二压电材料（3）与信号接收处理装置（5）连通；
所述轴圈（1.1）上表面设有第一凹槽（2.1），所述座圈（1.2）下表面设有第二凹槽（3.1），所述第一压电材料（2）设置在第一凹槽（2.1）内，所述第二压电材料（3）设置在第二凹槽（3.1）内，所述第一凹槽（2.1）和第二凹槽（3.1）中均设有绝缘涂层，所述绝缘涂层设置在第一压电材料（2）与第一凹槽（2.1）、第二压电材料（3）与第二凹槽（3.1）之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器，其特征在于：所述轴圈（1.1）与信号发生器之间还设有导电滑环（6），所述第一压电材料（2）通过导电滑环（6）与信号发生装置（4）连通。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器，其特征在于：所述轴圈（1.1）与座圈（1.2）上分别设置有引线口（7）。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电时间反演技术的主动式自传感推力滚动轴承型传感器的使用方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
1）将轴圈（1.1）中的第一压电材料（2）作为激发器，通过信号发生装置（4）对其供给50~150KHz高斯调制脉冲电压信号产生超声波脉冲；第一压电材料（2）产生的超声波通过轴圈（1.1）与滚动体（1.3）之间的接触界面后传入滚动体（1.3），再通过座圈（1.2）与滚动体（1.3）之间的接触界面，传递给座圈（1.2）中的第二压电材料（3），座圈（1.2）中的第二压电材料（3）作为传感器接收超声响应信号并由信号接收处理（5）装置存储；
2）在信号接收处理装置（5）对响应信号进行时域上的反演后，再输送给轴圈（1.1）中的第一压电材料（2）激发产生反演后的超声波信号，该信号通过轴圈（1.1）与滚动体（1.3）之间的接触界面后传入滚动体（1.3），再通过座圈（1.2）与滚动体（1.3）之间的接触界面，传递给座圈（1.2）中的第二压电材料（3），再次由座圈（1.2）中的第二压电材料（3）接收该时间反演聚焦信号；
3）通过信号分析处理装置（5）分析第二压电材料（3）的聚焦信号幅值，建立接收聚焦信号幅值等特征量与轴承（1）的轴向力之间的关系，通过事先标定的聚焦信号峰值与轴承（1）轴向力之间的关系，可确定轴承（1）轴向力的状态，实现对轴承（1）的健康监测；
所述第一压电材料（2）作用50~150KHz高斯调制脉冲信号，通过分析第二压电材料（3）的响应信号能量和聚焦信号幅值，建立接收信号能量等特征量与轴承（1）所受轴向力之间的关系，实现对轴承（1）轴向力状态的监测：
响应信号的能量与聚焦信号幅值的关系：
(1)
(2)
(3)
式中：y F (t)为聚焦信号的幅值
y(t)为响应信号
A为常数
E为信号能量
S为轴圈（1.1）、座圈（1.2）与滚动体（1.3）间的接触面积
F为轴承（1）的轴向力
C 1 、C 2为常数，
如式（1）和（2），当轴承（1）轴向力F增加时，轴圈（1.1）及座圈（1.2）与滚动体（1.3）的接触面积S增加，相应地通过接触面的信号能量E随之增加，聚焦信号的幅值y F (t)增大；
反之，当轴承（1）轴向力F减少时，轴圈（1.1）及座圈（1.2）与滚动体（1.3）的接触面积S减少，相应地通过接触面的信号能量E随之减少，聚焦信号的幅值y F (t)减小。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20191025 Termination date: 20211116 |
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