CN110887974A - 一种柱塞泵转速测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞泵转速测量方法和装置。该装置可包括应变片传感器，所述应变片传感器位于与柱塞泵输出端相连接的液压管路上；数据采集模块，其在所述柱塞泵向所述液压管路输出脉动流体时采集所述应变片传感器上的测量信号；以及信号处理模块，其基于所述测量信号的能量谱密度来确定所述液压管路中的脉动流体的脉动频率，并基于所述脉动频率来确定所述柱塞泵的转速。

Description

一种柱塞泵转速测量方法和装置

技术领域

本发明一般涉及液压系统，尤其涉及一种柱塞泵转速测量方法和装置。

背景技术

液压系统由电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为液体压力，再驱动负载作直线往复运动或回转运动。一种液压系统使用柱塞泵作为关键动力元件。液压柱塞泵在高转速、高压力工况条件下工作，它将动力机械(例如，发动机传动机匣、电动机、辅助动力、冲压空气涡轮等)的机械能转换成液压能(压力、流量)输出，从而给用户系统提供液压动力。

飞机液压系统用于为飞控系统、起落架系统以及反推力系统等用户系统提供液压动力。飞机液压系统是飞机起飞、飞行操纵和着陆过程的关键系统，一旦液压系统瘫痪将可能造成灾难性后果，因此新型飞机对液压系统的可靠性、维修性及维修保障性要求越来越高。由于柱塞泵在飞机液压系统中的关键作用，因此需要实时提供该复杂产品的健康状态，准确快速地进行故障诊断与定位，预测故障和剩余寿命，达到视情维修。

在液压系统试验以及数据分析过程中经常需要了解柱塞泵转速的变化。在现有技术中，一般是通过安装转速传感器的方法测量转速，转速传感器一般有霍尔元件、红外激光测转速等。遗憾的是，这些方法存在局限性，要么需要一定的安装空间，要么需要改装管路。

因此，本领域需要改进的用于柱塞泵转速测量方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柱塞泵转速测量方法，解决在柱塞泵附近安装转速传感器困难的问题。通过在液压管路上加装不破坏原本构型的传感器，达到测量液压柱塞泵转速的目的。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于柱塞泵转速测量的装置，其包括：应变片传感器，所述应变片传感器位于与柱塞泵输出端相连接的液压管路上；数据采集模块，其在所述柱塞泵向所述液压管路输出脉动流体时采集所述应变片传感器上的测量信号；以及信号处理模块，其基于所述测量信号的能量谱密度来确定所述液压管路中的脉动流体的脉动频率，并基于所述脉动频率来确定所述柱塞泵的转速。

在一方面，所述信号处理模块将所述测量信号转换到频域，并基于所述频域中最高的能量谱密度来确定所述脉动流体的脉动频率。

在一方面，所述柱塞泵的转速为所述脉动频率除以所述柱塞泵的柱塞数量。

在一方面，所述柱塞泵的转速是匀速的或者随时间推移而变化。

在一方面，所述应变片传感器包括环向应变片或纵向应变片。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于柱塞泵转速测量的方法，其包括：在柱塞泵向液压管路输出脉动流体时采集位于所述液压管路上的应变片传感器上的测量信号；基于所述测量信号的能量谱密度来确定所述液压管路中的脉动流体的脉动频率；以及基于所述脉动频率来确定所述柱塞泵的转速。

在一方面，确定所述液压管路中的脉动流体的脉动频率进一步包括：将所述测量信号转换到频域；以及基于所述频域中最高的能量谱密度来确定所述脉动流体的脉动频率。

在一方面，所述柱塞泵的转速为所述脉动频率除以所述柱塞泵的柱塞数量。

在一方面，所述柱塞泵的转速是匀速的或者随时间推移而变化。

在一方面，所述应变片传感器包括环向应变片或纵向应变片。

在一方面，所述应变片传感器包括位于所述液压管路上的一个或多个应变片。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于柱塞泵转速测量的装置，其包括：处理器；以及用于存储处理器可执行指令的存储器，其中所述处理器用于执行所述处理器可执行指令以实现如上所述的方法。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的液压系统的系统架构图。

图2是根据本发明的一个实施例的应变片传感器安装示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的采用电桥测量应变的示例。

图4是根据本发明的一个实施例的应变片测量信号的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的所采集信号的时频谱示意图。

图6是根据本发明的一个实施例的柱塞泵转速变化曲线图。

图7是根据本发明的一个实施例的测量柱塞泵转速的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是根据本发明的一个实施例的液压系统100的系统架构图。图1示出了液压系统100包括发动机110、与发动机110连接的驱动轴112、与驱动轴112连接的柱塞泵120，柱塞泵120通过液压管路130、返回管路150连接到作动器140。发动机110也可以是电动机、辅助动力、冲压空气涡轮等动力源。在液压系统100工作时，发动机110转动，通过驱动轴112带动柱塞泵120旋转。柱塞泵120可包括一个或多个柱塞，每个柱塞随柱塞泵120旋转并周期性地上下往复，从配流盘吸油区抽吸油液(也称为液压油)到柱塞腔中，并压缩油液至设定压力以从柱塞腔排出到液压管路130中。油液是液压系统中传递能量的工作介质，包括但不限于矿物油、乳化液、合成型液压油等。经增压的油液在液压管路130中流动到作动器140。作动器140可将液压管路130中的液体压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。在作动器140处释放掉压力的油液可通过返回管路150被回收，例如回到油箱。

液压系统100可以应用在例如飞机、汽车、船舶、挖掘机、起重机、搅拌机、车床加工器械等设备中。例如，在飞机中，可使用液压系统100为飞控系统、起落架系统以及反推力系统等用户系统提供液压动力，例如用于起落架收放、襟翼操纵、缝翼操纵、舱门收放、刹车操纵等。在船舶中，可以将液压系统100用于为绞盘、起锚机、舱口盖、甲板起重机、舵机等提供动力。

为简单起见，图1仅示出了液压系统100的一些组件，并且在具体实践中可包括更多组件，例如用于在液压系统100中控制和调节液体的压力、流量和方向的控制部件(例如，各种液压阀)。此外，液压系统100还可包括辅助元件，例如油箱、滤油器、冷却器、蓄能器等。

柱塞泵120由于其自身的结构以及油液的压缩性等因素存在着瞬时的流量脉动，由于实际流体的惯性和可压缩性，柱塞泵120中的每个柱塞向液压管路130排出经增压的油液时产生压力脉动，从而形成沿管路传播的压力与流量脉动波。根据本文描述的技术，柱塞泵120排出的流体压力脉动作用于液压管路130的内壁，将使液压管路130发生微小变形，这种微小变形的频率与压力脉动频率一致，因此通过测量液压管路130受流体压力产生变形的频率，可以推导出柱塞泵120的转速。液压管路130可以是软管或硬管，或者包括一部分软管和一部分硬管。作为示例而非限定，液压管路130可以采用聚氯乙烯、聚乙烯、金属(例如铝、钛等)、合金等。

根据本发明的一个实施例，可以使用应变片传感器来测量柱塞泵向液压管路输出脉动流体时液压管路发生的变形。图2是根据本发明的一个实施例的应变片传感器安装示意图。一个或多个应变片传感器可安装(例如，贴附)于与柱塞泵输出端相连接的液压管路230上，以测量液压管路230因脉动流体而发生的变形。作为示例而非限定，液压管路230可以是如图1所示的液压管路130的一部分。应变片传感器在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，即“应变效应”。因此，当液压管路230因脉动流体而发生变形时，液压管路230上的应变片传感器相应地产生应变效应。通过测量和分析应变片传感器的属性变化，可以相应地获知液压管路230所发生的变形。

图2示出了应变片传感器可以安装成环向应变片或纵向应变片。环向应变片可以是指应变片传感器的两个端子沿着液压管路230的环向分布。纵向应变片可以是指应变片传感器的两个端子沿着液压管路230的纵向分布。在其他实施例中，应变片传感器也可以按任何其他方向安装在液压管路230的壁上，并且皆可以测量出液压管路230的脉冲变形。作为示例而非限定，可以通过测量液压管路230上的一个或多个应变片传感器的电压变化来获知液压管路230所发生的变形。在一个实施例中，与纵向应变片比，在脉冲流体的情况下，液压管路230的环向变形比纵向变形可能更为明显，且环向应变片受管路弯曲振动的干扰更少，由此可以提供更准确的测量。

图3是根据本发明的一个实施例的采用电桥测量应变的示例。作为示例而非限定，S1可以是位于与柱塞泵输出端相连接的液压管路上的应变片传感器，S2、S3和S4可以是电阻元件。在另一个示例中，S1和S3可以是应变片传感器，S2和S4可以是电阻元件。在其他实施例中，S1-S4中的一者或多者可以是应变片传感器，而剩余的可以是电阻元件。如果S1-S4中有两个或更多个应变片传感器，这些应变片传感器可以位于液压管路230上与柱塞泵相等距离的位置处(例如，在液压管路230的环向上分布)，或者可以位于液压管路230上与柱塞泵不同距离的位置处(例如，在液压管路230的径向上分布)。

在如图3所示的电桥实施例中，可以在相对的两个端点处(例如，A和B)供电(例如，连接至电压源或电流源)，并在剩余的相对的两个端点处(例如，C和D)进行测量(例如，测量电压、电流等)。例如，数据采集模块310可以采集应变片传感器上的测量信号(例如，电压信号、电流信号等)。在一些示例中，数据采集模块310还可以将测量到的电压或电流信号转换成应变信号。例如，数据采集模块310可以用Prosig动态应变仪来实现。虽然图3示出了采用电桥来测量应变，但在其他实现中也可以采用其他电路布局来测量应变片传感器上的信号。

信号处理模块320可基于该测量信号的能量谱密度来确定液压管路中的脉动流体的脉动频率，并基于脉动频率来确定柱塞泵的转速。例如，信号处理模块320可将测量信号转换到频域，并基于频域中最高的能量谱密度来确定脉动流体的脉动频率。即，频谱中能量集中的频率可以指示柱塞泵输出的流体脉动频率。在一些实施例中，为了提高频谱准确性，可以对所采集的应变片传感器上的测量信号进行滤波、谐波消除、干扰消除等。例如，发动机振动可引起液压管路230振动，通过干扰测量可以从测量信号中消除发动机引起的结构振动。

作为示例而非限定，信号处理模块320可以将数据采集模块310所采集的应变片传感器上的测量信号进行短时傅里叶变换，得到信号的时频谱：

式(9)中s(t)为信号，γ(t)为窗函数。

离散形式为：

式(10)中s[k]为时间序列，γ[k]为时间窗函数。

通过识别频谱中能量集中的频率，可以标识出流体脉动频率。

由于柱塞泵可包括一个或多个柱塞以轮流地向液压管路230输出脉动流体，由此柱塞泵的转速可以是脉动频率除以柱塞泵的柱塞数量。作为示例而非限定，柱塞泵的转速和脉动频率关系可以用下式描述：

f＝NZ

式中f为脉动频率(单位为Hz)，N为柱塞泵的转速(单位为rpm，转/分)，Z为柱塞数量。变换可得：

N＝f/Z

由此，通过确定脉动流体的脉动频率，可以推导出柱塞泵的转速。通过在一段时间上跟踪应变片传感器上的测量信号，可以得到柱塞泵转速的变化曲线。虽然图3分开地示出了数据采集模块310和信号处理模块320，但是应理解，数据采集模块310和信号处理模块320可以组合地实现，例如实现为处理设备。

图4是根据本发明的一个实施例的应变片测量信号的示意图。横轴表示时间(单位为秒，Sec)，纵轴表示从测量信号(例如电压信号)转换而来的应变片传感器的微应变(uE)。图表401示出了柱塞泵匀速转动并向液压管路输出脉动流体时测得的微应变，而图表402示出了柱塞泵非匀速转动并向液压管路输出脉动流体时测得的微应变。

图5是根据本发明的一个实施例的所采集信号的时频谱示意图。横轴表示频率(单位为Hz)，纵轴表示时间(单位为秒，Sec)，能量谱密度由不同颜色来表示(单位为dB)。图表501示出了柱塞泵匀速转动时采集的测量信号的时频谱，其中能量集中在稳定的频率处。图表502示出了柱塞泵非匀速转动时采集的测量信号的时频谱，其中能量集中的频率随时间推移发生变化。作为示例而非限定，图表501可对应于如图4中的图表401的微应变，而图表502可对应于如图4中的图表402的微应变。

图6是根据本发明的一个实施例的柱塞泵转速变化曲线图600。柱塞泵转速变化曲线图600是通过在一段时间上跟踪应变片传感器上的测量信号得到的。横轴表示时间(单位为秒，Sec)，纵轴表示柱塞泵的转速(单位为rpm，转/分)。如图所示，柱塞泵随时间推移非匀速地转动。

图7是根据本发明的一个实施例的测量柱塞泵转速的方法的流程图。图7所描述的方法可以使用处理设备、计算设备等来实现。

在步骤702，可在柱塞泵向液压管路输出脉动流体时采集位于液压管路上的应变片传感器上的测量信号。如本文所描述的，一个或多个应变片传感器可安装(例如，贴附)于与柱塞泵输出端相连接的液压管路上，以测量液压管路因脉动流体而发生的变形。应变片传感器可以是环向应变片或纵向应变片。可以采集应变片传感器上的电压信号、电流信号等。在一些示例中，还可以将测量到的电压信号、电流信号等转换成应变信号。

在步骤704，可基于该测量信号的能量谱密度来确定液压管路中的脉动流体的脉动频率。例如，可将测量信号转换到频域，并基于频域中最高的能量谱密度来确定脉动流体的脉动频率。

在步骤706，可基于脉动频率来确定柱塞泵的转速。例如，柱塞泵的转速为脉动频率除以柱塞泵的柱塞数量。柱塞泵的转速可以是匀速的或者随时间推移而变化的。

采用本方法测量柱塞泵的转速，由于不需要在旋转体上加装转速传感器，因此测量位置不受限制，在液压管路的任意地方都能测量柱塞泵的转速，从而降低了系统复杂性并且提高了灵活性。

以上描述的方法和装置的各个步骤和模块可以用硬件、软件、或其组合来实现。如果在硬件中实现，结合本公开描述的各种说明性步骤、模块、以及电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或其他可编程逻辑组件、硬件组件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是处理器、微处理器、控制器、微控制器、或状态机等。如果在软件中实现，则结合本公开描述的各种说明性步骤、模块可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或进行传送。实现本公开的各种操作的软件模块可驻留在存储介质中，如RAM、闪存、ROM、EPROM、EEPROM、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、云存储等。存储介质可耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读写信息，并执行相应的程序模块以实现本公开的各个步骤。而且，基于软件的实施例可以通过适当的通信手段被上载、下载或远程地访问。这种适当的通信手段包括例如互联网、万维网、内联网、软件应用、电缆(包括光纤电缆)、磁通信、电磁通信(包括RF、微波和红外通信)、电子通信或者其他这样的通信手段。

还应注意，这些实施例可能是作为被描绘为流程图、流图、结构图、或框图的过程来描述的。尽管流程图可能会把诸操作描述为顺序过程，但是这些操作中有许多操作能够并行或并发地执行。另外，这些操作的次序可被重新安排。

所公开的方法、装置和系统不应以任何方式被限制。相反，本公开涵盖各种所公开的实施例(单独和彼此的各种组合和子组合)的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的方法、装置和系统不限于任何具体方面或特征或它们的组合，所公开的任何实施例也不要求存在任一个或多个具体优点或者解决特定或所有技术问题。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，包括：

应变片传感器，所述应变片传感器位于与柱塞泵输出端相连接的液压管路上；

数据采集模块，其在所述柱塞泵向所述液压管路输出脉动流体时采集所述应变片传感器上的测量信号；以及

信号处理模块，其基于所述测量信号的能量谱密度来确定所述液压管路中的脉动流体的脉动频率，并基于所述脉动频率来确定所述柱塞泵的转速。

2.如权利要求1所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述信号处理模块将所述测量信号转换到频域，并基于所述频域中最高的能量谱密度来确定所述脉动流体的脉动频率。

3.如权利要求1所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述柱塞泵的转速为所述脉动频率除以所述柱塞泵的柱塞数量。

4.如权利要求1所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述柱塞泵的转速是匀速的或者随时间推移而变化。

5.如权利要求1所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述应变片传感器包括环向应变片或纵向应变片。

6.一种用于柱塞泵转速测量的方法，其特征在于，包括：

在柱塞泵向液压管路输出脉动流体时采集位于所述液压管路上的应变片传感器上的测量信号；

基于所述测量信号的能量谱密度来确定所述液压管路中的脉动流体的脉动频率；以及

基于所述脉动频率来确定所述柱塞泵的转速。

7.如权利要求6所述的用于柱塞泵转速测量的方法，其特征在于，确定所述液压管路中的脉动流体的脉动频率进一步包括：

将所述测量信号转换到频域；以及

基于所述频域中最高的能量谱密度来确定所述脉动流体的脉动频率。

8.如权利要求6所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述柱塞泵的转速为所述脉动频率除以所述柱塞泵的柱塞数量。

9.如权利要求6所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述柱塞泵的转速是匀速的或者随时间推移而变化。

10.如权利要求6所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述应变片传感器包括环向应变片或纵向应变片。

11.如权利要求6所述的用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，所述应变片传感器包括位于所述液压管路上的一个或多个应变片。

12.一种用于柱塞泵转速测量的装置，其特征在于，包括：

处理器；以及

用于存储处理器可执行指令的存储器，

其中所述处理器用于执行所述处理器可执行指令以实现如权利要求6-11中任一项所述的方法。

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