CN109163655A - 一种具有温度补偿的转轴应变检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿的转轴应变检测方法及系统，涉及检测技术领域。检测方法其基于布置方向相正交的两个声表面波传感器，两个声表面波传感器的反射栅组内的反射栅与叉指电极间的间距均不相同；该应变检测方法包括：(1)发射问询射频信号；(2)接收响应射频信号，并基于反射栅组所表征的编码信息区分响应射频信号；(3)处基于响应射频信号，从查找表中获取与当前组合相位变化ΔΦ_c所对应的应变信息，表征转轴的当前应变状态；其中，ΔΦ_c＝ΔΦ₁‑L₁/L₂×ΔΦ₂，ΔΦ₁、ΔΦ₂为对应反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，L₁、L₂为ΔΦ₁、ΔΦ₂所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。该检测方法能有效地提高应变检测的精度，可广泛应用生产领域中。

Description

一种具有温度补偿的转轴应变检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于声表面波器件的无线无源应变检测装置，特别地涉及一种具有温度补偿的转轴应变测试系统。

背景技术

对于燃气轮机、精密轴承等工业运动部件，应变是一个十分重要的工作参数，应变信息是动力机械运行状态监测、故障预报、寿命评估的主要信息来源。对工业运动部件表面应变准确测量，有利于实时掌握运动部件的运行状态，有助于提高部件的精度稳定性和可靠性。

当前，对于精密轴承的应变检测，通常采用基于应变片的电测法，例如，采用如公开号为CN206832386U所公开的应变片进行检测，主要方法是将该应变片贴设与转轴应变区域处，随着转轴的转动所产生的扭矩迫使该转轴扭转形变，该形变驱使应变片形变而使该应变片的电阻产生变化，由于旋转轴上很难布置电源线路与检测信号反馈线路，导致现有基于应变片的电检测方法在适用于高速旋转的转轴时，其测量电路供电和应变信息传输上遇到很大的难题。

发明内容

本发明的目的为提供一种转轴应变检测方法，以实现无线无源检测的同时，对温度变化所引起的应变进行补偿，以提高检测准确性；

本发明的另一目的为提供一种转轴应变检测系统，以实现无线无源检测的同时，对温度变化所引起的应变进行补偿，以提高检测准确性。

为了实现上述目的，本发明提供一种转轴应变检测方法，其基于布置方向相正交的两个声表面波传感器，声表面波传感器的布置方向与转轴的轴向均成45度夹角，声表面波传感器包括压电基体及固设在压电基体上的叉指电极与反射栅组，反射栅组包括两根以上的声表面波反射栅，叉指电极与天线电连接；两个反射栅组内的反射栅与叉指电极间的间距均不相同；该应变检测方法包括以下步骤：

问询步骤，向两个声表面波传感器发射问询射频信号；

接收步骤，接收两个声表面波传感器的响应射频信号，并基于反射栅组所表征的编码信息区分响应射频信号；

处理步骤，基于响应射频信号，从查找表中获取与当前组合相位变化ΔΦ_c所对应的应变信息，表征转轴的当前应变状态；其中，ΔΦ_c＝ΔΦ₁-L₁/L₂×ΔΦ₂，ΔΦ₁为一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，ΔΦ₂为另一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，L₁为ΔΦ₁所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差，L₂为ΔΦ₂所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。

基于无线无源声表面波传感器上响应波对转轴形变的敏感性，以对转轴的应变状态进行检测，并利用编码来区分两个声表面波传感器，以能利用两个谐振频率相同的声表面传感器进行检测，以提高检测精度；接着，利用两个相互正交的声表面传感器进行检测，以使一个声表面波传感器的反射栅处于拉伸状态，而另一个声表面传感器上反射栅处于压缩状态，从而二者由应变导致的相响应波的相位变化不同，而贴附在温度基本相同的同一区域内，从而使二者温度对相位变化的影响相同，再基于前述计算公式，可将温度影响相抵消，以实现温度补偿功能。

具体方案为ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅。

更具体的方案为ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅。选用间距最大的两根反射栅所反射的响应波进行表征，能进一步提高检测精度。

优选的方案为压电基体为柔性压电基体。采用柔性声表面波传感器进行检测，以更好地贴合转轴的轴表面形状，以进一步地提高检测精度。

另一个优选的方案为两个声表面波传感器共用同一集成天线。将两个声表面波传感器的谐振频率相同，以使二者共用同一天线而节省成本。

为了实现上述另一目的，本发明提供的转轴应变检测系统包括射频收发单元、信号处理单元及两个布置方向相正交的声表面波传感器，声表面波传感器的布置方向与转轴的轴向均成45度夹角，声表面波传感器包括压电基体及固设在压电基体上的叉指电极与反射栅组，反射栅组包括两根以上的声表面波反射栅，叉指电极与天线电连接；两个反射栅组内的反射栅与叉指电极间的间距均不相同；射频收发单元被配置为向两个声表面波传感器发射问询射频信号，并接收两个声表面波传感器的响应射频信号；处理单元被配置为基于反射栅组所表征的编码信息区分响应射频信号，并基于响应射频信号，从查找表中获取与当前组合相位变化ΔΦ_c所对应的应变信息，表征转轴的当前应变状态；其中，ΔΦ_c＝ΔΦ₁-L₁/L₂×ΔΦ₂，ΔΦ₁为一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，ΔΦ₂为另一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，L₁为ΔΦ₁所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差，L₂为ΔΦ₂所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。

具体的方案为ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅。

更具体的方案为ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅。

优选的方案为压电基体为柔性压电基体。

另一个优选的方案为两个声表面波传感器共用同一集成天线。将两个声表面波传感器的谐振频率相同，以使二者共用同一天线而节省成本。

附图说明

图1为本发明检测系统实施例的结构图；

图2为本发明检测系统实施例中无线无源声表面波传感器的结构示意图；

图3为本发明检测系统实施例中转轴的形变分布示意图；

图4为本发明检测系统实施例中两个声表面传感器的相对位置布置示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

检测系统实施例

如图1所示，本发明具有温度补偿的转轴应变检测系统2包括置于设备外的射频读取单元1、安装在工业转轴01上的两个声表面波传感器3及安装在射频读取单元1的壳体内的处理单元。其中射频读取单元1构成本实施例中的射频收发单元。

如图2所示，声表面传感器3包括压电基体5及固设在压电基体5上的叉指电极4与反射栅组6，反射栅组6通常由两根以上的相平行布置的声表面波反射栅构成，在本实施例中为由三根反射栅构成，叉指电极4与集成天线电连接，以使射频读取单元1和声表面波传感器3通过该集成天线传输信息。

如图3及图4所示，声表面传感器3紧贴转轴01的形变区域上，以使转轴01上的应变变化可以很好地传导到声表面波传感器3上。对于两个声表波面传感器3-1与声表面波传感器3-2，二者的布置方向相正交，即垂直于反射栅的方向相正交，且每个声表面波传感器3的布置方向与转轴01的轴线03的夹角成45度夹角，即与转轴01的轴向成45度夹角。以每根反射栅到叉指电极4之间的间距为基准，声表波面传感器3-1与声表面波传感器3-2上不存在重复的反射栅，即不存在至叉指电极4之间的间距相等的两根反射栅，在本实施例中，反射栅至叉指电极4之间的间距被配置为二者在垂直于布置放上的中间面之间的间距。

应变检测方法和步骤包括以下步骤：

问询步骤S1，向声表面波传感器3-1、3-2发射问询射频信号。

射频读取器1通过传输天线发射一段射频脉冲给声表面波传感器3，声表面波传感器3接收集成天线的电信号并转化为声波信号；由于转轴01的形变使压电基体5产生应变变化，该应变变化将改变声波信号；被改变的声波信号被压电基体5转为新的电信号返回至集成天线，并向外反射响应反馈信号，即每个响应反馈信号携带了转轴应变变化信息的同时，携带了环境温度变化信息。

接收步骤S2，接收两个声表面波传感器的响应射频信号，并基于反射栅组所表征的编码信息区分响应射频信号。

射频读取器1通过传输天线读取新的电信号，以获取集成天线所发出的响应射频信号；射频读取器1将获取的电信号输出给处理单元以进行信号处理。

处理步骤S3，基于响应射频信号，从查找表中获取与当前组合相位变化ΔΦ_c所对应的应变信息，表征转轴的当前应变状态；其中，ΔΦ_c＝ΔΦ₁-L₁/L₂×ΔΦ₂，ΔΦ₁为一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，ΔΦ₂为另一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，L₁为ΔΦ₁所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差，L₂为ΔΦ₂所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。

如图3所示，当转轴01受力转动时，转轴表面各圆周线形状、大小和间距均未改变，只是绕轴线做了相对运动，各轴向线均倾斜了微小角度，所有矩形网格均倾斜成同样大小的平行四边形。如图4，贴在转轴表面上方传感器3-1和下方传感器3-2受力情况是相同的，但因为两传感器3-1和3-2的摆放角度不同，导致上方传感器3-1收到拉应力，下方传感器3-2受到压应力，两传感器所处的应变状态不同。

通过设置多根反射上，使两个声表面波传感器具有编码功能的，由于压电基体5对应变信息十分敏感，转轴01的应变能够显著影响压电基体5上声波的传输特性。其中，压电基体与电极优选为柔性压电基体，以使整个声表面波能够很好地贴合至转轴01的形变区域上。

通过将编码反射栅设置在压电基体5上的不同位置来对声表面波传感器进行编码，即通过控制编码反射栅与叉指电极4间的间距来实现，不同编码的声表面波传感器在时域上可以很清晰地被区分出来。且通过在同一温度区域设置两个声表面传感器3，以能实现温度自补偿的功能，具体补偿方案如下：

当转轴01表面应变变化时，贴于其上方的无线无源声表面波器传感器3会发生相应的弯曲，声表面波的传播路径L和传播速度v也会发生相应的变化，从而导致经反射栅反射回来回波时间和相位发生相应的变化。转轴01表面应变发生变化的区域，既有拉伸的地方也有压缩的地方，拉伸区域的声速低，压缩区域的声速高。

为了实现温度自补偿，在转轴01表面粘贴两个编码不同的声表面波器件，每个器件与转轴01的轴线夹角都为45度，且两个器件的声波传播路径相互垂直。具体粘贴方法如图4所示。

当转轴01受图1所示力转动时，贴于转轴01上两个声表面波传感器3受力情况不同，一个受最大拉应力，另一个受最大压应力，两器件由应变引起的声速变化不同，应变敏感系数不同。

定义由形变引起的编码反射栅反射回的回波相位变化为ΔΦ_iSj，由温度引起的编码反射栅反射回的回波相位变化为ΔΦ_iTj，则每个回波的总相位变化为：

ΔΦ_ij＝(ΔΦ_iSj+ΔΦ_iTj)＝2πf₀·Δt_ij

其中，i为正整数，为反射栅的编号，j＝1或2，为器件编号，f₀是声表面波传感器3的理论谐振频率，Δt_ij是第j个器件的第i个反射栅反射回的回波到达时间。

由于整个声表面波传感器的表面温度变化是一致的，所以温度引起的声速变化在整个器件上都是一样的，有：

ΔΦ_qpt1＝L_qp1/L_or2·ΔΦ_ort2

其中，o、p、q、r为整数，用于表征反射栅的编号。q，p为第一个声表面波传感器3的两个根反射栅的编号，o，r为第二个声表面波传感器3的两个根反射栅的编号，ΔΦ_qpt1和ΔΦ_ort2分别是温度引起的第q根反射栅回波变化相位与第p根反射栅回波相位之差和第o根反射栅回波变化相位与第r根反射栅回波相位之差，L_qp和L_or分别是第q根反射栅中心与第p根反射栅中心之间的距离和第o根反射栅中心与第r根反射栅中心之间的距离。

由此，我们可以定义一个组合相位变化来对应应变变化，具体为：

ΔΦ_c＝ΔΦ₁-L₁/L₂ΔΦ₂＝(ΔΦ_qps1+ΔΦ_qpt1)-L_qp/L_or·(ΔΦ_ors2+ΔΦ_ort2)＝ΔΦ_qps1-L_qp/L_or·ΔΦ_ors2其中，ΔΦ₁＝(ΔΦ_qps1+ΔΦ_qpt1)，为一个声表面波传感器3的反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差。ΔΦ₂＝(ΔΦ_ors2+ΔΦ_ort2)，为另一个声表面波传感器3的反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差。L₁＝L_qp，ΔΦ₁所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。L₂＝L_or，为ΔΦ₂所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。

这样就把温度的影响大大缩小，实现了温度自补偿。在获取组合相位变化ΔΦ_c之后，利用之前标定获取的组合相位变化ΔΦ_c与转轴01之间的应变状态对应关系所组成的查找表中，从中找出与当前组合相位变化ΔΦ_c相对应的应变状态信息，用以表征转轴01的当前应变状态。

本发明提出基于无线无源声表面传感器的具有温度自补偿的转轴应变检测系统，声表面波传感器3无需电源供电，可工作在高温高速运转转轴01上，整个系统十分轻便、安全、可靠，适合工业转轴01上使用，可用于转轴01表面应变的实时监测。因为传感器单元尺寸很小，质量很轻，可在运动转轴01上同时贴装多个传感器单元，实现对运动转轴01不同部位应变的实时监控，不同器件的信号通过反射栅的时域信息区分。

其中，对于从反射栅组中选取那两根反射栅所对应的信号波计算当前的组合相位变化ΔΦ_c，优选为位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅，最优选的方案为位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅，从而提高两根受检反射栅之间的距离，以提高检测计算精度。

在上述实施例中，每个声表面波传感器配置一个集成天线，由于本申请中的两个声表面波传感器可选用谐振频率完全相同，从而可共用同一天线，以减少成本。此外，压电基体可选用石英、铌酸锂、氧化锌等压电晶片，或选用硅酸镓镧(LGS)、氮化铝(AlN)、钇钙氧硼酸盐(YCOB)等耐高温的压电晶片，以适用于高温环境；对于柔性压电基体，优选厚度为50um；叉指电极和反射栅的材料优为铂(Pt)；。

检测方法实施例

在上述检测系统实施例的描述中，已对本发明检测方法实施例进行了说明，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种具有温度补偿的转轴应变检测方法，基于布置方向相正交的两个声表面波传感器，所述声表面波传感器的布置方向与所述转轴的轴向均成45度夹角，所述声表面波传感器包括压电基体及固设在所述压电基体上的叉指电极与反射栅组，所述反射栅组包括两根以上的声表面波反射栅，所述叉指电极与天线电连接；两个所述反射栅组内的反射栅与所述叉指电极间的间距均不相同；

其特征在于，所述应变检测方法包括以下步骤：

问询步骤，向两个所述声表面波传感器发射问询射频信号；

接收步骤，接收两个所述声表面波传感器的响应射频信号，并基于反射栅组所表征的编码信息区分响应射频信号；

处理步骤，基于所述响应射频信号，从查找表中获取与当前组合相位变化ΔΦ_c所对应的应变信息，表征所述转轴的当前应变状态；其中，ΔΦ_c＝ΔΦ₁-L₁/L₂×ΔΦ₂，ΔΦ₁为一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，ΔΦ₂为另一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，L₁为ΔΦ₁所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差，L₂为ΔΦ₂所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。

2.根据权利要求1所述的应变检测方法，其特征在于：

ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅。

3.根据权利要求2所述的应变检测方法，其特征在于：

ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的应变检测方法，其特征在于：

所述压电基体为柔性压电基体。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的应变检测方法，其特征在于：

两个所述声表面波传感器的谐振频率相同，且共用同一所述天线。

6.一种具有温度补偿的转轴应变检测系统，包括射频收发单元、信号处理单元及两个布置方向相正交的声表面波传感器，所述声表面波传感器的布置方向与所述转轴的轴向均成45度夹角，所述声表面波传感器包括压电基体及固设在所述压电基体上的叉指电极与反射栅组，所述反射栅组包括两根以上的声表面波反射栅，所述叉指电极与天线电连接；两个所述反射栅组内的反射栅与所述叉指电极间的间距均不相同；

其特征在于：

所述射频收发单元被配置为向两个所述声表面波传感器发射问询射频信号，并接收两个所述声表面波传感器的响应射频信号；

所述处理单元被配置为基于反射栅组所表征的编码信息区分响应射频信号，并基于所述响应射频信号，从查找表中获取与当前组合相位变化ΔΦ_c所对应的应变信息，表征所述转轴的当前应变状态；其中，ΔΦ_c＝ΔΦ₁-L₁/L₂×ΔΦ₂，ΔΦ₁为一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，ΔΦ₂为另一个反射栅组中任意两根反射栅所对应回波的相位变化之差，L₁为ΔΦ₁所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差，L₂为ΔΦ₂所对应两根反射栅与同一声表面波传感器上叉指电极间的间距之差。

7.根据权利要求6所述的应变检测系统，其特征在于：

ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端部与首端部上的反射栅。

8.根据权利要求7所述的应变检测系统，其特征在于：

ΔΦ₁所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅，ΔΦ₂所对应的反射栅具有位于对应反射栅组的尾端侧与首端侧上的反射栅。

9.根据权利要求6至8任一项权利要求所述的应变检测系统，其特征在于：

所述压电基体为柔性压电基体。

10.根据权利要求6至9任一项权利要求所述的应变检测系统，其特征在于：

两个所述声表面波传感器的谐振频率相同，且共用同一所述天线。