CN111649067B - 一种气体轴承装配检测装置、方法和系统 - Google Patents

一种气体轴承装配检测装置、方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气体轴承装配检测装置、方法和系统，涉及气体轴承技术领域。所述装置包括：待检测的气体轴承本体，气体轴承本体包括定子和转子，定子上开设有内壁形状为半球面的安装槽，转子设置于安装槽内，且能够相对于定子转动；其中，转子由导电材料制成；安装于定子的内壁上的电容测量单元，电容测量单元包括相互间隔设置的发射电极和接收电极；信号发生电路，与发射电极连接，用于向发射电极输入激励检测电压；信号采集电路，与接收电极连接，用于采集接收电极上的电压信号。本发明通过在定子的内壁上安装电容测量单元，在工作过程中获取电容测量单元的电容值，利用电容变间隙式测量原理，实现对气体轴承装配误差的直接检测。

Description

一种气体轴承装配检测装置、方法和系统
技术领域
本发明涉及气体轴承技术领域，特别涉及一种气体轴承装配检测装置、方法和系统。
背景技术
气体轴承具有高转速、长寿命、无油润滑、结构紧凑等诸多优点，被认为是在高温、高速工况下代替常规油膜润滑的滚动轴承和滑动轴承的理想产品，因此被广泛应用于航空航天和国防等关键领域中的高速旋转设备中。
装配误差是气体轴承制造过程中的关键指标，决定着气体轴承的成品率和工作稳定性。对气体轴承的装配误差进行实时检测，能够实时掌握气体轴承装配过程中的几何状态，可以在航天军工关键设备的制造过程中发挥重要作用。然而由于气体轴承装配误差的微小性、气膜所处空间的密闭性导致气体轴承装配误差的测量极为困难。传统的检测方法是通过安装通用位移传感器来测量轴心轨迹，然后结合气体轴承形状间接计算获得装配误差。此方法由于是间接测量，会引入较大误差，同时通用位移传感器安装难度大，不利于气体轴承的小型化和集成化。
发明内容
本发明实施例提供一种气体轴承装配检测装置、方法和系统，以解决气体轴承装配误差测量困难的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提供一种气体轴承装配检测装置，包括：
待检测的气体轴承本体，所述气体轴承本体包括定子和转子，所述定子上开设有内壁形状为半球面的安装槽，所述转子设置于所述安装槽内，且能够相对于所述定子转动；其中，所述转子由导电材料制成；
安装于所述定子的内壁上的电容测量单元，所述电容测量单元包括相互间隔设置的发射电极和接收电极；
信号发生电路，与所述发射电极连接，用于向所述发射电极输入激励检测电压；
信号采集电路，与所述接收电极连接，用于采集所述接收电极上的电容信号。
进一步地，所述发射电极包括填充区域，所述接收电极设置于所述填充区域中，且所述接收电极与所述发射电极之间通过绝缘介质隔离。
进一步地，所述电容测量单元的外表面弧度与所述定子的安装槽的弧度重合。
进一步地，每一所述电容测量单元对应一导线组，所述导线组安装于所述定子上，包括与所述发射电极连接的第一导线和与接收电极连接的第二导线；
其中所述第一导线和所述第二导线中的至少部分在所述定子上露出，所述第一导线用于连接所述信号发生电路，所述第二电线用于连接所述信号采集电路。
进一步地，所述信号发生电路包括：依次连接的数模转换器、第一放大器、容性负载驱动器和短路保护电路；
其中，所述数模转换器为所述信号发生电路的输入端，所述短路保护电路为所述信号发生电路的输出端。
进一步地，所述信号采集电路包括：依次连接的电容桥式检测电路、第二放大器、滤波器、模数转换器；
其中，所述电容桥式检测电路为所述信号采集电路的输入端，所述模数转换器为所述信号采集电路的输出端。
本发明实施例还提供一种检测方法，应用于如上所述的气体轴承装配检测装置，所述方法包括：
信号发生电路向所述发射电极输入激励检测电压；通过所述信号采集电路采集所述接收电极上的电压信号；
根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差。
进一步地，根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差，包括：
根据所述电容信号，获取所述发射电极与所述转子的第一等效电容、所述接收电极与所述转子的第二等效电容和预设位移值；
根据所述电容信号，计算相对位移值；
根据所述相对位移值和预设位移值，确定所述定子与所述转子之间的装配误差。
进一步地，根据所述电容信号，计算相对位移值，包括：
计算所述第一等效电容和所述第二等效电容的串联电容值，并根据所述串联电容值计算第一位移值；
将所述第一位移值矢量分解，得到所述定子的轴向位移值和所述定子的径向位移值；
根据所述轴向位移值和所述径向位移值，确定所述相对位移值。
本发明实施例还提供一种检测装置，应用于如上所述的气体轴承装配检测装置，所述装置包括：
信号发生模块，用于信号发生电路向所述发射电极输入激励检测电压；采集模块，用于通过所述信号采集电路采集所述接收电极上的电压信号；
处理模块，用于根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差。
本发明实施例还提供一种气体轴承装置检测系统，包括如上所述的气体轴承装配检测装置和如上所述的检测装置。
本发明的有益效果是：
本发明提出的气体轴承装配检测装置、方法和系统，利用电容原理高灵敏度、高带宽、体积小、功耗低等优点，将电容测量单元集成到气体轴承定子上，通过测量该电容测量单元的容值，得到定子与转子之间的装配误差值。本发明实现气体轴承装配误差的直接高精度测量，解决了气体轴承装配误差测量困难的问题。
附图说明
图1表示本发明实施例提供的气体轴承装配检测装置系统的结构示意图；
图2表示本发明实施例提供的气体轴承装配检测装置的剖面图；
图3表示本发明实施例提供的气体轴承装配检测装置的等效电容示意图；
图4表示本发明实施例提供的气体轴承装配检测装置的硬件电路示意图；
图5表示本发明实施例提供的气体轴承装配检测方法的流程示意图；
图6表示本发明实施例提供的气体轴承装配检测方法的模块示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本发明针对气体轴承装配误差测量困难的问题，提供一种气体轴承装配检测装置、方法和系统，为了实现气体轴承装配误差的集成化直接测量，从而提高测量精度，为高端装备关键零部件研究与应用提供有力支持。
如图1至图4所示，本发明一可选实施例提供的气体轴承装配检测装置，包括：
待检测的气体轴承本体，所述气体轴承本体包括定子2和转子1，所述定子2上开设有内壁形状为半球面的安装槽B，所述转子1设置于所述安装槽B内，且能够相对于所述定子1转动；其中，所述转子1由导电材料制成；
安装于所述定子2的内壁上的电容测量单元A，所述电容测量单元A包括相互间隔设置的发射电极3和接收电极4；
信号发生电路，与所述发射电极3连接，用于向所述发射电极3输入激励检测电压；
信号采集电路，与所述接收电极4连接，用于采集所述接收电极4上的电压信号。
该实施例中，所述定子2的内壁上设有多个电容测量单元A，优选的，在所述定子2的内壁上设置四个等间距的圆形凹槽，所述电容测量单元A嵌设于所述圆形凹槽内，又，所述电容测量单元A包括相互间隔设置的发射电极3和接收电极4，因此，所述发射电极3优选为金属材料制成的圆环，所述接收电极4优选为金属材料制成的圆柱，当然，本发明电容测量单元A的数量可根据实际需求进行设置，所述电容测量单元A的形状不限于圆形，还可以为方形、矩形等多个规则或不规则的形状。
优选地，所述发射电极与接收电极的面积相等。
本发明电容测量单元A的数量可根据实际需求进行设置，举例说明，当所述电容测量单元A数量为4个时，可以以其中一个所述电容测量单元A记作0°，并沿其周向以顺时针或逆时针方向等间距布置电容测量单元A，即其中一个所述电容测量单元A记作0°，在周向上的90°、180°、270°各布置一个电容测量单元A，所述各个电容测量单元互不干扰，可独立工作。
进一步地，所述发射电极3包括填充区域，所述接收电极4设置于所述填充区域中，且所述接收电极4与所述发射电极3之间通过绝缘介质5隔离。
需要说明的是，通过所述接收电极4与所述发射电极3之间填满所述绝缘物质5，防止所述发射电极3和所述接收电极4两者之间连接，起到电信号绝缘作用，防止出现短路或出现其他故障现象，提高了整个所述检测系统的安全性。当然，在所述发射电极3与所述定子2之间的存在孔隙，也可以通过所述绝缘介质5隔离。
进一步地，所述电容测量单元的外表面弧度与所述定子的安装槽B的弧度重合。
该实施例中，优选在所述定子2的安装槽B上等间距设置四个电容测量单元A，通过图2所示，所述电容测量单元A嵌设于所述安装槽B上，所述电容测量单元A的外表面弧度与所述安装槽B的半球面的弧度一致，即所述电容测量单元A的外表面和所述半球面的外表面重合，从而保证所述电容测量单元A与所述转子1之间的距离能够直接用来表示所述定子2与所述转子1之间的距离。
如图2所示，优选的，所述电容测量单元A中的所述发射电极3和所述接收电极4的轴线重合，该轴线与所述转子旋转轴的轴线(图2中的I所示)呈45°夹角。
又如图1和图4所示，具体地，每一所述电容测量单元A对应一导线组6，所述导线组6安装于所述定子2上，包括与所述发射电极连接的第一导线和与接收电极连接的第二导线；
其中所述第一导线和所述第二导线中的至少部分在所述定子2上露出，所述第一导线用于连接所述信号发生电路，所述第二电线用于连接所述信号采集电路。
该实施例中，每一所述电容测量单元A对应一导线组6，其中所述第一导线和所述第二导线中的至少部分在所述定子2上露出，所述引出导线6沿所述定子2的侧面周向布置，这样布置的目的防止在所述转子1相对于所述定子2转动过程中，对其电信号的干扰，而且这样设置还节省了空间；所述第一导线和所述信号发生电路连接，用于传输激励检测电压，所述第二导线和所述信号采集电路连接，用于传输感应信号，即采集所述接收电极上的电压信号，实现了所述发射电极3和所述接收电极4的信号传输。
如图3和图4所示，所述信号发生电路包括：依次连接的数模转换器、第一放大器、容性负载驱动器和短路保护电路；
其中，所述数模转换器为所述信号发生电路的输入端，所述短路保护电路为所述信号发生电路的输出端。
需要说明的是，所述信号发生电路中所述数模转换器、所述第一放大器、所述容性负载驱动器和所述短路保护电路依次连接，由所述数模转换器为所述信号发生电路的输入端，所述短路保护电路为所述信号发生电路的输出端，所述信号发生电路输出多路激励检测电压至所述发射电极3，这里，多路信号是根据电容测量单元的数量决定，如有四个电容测量单元，则输出四路激励检测电压信号；所述信号发生电路可以独立控制每一路激励信号的启停和频率、幅值参数，能够检测到发射电极与接收电极短路的情况，并进行保护。
优选地，所述信号发生电路带宽达到1MHz，电压达到±15V，能够产生多种频率及幅值的正弦电压信号；所述信号采集电路带宽达到1MHz，具有滤波参数程控功能。
进一步地，所述信号采集电路包括：依次连接的电容桥式检测电路、第二放大器、滤波器、模数转换器；
其中，所述电容桥式检测电路为所述信号采集电路的输入端，所述模数转换器为所述信号采集电路的输出端。
需要说明的是，所述信号采集电路采集所述接收电极4上的电压信号，所述电容信号依次通过电容桥式检测电路、第二放大器、滤波器、模数转换器进行输出，输出后的电容信号转化为二进制数据，可以通过对二进制数据进行分析、处理，获得装配误差。
进一步地，所述检测装置还包括：
处理器，分别与所述信号采集电路和信号发生电路连接；
串行数据发送电路，与所述处理器连接，用于实时传输装配误差；
显示屏，与所述处理器连接，用于实时显示装配误差。
需要说明的是，所述信号采集电路输出的二进制数据通过处理器处理后送至串行数据发送电路，所述串行数据发送电路用于实时传输装配误差，所述串行数据发送电路发送的信息可以通过所述处理器发送至显示屏，用于实时显示装配误差数据。
本发明提供的气体轴承装配检测装置利用电容原理高灵敏度、高带宽、体积小、功耗低等优点，将电容测量单元集成到气体轴承定子上，通过测量该电容测量单元的容值，得到定子与转子之间的装配误差值。本发明实现气体轴承装配误差的直接高精度测量，解决了气体轴承装配误差测量困难的问题。
如图5所示，本发明一可选实施例提供的检测方法，应用于如上所述的气体轴承装配检测装置，所述方法包括：
步骤100，信号发生电路向所述发射电极3输入激励检测电压；
步骤200，通过所述信号采集电路采集所述接收电极4上的电压信号；
步骤300，根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差。
该实施例中，通过步骤100，所述信号发生电路向所述发射电极3输入激励检测电压，所述发射电极3将激励检测电压发送至所述接受电极4，再通过步骤200，通过所述信号采集电路采集所述接收电极4上的电压信号，通过这两个步骤可以获得电压信号，根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号可以获得所述发射电极3与所述转子1形成的第一等效电容C1和所述接收电极4与所述转子1形成的第二等效电容C2。
进一步地，所述步骤300包括：
根据所述电容信号，获取所述发射电极与所述转子的第一等效电容、所述接收电极与所述转子的第二等效电容和预设位移值；
根据所述电容信号，计算相对位移值；
根据所述相对位移值和预设位移值，确定所述定子与所述转子之间的装配误差。
进一步地，根据所述电容信号，计算相对位移值，包括：
计算所述第一等效电容和所述第二等效电容的串联电容值，并根据所述串联电容值计算第一位移值；
将所述第一位移值矢量分解，得到所述定子的轴向位移值和所述定子的径向位移值；
根据所述轴向位移值和所述径向位移值，确定所述相对位移值。
可选的，所述串联电容值为所述第一等效电容C1和所述第二等效电容C2的乘积，与所述第一等效电容C1和所述第二等效电容C2的和两者的比值。
该实施例中，所述串联电容值C用公式表达为：
Figure BDA0002516959520000081
其中C为C1、C2串联后的电容值，R为桥式检测电路中的桥臂电阻值，f为激励检测电压的频率值，US为激励检测电压的幅值，UO为电容信号幅值。R、f、US、UO的参数值均根据实际需求设计。
计算所述第一等效电容和所述第二等效电容的串联电容值，并根据所述串联电容值计算第一位移值；
该实施例中，所述第一位移值S用公式表达为：
Figure BDA0002516959520000091
其中S为所求转子1与定子2的安装槽之间的第一位移值，ε为所述定子与所述转子之间的所述绝缘介质5的介电常数，P1为所述发射电极3与所述转子1的正对面积，P2为所述接收电极4与所述转子1的正对面积。
进一步地，所述步骤300还包括：
将所述第一位移值矢量分解，得到所述定子的轴向位移值和所述定子的径向位移值；
根据所述轴向位移值和所述径向位移值，确定所述相对位移值。
该实施例中，所述步骤300根据所述电容信号，获取相对位移值S2包括：获取电容测量单元A的位移值SA(根据串联电容值计算的位移值，与所述第一位移值计算相同)，并将所述位移值SA矢量分解，得到轴向位移值(所述定子的轴，即图2中的I的方向)和径向位移值(其中一个半径的方向，即图2中的R的方向)，根据分解后的矢量叠加关系，即可得到X、Y、Z三个方向上的相对位置SX、SY、SZ，然后与第一位移值比较，，确定所述定子与所述转子之间的装配误差。
下面结合图2进一步解释说明确定所述定子与所述转子之间的装配误差。
结合图2所示说明，这里以设计四个电容测量单元为例，将四个电容测量单元测得的位移值SA、SB、SC、SD进行矢量分解，得到轴向位移值SZA、SZB、SZC、SZD，和径向位移值SX+、SY+、SX-、SY-，由此计算出所述转子1与所述定子2的相对位移SX、SY、SZ，通过公式表达为：
SX＝SX+-SX-
SY＝SY+-SY-
Figure BDA0002516959520000092
通过所述轴向位移值和所述径向位移值计算得到相对位移SX、SY、SZ，，再将此相对位移与预设位移值进行比较，即可得到装配误差。其中轴向位移值SZA、SZB、SZC、SZD存在叠加关系，径向位移值SY+和SY-存在差动关系，SX+和SX-也存在差动关系，利用这种叠加关系与差动关系，可以提高测量线性度，进而提高对装配误差的测量精度。
优选地，所述信号发生电路带宽达到1MHz，电压达到±15V，能够产生多种频率及幅值的正弦电压信号；所述信号采集电路带宽达到1MHz，桥臂电阻R与传感电容C的阻抗值相当，具有滤波参数程控功能。
优选地，首先计算出四个电容测量单元的电容值大小，然后通过该电容值计算位移值，最后得到装配误差，并控制所述显示屏显示装配误差，控制串行数据发送电路发送装配误差。所述电容信号至少可以包括四个电容测量单元的电容值大小。
本发明实施例的方法，将电容测量单元集成到气体轴承定子上，通过测量该电容测量单元的容值，得到定子与转子之间的装配误差值。本发明实现气体轴承装配误差的直接高精度测量，解决了气体轴承装配误差测量困难的问题。
本发明实施例还提供一种检测装置，应用于如上所述的气体轴承装配检测装置，所述装置包括：
信号发生模块10，用于信号发生电路向所述发射电极输入激励检测电压；
采集模块20，用于通过所述信号采集电路采集所述接收电极上的电压信号；
处理模块30，用于根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差。
可选的，所述处理模块30包括：
第一获取单元，用于根据所述电容信号，获取所述发射电极与所述转子的第一等效电容、所述接收电极与所述转子的第二等效电容和预设位移值；
第二获取单元，用于根据所述电容信号，计算相对位移值；
处理单元，用于根据所述相对位移值和预设位移值，确定所述定子与所述转子之间的装配误差。
进一步地，所述第二获取单元包括：
第一计算单元，用于计算所述第一等效电容和所述第二等效电容的串联电容值，并根据所述串联电容值计算第一位移值；
第一处理子单元，用于将所述第一位移值矢量分解，得到所述定子的轴向位移值和所述定子的径向位移值；
第一获取子单元，用于根据所述轴向位移值和所述径向位移值，确定所述相对位移值。
本发明实施例还提供一种气体轴承装置检测系统，包括如上所述的气体轴承装配检测装置和如上所述的检测装置。
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体轴承装配检测装置，其特征在于，包括：
待检测的气体轴承本体，所述气体轴承本体包括定子和转子，所述定子上开设有内壁形状为半球面的安装槽，所述转子设置于所述安装槽内，且能够相对于所述定子转动；其中，所述转子由导电材料制成；
安装于所述定子的内壁上的电容测量单元，所述电容测量单元包括相互间隔设置的发射电极和接收电极，定子的内壁上设有多个电容测量单元，在所述定子的内壁上设置四个等间距的圆形凹槽，所述电容测量单元嵌设于所述圆形凹槽内；电容测量单元的外表面和所述半球面的外表面重合；
信号发生电路，与所述发射电极连接，用于向所述发射电极输入激励检测电压；
信号采集电路，与所述接收电极连接，用于采集所述接收电极上的电压信号。
2.根据权利要求1所述的气体轴承装配检测装置，其特征在于，所述发射电极包括填充区域，所述接收电极设置于所述填充区域中，且所述接收电极与所述发射电极之间通过绝缘介质隔离。
3.根据权利要求1所述的气体轴承装配检测装置，其特征在于，每一所述电容测量单元对应一导线组，所述导线组安装于所述定子上，包括与所述发射电极连接的第一导线和与接收电极连接的第二导线；
其中所述第一导线和所述第二导线中的至少部分在所述定子上露出，所述第一导线用于连接所述信号发生电路，第二电线用于连接所述信号采集电路。
4.根据权利要求1所述的气体轴承装配检测装置，其特征在于，所述信号发生电路包括：依次连接的数模转换器、第一放大器、容性负载驱动器和短路保护电路；
其中，所述数模转换器为所述信号发生电路的输入端，所述短路保护电路为所述信号发生电路的输出端。
5.根据权利要求1所述的气体轴承装配检测装置，其特征在于，所述信号采集电路包括：依次连接的电容桥式检测电路、第二放大器、滤波器、模数转换器；
其中，所述电容桥式检测电路为所述信号采集电路的输入端，所述模数转换器为所述信号采集电路的输出端。
6.一种检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至权利要求5任一项所述的气体轴承装配检测装置，所述方法包括：
信号发生电路向所述发射电极输入激励检测电压；
通过所述信号采集电路采集所述接收电极上的电压信号；
根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差，包括：
根据所述电容信号，获取所述发射电极与所述转子的第一等效电容、所述接收电极与所述转子的第二等效电容和预设位移值；
根据所述电容信号，计算相对位移值；
根据所述相对位移值和预设位移值，确定所述定子与所述转子之间的装配误差。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，根据所述电容信号，计算相对位移值，包括：
计算所述第一等效电容和所述第二等效电容的串联电容值，并根据所述串联电容值计算第一位移值；
将所述第一位移值矢量分解，得到所述定子的轴向位移值和所述定子的径向位移值；
根据所述轴向位移值和所述径向位移值，确定所述相对位移值。
9.一种检测设备，其特征在于，应用于如权利要求1至权利要求5任一项中所述的气体轴承装配检测装置，所述检测设备包括：
信号发生模块，用于信号发生电路向所述发射电极输入激励检测电压；
采集模块，用于通过所述信号采集电路采集所述接收电极上的电压信号；
处理模块，用于根据所述电压信号计算电容信号，并根据所述电容信号，检测所述定子与所述转子之间的装配误差。
10.一种气体轴承装置检测系统，其特征在于，包括权利要求1至权利要求5任一项所述的气体轴承装配检测装置和权利要求9中所述的检测设备。
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