CN114646378A - 振动力量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动力量测量装置，适用于测量具有高速转动元件的待测物。振动力量测量装置包含测量平台、抬升装置、感测器以及连接件。测量平台具有承载面以承载待测物。抬升装置配置成将测量平台抬离抬升装置的上表面。感测器配置成感测待测物运转时所产生的振动量。连接件连接测量平台与感测器，且配置成将待测物的振动量传递给感测器。连接件在不同方向上的刚性不相同。借此，本发明的振动力量测量装置，测量平台由无摩擦力或低摩擦力的抬升装置支撑，因此可阻绝外部干扰，有效提升待测物的振动力量测量的灵敏度。

Description

振动力量测量装置

技术领域

本发明是有关于一种力量测量装置，且特别是有关于一种振动力量测量装置。

背景技术

旋转机械广泛应用在各领域的机电系统中。为了解决旋转机械在运转时所产生的不平衡振动问题，产业的现有技术中多采用动平衡校正机来测量不平衡质量与存在位置，采用减法或加法补正质量的方式来解决转子不平衡振动问题。

动平衡校正机在原理上可分为软式动平衡机与硬式动平衡机。由于软式动平衡机操作繁杂，因此在市场中相对少见。而硬式平衡机是采用压电式力感测器，直接对振动的力量作信号处理。对于双面及单面动平衡的处理上，相较于软式平衡机的复杂的平面分离法运算，硬式平衡机能提供较快速的平衡处理方法。

平衡机主要是通过转子旋转时所产生的离心力来测量转子的不平衡量。硬支撑(hard bearing)平衡机可直接测量离心力，再利用离心力计算出转子的不平衡量。而软支撑(soft bearing)平衡机则是测量转子旋转时的振动量，因此须加试重才能转换成转子的不平衡量。

硬支撑平衡机较适用于大质量且不平衡量初始量大的转子。而软支撑平衡机则较适用于较轻的转子以及工作转速非常高的转子。由于较轻的转子和转速高的转子广泛应用在各类小家电中，因此在市场上的需求量比较大。

而针对应用在电子、汽车、医疗、家电等领域的各种小型散热风扇，硬支撑平衡机对于微量振动力量的精准度误差过大，对于高转速转子易有固有频率过近或低于的状态，而无法测量。针对风扇所开发的软支撑平衡机是采用加速规来测量振动量，无法对应产线直观需检测离心力量的需求，同时检测的振动量转换为离心力也存在误差。此外，现有软支撑平衡机规格对于微量振动力量的测量灵敏度与解析度不佳，无法精准直接呈现产线需要的小型风扇振动力量数据，因而无法进一步应用在产品分级上。

现有风扇振动测量系统对于厂商产线上的品管，最大问题为架设安装与测量时间过长，单位时间检测量无法超越人工。

发明内容

因此，本发明的一目的就是在提供一种振动力量测量装置，其具备即时力量感测、数据量化分级、与快速全检能力，且装置的架设安装容易，所以可解决商业化转子振动检测系统在风扇等具高速转动元件的待测物产线中测量时间过长与无法全检的问题。

本发明的另一目的就是在提供一种振动力量测量装置，其可采用荷重元(loadcell)感测器作为振动量的感测器，因此可直接测量到待测物运转时的力量变化数据，且具低成本、易取得、与规格完整的优势，尤其是针对10N以下的微量振动力测量范围。

本发明的又一目的就是在提供一种振动力量测量装置，其测量平台可由无摩擦力或低摩擦力的抬升装置支撑，因此可阻绝外部干扰，有效提升待测物的振动力量测量的灵敏度。

本发明的再一目的就是在提供一种振动力量测量装置，其连接件可采用挠性绞链，而可实现单平面外的干扰源隔离，因此可精准测量待测物的水平振动力量变化。

根据本发明的上述目的，提出一种振动力量测量装置，适用于测量具有高速转动元件的待测物。此振动力量测量装置包含测量平台、抬升装置、感测器以及连接件。测量平台具有承载面以承载待测物。抬升装置配置成将测量平台抬离抬升装置的上表面。感测器配置成感测待测物运转时所产生的振动量。连接件连接测量平台与感测器，且配置成将待测物的振动量传递给感测器。连接件在不同方向上的刚性不相同。

依据本发明的一实施例，上述的测量平台包含夹治具，此夹治具配置成将待测物固定在测量平台上。

依据本发明的一实施例，上述的抬升装置为气浮轴承，气浮轴承可利用气体将测量平台予以浮离。

依据本发明的一实施例，上述的抬升装置包含至少三个滚珠凸设于抬升装置的上表面，这些滚珠配置成将测量平台抬离抬升装置的上表面。

依据本发明的一实施例，上述的抬升装置还包含至少一个磁吸元件，此至少一个磁吸元件配置成对测量平台施加磁吸力。

依据本发明的一实施例，上述的抬升装置还包含基座，感测器固定于此基座上，抬升装置、感测器、与连接件所组成的系统的自然频率高于待测物的转动频率。

依据本发明的一实施例，上述的连接件在与测量平台的承载面平行的平面方向上的刚性，大于垂直于此平面方向上的刚性。

依据本发明的一实施例，上述的连接件为挠性绞链。

依据本发明的一实施例，上述的连接件包含金属片。

与现有技术相比，本发明的振动力量测量装置具有如下有益效果：

具备即时力量感测、数据量化分级、与快速全检能力，且装置的架设安装容易，所以可解决商业化转子振动检测系统在风扇等具高速转动元件的待测物产线中测量时间过长与无法全检的问题。

可采用荷重元(load cell)感测器作为振动量的感测器，因此可直接测量到待测物运转时的力量变化数据，且具低成本、易取得、与规格完整的优势，尤其是针对10N以下的微量振动力测量范围。

测量平台可由无摩擦力或低摩擦力的抬升装置支撑，因此可阻绝外部干扰，有效提升待测物的振动力量测量的灵敏度。

连接件可采用挠性绞链，而可实现单平面外的干扰源隔离，因此可精准测量待测物的水平振动力量变化。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1是绘示依照本发明的一实施方式的一种振动力量测量装置的立体示意图；

图2是绘示依照本发明的一实施方式的一种振动力量测量装置的俯视示意图；

图3是绘示依照本发明的一实施方式的一种振动力量测量装置的侧视示意图；以及

图4是绘示依照本发明的另一实施方式的一种振动力量测量装置的侧视示意图。

主要附图标记说明：

100a-振动力量测量装置，100b-振动力量测量装置，110-测量平台，112-承载面，114-夹治具，120-抬升装置，122-上表面，124-基座，126-气浮部，130-感测器，140-连接件，150-抬升装置，152-上表面，154-基座，156-滚珠，158-磁吸元件，X-坐标轴，Y-坐标轴，Z-坐标轴。

具体实施方式

硬支撑动平衡技术适合测量振动小于其系统的自然频率的转子，因此较适用于较大的转子工件，直接测量离心力。软支撑动平衡技术则适合测量振动大于其系统的自然频率的转子，因此较适用于微小及高速的转子工件，测量振动位移量。本发明在此提出一种振动力量测量装置，其适用待测物的振动频率低于测量装置的支撑系统的自然频率。

请参照图1至图3，其是分别绘示依照本发明的一实施方式的一种振动力量测量装置的立体示意图、俯视示意图、与侧视示意图。振动力量测量装置100a可用以测量具高速转动元件的待测物在运转时所产生的振动力量。待测物可为马达或风扇，例如薄型散热风扇或薄型马达。举例而言，风扇的旋转半径大于风扇的轴向厚度的3倍以上。薄型风扇的离心力较非薄型风扇的离心力大。因此，薄型风扇运转时的晃动力量主要为风扇质心的偏移量在转动时产生的径向离心力。振动力量测量装置100a主要可包含测量平台110、抬升装置120、感测器130、以及连接件140。

测量平台110具有承载面112，承载面112可将待测物承载于其上。承载面112可例如水平延伸。请同时参照图2与图3，在一些示范例子中，水平面是由坐标轴X与坐标轴Y所定义出的XY平面，且进行测量时承载面112则大致上和XY平面平行。坐标轴Z垂直XY平面，即坐标轴X、坐标轴Y、与坐标轴Z互相垂直。测量平台110较佳是选择轻质的板材，借以降低对待测物振动信号的影响。

在一些例子中，测量平台110可包含夹治具114。夹治具114可凸出测量平台110的承载面112。借此，夹治具114可将待测物夹持固定在测量平台110的承载面112之上。在另一些例子中，测量平台110也可利用其他固定元件，例如卡固件、锁固件、磁吸件、或真空吸附件等，来将待测物夹持固定在测量平台110的承载面112之上。

测量平台110设于抬升装置120的上表面122的上方。抬升装置120可将测量平台110抬离抬升装置120的上表面122，借以大幅减少测量平台110与抬升装置120之间的摩擦力。抬升装置120的上表面122为XY平面。借由减少测量平台110与抬升装置120之间的摩擦力，可避免摩擦力对于待测物在XY平面振动力量信号的干扰。在此实施方式中，抬升装置120为气浮轴承。在一些例子中，如图3所示，抬升装置120可包含基座124与一个或多个气浮部126，其中气浮部126可凸设于基座124上。在一些示范例子中，气浮部126可嵌设于基座124中，且气浮部126的顶面可与基座124的顶面齐平或可低于基座124的顶面。抬升装置120的气浮部126可利用气体将测量平台110浮离抬升装置120的上表面122。

感测器130主要可用以感测待测物运转时所产生的振动量。在本实施方式中，感测器130与测量平台110间接接合。感测器130可例如固定于抬升装置120的基座124上，也可固定在外部的支撑结构上。感测器130可例如为荷重元感测器、压电式力传感器、或电容式力传感器。感测器130也可为位移传感器、加速度传感器等，例如线性差动变压器(LVDT)、电容式位移器、光学尺、磁性尺、与加速规。只要能测量到振动所产生的力量、位移、或加速度等物理量的传感器，均为本发明的感测器的实施范围。在一些示范例子中，感测器130可采荷重元感测器，因荷重元感测器可直接测量到力量变化数据，尤其是针对10N以下的微量振动力测量范围，且具有低成本、易取得、与规格完整的优点。

连接件140连接测量平台110与感测器130。测量平台110上的力量变化由此连接件传递至感测器130。也即，连接件140可将待测物在测量平台110上运转时所产生的振动量传递给感测器130。在本实施方式中，由于感测器130固定于抬升装置120，因此抬升装置120、感测器130、与连接件140所组成的系统在设计上，其自然频率须高于待测物的转动频率。

连接件140在不同方向上的刚性不相同，以滤除所需方向以外的力量干扰。在一些例子中，连接件140在与测量平台110的承载面112平行的平面方向上的刚性，大于垂直于此平面方向上的刚性。举例而言，与测量平台110的承载面112平行的平面方向为XY平面，而连接件140在XY平面上的刚性大于在坐标轴Z上的刚性，以滤除XY平面外的振动力量信号。利用连接件140具有的特异方向刚性，来滤除XY平面以外的力量干扰。在一些例子中，连接件140为挠性绞链。在一些示范例子中，连接件140包含金属片，金属片水平延伸在X坐标轴与Y坐标轴定义出的XY平面上，且此金属片在XY平面上的刚性大于金属片在坐标轴Z上的刚性，以滤除XY平面外的振动力量信号。连接件可依测量对象物，例如风扇，而采用不同厚度的薄金属片。举例而言，针对直径50mm且转速为7600rpm的风扇，可采厚度0.1mm的金属片作为连接件140。

由于多数散热风扇的转子型态为旋转直径大于轴向尺寸的3倍～10倍，风扇转子在运转时的不平衡量可视为单平面振动，主要部分为径向振动。因此，本实施方式简化为只测量风扇等具有高速转动元件的待测物在XY平面上的径向振动力量。

振动力量测量装置100a可采用荷重元感测器作为感测器130，而可直接测量到待测物运转时的力量变化数据，因此具备即时力量感测、数据量化分级、与快速全检能力。举例而言，可设定待测物振动力量的上下边界值，借此可根据测量数据快速检测出待测物品质。此外，可将振动感测力量分级，借此可根据测量数据对待测物产品品质快速分级。

此外，荷重元感测器价格低，可降低振动力量测量装置100a的设备成本。测量平台110由无摩擦力的气浮式抬升装置110所支撑，且挠性连接件140的选用可实现单平面外的干扰源隔离。因此，振动力量测量装置100a可精准且灵敏的测量到待测物的真实振动力量，特别适用于振动力量量级为0.001N～0.1N等级的电子、车用、医疗用等小型精密散热风扇。

可进一步通过频域、时域、或模型来对振动力量测量装置100a所测量得的数据进行特性鉴别分析，以应用于后续的智能化管理。

本发明的抬升装置不限于上述的气浮式元件，也可采用低摩擦力元件来作为抬升装置。请参照图4，其是绘示依照本发明的另一实施方式的一种振动力量测量装置的侧视示意图。此实施方式的振动力量测量装置100b的元件与架构大致上与振动力量测量装置100a相同，二者之间的差异在于，振动力量测量装置100b的抬升装置150为包含多个滚珠156的低摩擦力元件。

在一些例子中，抬升装置150主要可包含基座154与多个滚珠156。这些滚珠156可滚动地设于基座154中，且凸出抬升装置150的上表面152。测量平台110放置在抬升装置150的上表面152之上。这些滚珠156可承托测量平台110，并将测量平台110抬离抬升装置150的上表面152。滚珠156的数量等于或大于三个，以利平稳支撑测量平台110。

利用滚珠156来抬升测量平台110，可大幅减少测量平台110与抬升装置150之间的接触面积，进而可有效降低测量平台110与抬升装置150之间的摩擦力。测量平台110与抬升装置150之间的低摩擦力设计，可避免二者的摩擦力对于待测物在XY平面振动力量信号的干扰。

请继续参照图4，在一些示范例子中，抬升装置150还选择性地包含一个或多个磁吸元件158。在这样的例子中，测量平台110可包含铁磁性材料。磁吸元件158可对测量平台施加磁力，以对测量平台110施加朝向抬升装置150的上表面152的预压力。借此预压力，可避免待测物运转时所产生的过大晃动力而造成测量平台110跳离，因此抬升装置150可在测量过程中稳定承托测量平台110。

由上述的实施方式可知，本发明的一优点就是因为本发明的振动力量测量装置具备即时力量感测、数据量化分级、与快速全检能力，且装置的架设安装容易，因此可解决商业化转子振动检测系统在风扇等具有高速转动元件的待测物产线中测量时间过长与无法全检的问题。

由上述的实施方式可知，本发明的另一优点就是因为本发明的振动力量测量装置可采用荷重元感测器作为振动量的感测器，因此可直接测量到待测物运转时的力量变化数据，且具低成本、易取得、与规格完整的优势。

由上述的实施方式可知，本发明的又一优点就是因为本发明的振动力量测量装置的测量平台可由无摩擦力或低摩擦力的抬升装置支撑，因此可阻绝外部干扰，有效提升待测物的振动力量测量的灵敏度。

由上述的实施方式可知，本发明的再一优点就是因为本发明的振动力量测量装置的连接件可采用挠性绞链，而可实现单平面外的干扰源隔离，因此可精准测量待测物的水平振动力量变化。

虽然本发明已经以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (9)

1.一种振动力量测量装置，适用于测量具有高速转动元件的待测物，其特征在于，所述振动力量测量装置包含：

测量平台，具有承载面以承载所述待测物；

抬升装置，配置成将所述测量平台抬离所述抬升装置的上表面；

感测器，配置成感测所述待测物运转时所产生的振动量；以及

连接件，连接所述测量平台与所述感测器，且配置成将所述待测物的所述振动量传递给所述感测器，所述连接件在不同方向上的刚性不相同。

2.如权利要求1所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述测量平台包含夹治具，所述夹治具配置成将所述待测物固定在所述测量平台上。

3.如权利要求1所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述抬升装置为气浮轴承，所述气浮轴承能够利用气体将所述测量平台予以浮离。

4.如权利要求1所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述抬升装置包含至少三个滚珠凸设于所述抬升装置的所述上表面，所述至少三个滚珠配置成将所述测量平台抬离所述抬升装置的所述上表面。

5.如权利要求4所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述抬升装置还包含至少一个磁吸元件，所述至少一个磁吸元件配置成对所述测量平台施加磁吸力。

6.如权利要求1所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述抬升装置还包含基座，所述感测器固定于所述基座上，所述抬升装置、所述感测器、与所述连接件所组成的系统的自然频率高于所述待测物的转动频率。

7.如权利要求1所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述连接件在与所述测量平台的所述承载面平行的平面方向上的刚性，大于垂直于所述平面方向上的刚性。

8.如权利要求7所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述连接件为挠性绞链。

9.如权利要求7所述的振动力量测量装置，其特征在于，所述连接件包含金属片。

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