CN111665369B - 自充电一体式旋转机械转速传感器及其转速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自充电一体式旋转机械转速传感器及其转速计算方法，包括发电装置、整流电路、充电电路模块、信号采集模块和信号处理模块，发电装置与齿轮箱旋转主轴配合产生交变电流，发电装置与整流电路连接，整流电路与充电电路模块连接，充电电路模块与信号处理模块连接，信号采集模块与发电装置连接，信号采集模块采集发电装置的电压信号，信号采集装置与信号处理模块连接，信号处理模块根据收到的电压信号计算齿轮箱旋转主轴的转速。本发明通过发电装置将动能转换成电能，为转换传感器本身提供稳定可靠的电源，实现自供电，发电装置安装在旋转主轴一侧，非接触式安装，安装方便，不会对旋转主轴产生影响。

Description

自充电一体式旋转机械转速传感器及其转速计算方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种自充电一体式旋转机械转速传感器及其转速计算方法。

背景技术

传统速度传感器包括激光转速传感器、电涡流转速传感器、编码式转速传感器等，具有以下缺点：

(1)传统速度传感器一般采用有线供电方式，无法实现自动供电和转速测量；

(2)激光转速传感器需要激光探头和光洁反射面，对于恶劣工况不便于安装；

(3)电涡流转速传感器需要在转轴上开键槽，通过键槽与电涡流探头之间发生感应记录脉冲时间间隔计算转速。转轴开键槽需要变更轴系设计方案，不利于后装使用。探头距离转轴距离有严格要求，不利于现场安装调试；

(4)编码式转速传感器需要将传感器安装于轴系内与轴系同步转动，不便于后装使用，破坏原本轴系设计。

例如，一种在中国专利文献上公开的“转矩转速传感器”，其公告号：CN201233290，其申请日：2008年07月14日，包括转矩传感器、转速传感器以及信号处理器，所述信号处理器与所述转矩传感器和所述转速传感器连接，所述信号处理器将所述转矩传感器和所述转速传感器输出的模拟信号转换成数字信号并经由现场总线输出。该申请的转速传感器采用的外部有线供电方式，无法实现自动供电。

发明内容

本发明主要解决现有的技术中转速传感器无法实现自供电以及安装不方便的问题；提供一种自充电一体式旋转机械转速传感器及其转速计算方法，对齿轮箱旋转主轴转速进行监测，安装方便，实现自主供电，成本低。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种自充电一体式旋转机械转速传感器，包括齿轮箱旋转主轴、发电装置、整流电路、充电电路模块、信号采集模块和信号处理模块，所述发电装置与齿轮箱旋转主轴配合产生交变电流，所述发电装置与整流电路连接，所述整流电路与充电电路模块连接，所述充电电路模块与信号处理模块连接，所述信号采集模块与发电装置连接，所述信号采集模块采集发电装置的电压信号，所述信号采集装置与信号处理模块连接，所述信号处理模块根据收到的电压信号计算齿轮箱旋转主轴的转速。通过发电装置与齿轮箱旋转主轴配合产生交变电流，经整流模块转换成直流电之后给信号处理模块供电，实现了转速传感器的自主供电，通过动能转换电能，节约能源，成本低，通过信号采集模块对发电装置的电压信号进行采集，信号处理模块根据采集的电压信号进行齿轮箱旋转主轴的转速计算，实现对齿轮箱旋转主轴转速进行监测。

作为优选，所述的发电装置包括永磁体环、外端盖、轴承端盖、定子线圈、定子铁芯、外端盖轴承、非导磁外套、定位轴承、防尘密封圈、电路板封装模块和连接螺母，所述永磁体环安装在齿轮箱旋转主轴的侧方，所述永磁体环与齿轮箱旋转主轴配合，通过磁场耦合作用进行旋转从而切割磁感线产生交变电流，所述外端盖通过外端盖轴承安装在永磁体环的一侧，所述轴承端盖安装在永磁体环与外端盖相对应的另一侧，所述非导磁外套覆盖安装在永磁体环表面，所述定子线圈安装在永磁体环内，所述定子铁芯与安装在定子线圈与永磁体环之间，所述定位轴承与定子铁芯连接，所述定位轴承通过连接螺母与电路板封装模块连接，所述电路板封装模块经防尘密封圈与轴承端盖连接。永磁体环安装在靠近的一侧，通过齿轮箱主轴转动，产生磁场，主轴表面电涡流与磁场耦合作用，使永磁体环做相对旋转运动，永磁体环在旋转时其内部磁场磁感线切割定子线圈，产生交变电流，通过整流电路后进行电能存储，相比于传统转速传感器的外界电池或有线供电方式，节约能源，减少电源供电布线，降低电源成本，安装方便。

作为优选，所述的永磁体环包括若干块永磁体，若干块永磁体的数量为偶数块，相邻2块永磁体之间的磁极相反。相邻2块永磁体之间的磁极相反，使得永磁体环在旋转时其内部磁场磁感线能切割定子线圈，产生交变电流。

作为优选，所述的充电电路模块包括稳压电路和储能装置。通过稳压电路将直流电进行稳压。

作为优选，所述的整流电路包括桥式整流电路和滤波电容。通过桥式整流电路将交变电流转换成直流电，通过滤波电容对转换后的直流电进行滤波处理，滤除转换不完全的交流电。

作为优选，所述的储能装置包括储能电容、蓄电池或锂电池。多种储能装置可选，节约成本。

作为优选，还包括蓝牙传输模块，所述蓝牙传输模块与信号处理模块连接，用于传输转速信号。设置有边缘计算网关，用于接收转速信号，通过蓝牙传输模块形成组网，将区域内的转速传感器测得转速信号通过组网上传给边缘计算网关。

一种自充电一体式旋转机械转速传感器的转速计算方法，其转速计算方法为：

其中，n为测量转速，单位为r/min，Δt为电压峰值之间的最小时间间隔，N为永磁体数量，M为定子线圈对数，β为标定转速比。

本发明的有益效果是：(1)通过发电装置将动能转换成电能，为转换传感器本身提供稳定可靠的电源，实现自供电；(2)发电装置安装在旋转主轴一侧，非接触式安装，安装方便，不会对旋转主轴产生影响；(3)通过信号采集模块和信号处理模块实现旋转主轴转速的监测；(4)通过蓝牙传输模块可实现远程信号传输。

附图说明

图1是实施例一的转速传感器的结构框图。

图2是实施例一的发电装置的结构爆炸图。

图3是实施例一的发电装置的结构剖视图。

图4是实施例一的发电装置的安装位置示意图。

图5是实施例一的信号采集模块的电源连接原理图。

图6是实施例一的采集的电压信号波形图。

图中1.定子线圈，2.定位轴承，3.轴承端盖，4.防尘密封圈，5.电路板封装模块，6.连接螺母，7.定子铁芯，8.外端盖轴承，9.非导磁外套，10.永磁体环，11.外端盖，12.发电装置，13.整流电路，14.充电电路模块，15.信号采集模块，16.信号处理模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例一：一种自充电一体式旋转机械转速传感器，如图1所示，包括齿轮箱旋转主轴、发电装置12、整流电路13、充电电路模块14、信号采集模块15、信号处理模块16和蓝牙传输模块，发电装置12与齿轮箱旋转主轴配合产生交变电流，发电装置12与整流电路13连接，整流电路13与充电电路模块14连接，充电电路模块14与信号处理模块16连接，如图5所示，信号采集模块15与发电装置12连接，信号采集模块15采集发电装置的电压信号，信号采集装置15与信号处理模块16连接，信号处理模块16根据收到的电压信号计算齿轮箱旋转主轴的转速，蓝牙传输模块与信号处理模块连接，用于将转速信号传递到边缘计算网关，如图6所示，为信号处理模块16接收到的电压信号波形。

如图2和图3所示，发电装置12包括永磁体环10、外端盖11、轴承端盖3、定子线圈1、定子铁芯7、外端盖轴承8、非导磁外套9、定位轴承2、防尘密封圈4、电路板封装模块5和连接螺母6，如图4所示，永磁体环10与齿轮箱旋转主轴配合，通过磁场耦合作用进行旋转从而切割磁感线产生交变电流，外端盖11通过外端盖轴承8安装在永磁体环10的一侧，轴承端盖3安装在永磁体环10与外端盖11相对应的另一侧，非导磁外套9覆盖安装在永磁体环10表面，定子线圈1安装在永磁体环10内，定子铁芯7与安装在定子线圈1与永磁体环10之间，定位轴承2与定子铁芯7连接，定位轴承2通过连接螺母6与电路板封装模块5连接，电路板封装模块5经防尘密封圈4与轴承端盖3连接，永磁体环10包括若干块永磁体，若干块永磁体的数量为偶数块，相邻2块永磁体之间的磁极相反，充电电路模块14包括稳压电路和储能装置，整流电路13包括桥式整流电路和滤波电容，储能装置包括储能电容、蓄电池或锂电池。

一种自充电一体式旋转机械转速传感器的转速计算方法，其转速计算方法为：

其中，n为测量转速，单位为r/min，Δt为电压峰值之间的最小时间间隔，N为永磁体数量，M为定子线圈对数，β为标定转速比。

在具体应用中，当齿轮箱开始工作时，齿轮箱的主轴开始旋转时，永磁体环10位于齿轮箱主轴相近的位置，永磁体环10产生的磁感线与主轴表面进行相对运动，从而由交变磁场在主轴金属表面产生电涡流，主轴表面的电涡流与磁场耦合作用，带动永磁体环10进行旋转，永磁体环10内部安装有定子线圈1，永磁体环10旋转时磁感线切割定子线圈1，使定子线圈1产生交变电流，交变电流传递到电路板封装模块5，电路板封装模块5内设有桥式整流电路、滤波电容和稳压电路，交变电流经整流、滤波和稳压后通过蓄电池进行电能存储，用于给信号处理模块16供电，同时，信号采集模块对定子线圈1产生的三相电压信号进行采集，并传递给信号处理模块，信号处理模块根据转速计算方法对旋转主轴的转速进行计算，并通过蓝牙传输模块传输到边缘计算网关，若存在多个转速传感器，则多个蓝牙传输模块形成组网系统，使得网络传输更加稳定安全。

实施例二，一种自充电一体式旋转机械转速传感器，本实施例相比于实施例一增加了定值电阻R1、定值电阻R2、定值电阻R3、定值电阻R4、定值电阻R5、定值电阻R6、三极管K1、三极管K2、三极管K3、欧姆表、第一线圈、第二线圈和第三线圈，将永磁体环10的圆周分为等长的三个圆弧，在圆弧的交点分别安装定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3，定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3串联后与欧姆表连接，三极管K1的集电极与定值电阻R1的一端连接，三极管K1的发射极经定值电阻R4与定值电阻R1的另一端连接，三极管K1的基极与第一线圈连接，三极管K2的集电极与定值电阻R2的一端连接，三极管K2的发射极经定值电阻R5与定值电阻R2的另一端连接，三极管K2的基极与第二线圈连接，三极管K3的集电极与定值电阻R3的一端连接，三极管K3的发射极经定值电阻R6与定值电阻R3的另一端连接，三极管K3的基极与第三线圈连接，其余结构同实施例一。当永磁体环10被齿轮箱旋转主轴带动旋转时，磁感线切割第一线圈、第二线圈和第三线圈，使线圈产生电动势，使三极管开关导通，导致欧姆表显示不同示数，根据定值电阻已知的阻值和欧姆表的读数显示时间，可测得永磁体环10的转速。

实施例三，一种自充电一体式旋转机械转速传感器，本实施例相比于实施例一增加了定值电阻R1、定值电阻R2、定值电阻R3、定值电阻R4、定值电阻R5、定值电阻R6、三极管K1、三极管K2、三极管K3、欧姆表、第一线圈、第二线圈和第三线圈，将齿轮箱旋转主轴的圆周分为等长的三个圆弧，在圆弧的交点分别安装定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3，定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3串联后与欧姆表连接，三极管K1的集电极与定值电阻R1的一端连接，三极管K1的发射极经定值电阻R4与定值电阻R1的另一端连接，三极管K1的基极与第一线圈连接，三极管K2的集电极与定值电阻R2的一端连接，三极管K2的发射极经定值电阻R5与定值电阻R2的另一端连接，三极管K2的基极与第二线圈连接，三极管K3的集电极与定值电阻R3的一端连接，三极管K3的发射极经定值电阻R6与定值电阻R3的另一端连接，三极管K3的基极与第三线圈连接，其余结构同实施例一。根据定值电阻已知的阻值和欧姆表的读数显示时间，可测得齿轮箱旋转主轴的转速。

实施例四，一种自充电一体式旋转机械转速传感器，本实施例相比于实施例一增加了热敏电阻R1、热敏电阻R2、热敏电阻R3、定值电阻R4、定值电阻R5、定值电阻R6、三极管K1、三极管K2、三极管K3、欧姆表、第一线圈、第二线圈和第三线圈，将齿轮箱旋转主轴的圆周分为等长的三个圆弧，在圆弧的交点分别安装热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3，热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3串联后与欧姆表连接，三极管K1的集电极与热敏电阻R1的一端连接，三极管K1的发射极经定值电阻R4与热敏电阻R1的另一端连接，三极管K1的基极与第一线圈连接，三极管K2的集电极与热敏电阻R2的一端连接，三极管K2的发射极经定值电阻R5与热敏电阻R2的另一端连接，三极管K2的基极与第二线圈连接，三极管K3的集电极与热敏电阻R3的一端连接，三极管K3的发射极经定值电阻R6与热敏电阻R3的另一端连接，三极管K3的基极与第三线圈连接，其余结构同实施例一。根据定值电阻的阻值已知和热敏电阻与温度的变化曲线，结合欧姆表的示数显示，可同时测得齿轮箱旋转主轴的转速和温度。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.自充电一体式旋转机械转速传感器，包括齿轮箱旋转主轴，其特征在于，还包括

发电装置、整流电路、充电电路模块、信号采集模块和信号处理模块，所述发电装置与齿轮箱旋转主轴配合产生交变电流，所述发电装置与整流电路连接，所述整流电路与充电电路模块连接，所述充电电路模块与信号处理模块连接，所述信号采集模块与发电装置连接，所述信号采集模块采集发电装置的电压信号，所述信号采集模块与信号处理模块连接，所述信号处理模块根据收到的电压信号计算齿轮箱旋转主轴的转速；

所述发电装置包括永磁体环、外端盖、轴承端盖、定子线圈、定子铁芯、外端盖轴承、非导磁外套、定位轴承、防尘密封圈、电路板封装模块和连接螺母，所述永磁体环安装在齿轮箱旋转主轴的侧方，所述永磁体环与齿轮箱旋转主轴配合，通过磁场耦合作用进行旋转从而切割磁感线产生交变电流，所述外端盖通过外端盖轴承安装在永磁体环的一侧，所述轴承端盖安装在永磁体环与外端盖相对应的另一侧，所述非导磁外套覆盖安装在永磁体环表面，所述定子线圈安装在永磁体环内，所述定子铁芯与安装在定子线圈与永磁体环之间，所述定位轴承与定子铁芯连接，所述定位轴承通过连接螺母与电路板封装模块连接，所述电路板封装模块经防尘密封圈与轴承端盖连接；

所述永磁体环包括若干块永磁体，若干块永磁体的数量为偶数块，相邻2块永磁体之间的磁极相反。

2.根据权利要求1所述的自充电一体式旋转机械转速传感器，其特征在于，所述充电电路模块包括稳压电路和储能装置。

3.根据权利要求1所述的自充电一体式旋转机械转速传感器，其特征在于，所述整流电路包括桥式整流电路和滤波电容。

4.根据权利要求2所述的自充电一体式旋转机械转速传感器，其特征在于，所述储能装置包括储能电容、蓄电池或锂电池。

5.根据权利要求1所述的自充电一体式旋转机械转速传感器，其特征在于，还包括蓝牙传输模块，所述蓝牙传输模块与信号处理模块连接，用于传输转速信号。

6.自充电一体式旋转机械转速传感器的转速计算方法，采用如权利要求1至5任一项所述的自充电一体式旋转机械转速传感器，其特征在于，其转速计算方法为：

其中，n为测量转速，单位为r/min，Δt为电压峰值之间的最小时间间隔，N为永磁体数量，M为定子线圈对数，β为标定转速比。

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