CN115184012A - 一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于轴承状态监测领域，公开了一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，包括环形阵列电极板、环形外壳以及端盖；环形阵列电极板与环形外壳底部连接，环形阵列电极板上环向设置若干电极，环形外壳上环向设置若干电路板；电路板上设置电荷电压转换电路、探针管脚、电源线以及信号传输线，探针管脚、电源线以及信号传输线均与电荷电压转换电路连接，若干探针管脚与若干电极一一对应连接；端盖与环形外壳顶部连接，端盖上开设过线孔，电源线以及信号传输线的一端均穿过过线孔位于环形外壳外部；其中，电荷电压转换电路用于通过探针管脚接收电极的感应电荷信号，并转换为电压信号由信号传输线进行传输，有效解决单电极获取信息不足的问题。

Description

一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器

技术领域

本发明属于轴承状态监测领域，涉及一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器。

背景技术

滚动轴承作为旋转设备中动力传递的关键部件，用于支撑旋转体如转轴、齿轮、钻头及滑轮等，并降低转动过程的摩擦，提高传动效率。由于轴承长时间连续工作于高载荷、高转速或环境恶劣的条件下，且常常伴随着高温、多尘等恶劣环境。在长年累月的工作过程中，轴承性能逐渐下降，使得轴承容易受到损伤并引发故障。有统计显示，轴承故障在旋转机械设备故障中约占30％，特别在小型旋转设备中的故障占比更是高达40％～90％。

监测信号获取是滚动轴承故障诊断与状态评估工作的基础，常用的轴承状态测信号包括：振动信号、声发射信号及油液分析等。故障信号的获取已经成为制约故障诊断技术发展的瓶颈，寻找新型的监测手段从物理场上弥补当前常规监测技术的短板已十分迫切。静电监测技术直接对滚动轴承摩擦副在摩擦、碰撞及冲击等过程中产生的电荷转移现象进行感应，避免了故障现象传播过程中的衰减及叠加干扰等情况的影响，因而具有更好的抗干扰能力。但是，目前的静电传感器通常为单静电电极，存在单静电电极获取敏感区域不足的问题，进而导致无法实现对轴承环形工作腔内的磨损过程进行全局实时监测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，现有静电传感器存在单静电电极获取敏感区域不足的问题，进而导致无法实现对轴承环形工作腔内的磨损过程进行全局实时监测的缺点，提供一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，包括环形阵列电极板、环形外壳以及端盖；

环形阵列电极板与环形外壳底部连接，环形阵列电极板上环向设置若干电极，环形外壳上环向设置若干电路板；电路板上设置电荷电压转换电路、探针管脚、电源线以及信号传输线，探针管脚、电源线以及信号传输线均与电荷电压转换电路连接，若干探针管脚与若干电极一一对应连接；端盖与环形外壳顶部连接，端盖上开设过线孔，电源线以及信号传输线的一端均穿过过线孔位于环形外壳外部；

其中，电荷电压转换电路用于通过探针管脚接收电极的感应电荷信号，并转换为电压信号由信号传输线进行传输。

可选的，还包括内螺纹环，内螺纹环套设在端盖与环形外壳外部，且端盖通过内螺纹环与环形外壳顶部连接。

可选的，所述环形阵列电极板上设置若干过孔焊盘，若干探针管脚分别通过若干过孔焊盘与若干电极一一对应连接。

可选的，还包括信号中继器，信号传输线穿过过线孔的一端与信号中继器连接，信号中继器同于将电压信号滤波放大后输送至监测系统。

可选的，所述信号中继器包括电源稳压单元、滤波电路和电压放大电路；电源稳压单元与电源线连接，信号传输线通过滤波电路与电压放大电路连接；与滤波电路连接的信号传输线的长度在10～20cm之间。

可选的，所述环形阵列电极板由印制电路板制作，环形阵列电极板上环向等角度设置12～16个长方形的电极，电极的长度方向的中心轴沿环形阵列电极板的径向放置，电极的宽度为2～4mm，电极的长度上下边界均距离环形阵列电极板边缘至少4mm。

可选的，所述电路板上还设置电源线焊接焊盘以及信号传输线焊接焊盘；电源线通过电源线焊接焊盘与电路板连接，信号传输线通过信号传输线焊接焊盘与电路板连接；相邻两电路板的电源线相互连接；

定义环向设置的N个电路板分别为第一电路板至第N电路板；其中：

第i电路板上设置2i-1个信号传输线焊接焊盘；第一电路板的第一信号传输线焊接焊盘与第二电路板的第一信号传输线焊接焊盘通过信号传输线连接；第i电路板的第1～i-1信号传输线焊接焊盘与第i-电路板的第i-1～2i-3信号传输线焊接焊盘分别通过信号传输线连接；第i电路板的第i～2i-1信号传输线焊接焊盘与第i+1电路板的第1～i信号传输线焊接焊盘分别通过信号传输线连接；其中，1＜i＜N；第N电路板的第N～2N-1信号传输线焊接焊盘连接的信号传输线一端均穿过过线孔位于环形外壳外部。

可选的，所述电路板上还设置电源线焊接焊盘以及2N个信号传输线焊接焊盘；电源线通过电源线焊接焊盘与电路板连接，信号传输线通过信号传输线焊接焊盘与电路板连接；相邻两电路板的电源线相互连接；

定义环向设置的N个电路板分别为第一电路板至第N电路板；其中：

第一电路板的第N信号传输线焊接焊盘与第二电路板的第一信号传输线焊接焊盘通过信号传输线连接，第i电路板的第N～N+i-1信号传输线焊接焊盘与第i+1电路板的第1～i-1信号传输线焊接焊盘通过分别通过信号传输线连接，其中，1＜i＜N；第N电路板的第N～2N-1信号传输线焊接焊盘连接的信号传输线均穿过过线孔位于环形外壳外部。

可选的，所述环形外壳的内径比待状态监测轴承的内径大2～4mm，外径与待状态监测轴承的外径相同，高度为15～25mm，材质为轴承钢，环形外壳上开设若干固定槽，电路板设置在固定槽内部。

可选的，所述环形阵列电极板与环形外壳底部通过螺钉固定连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，采用环形分布的多电极结构，将轴承的磨损区域划分为若干个敏感区域进行感应电荷信号采集，实现了对轴承工作过程中滚子、内圈、外圈以及保持架之间产生的摩擦荷电进行监测，能有效弥补单电极获取信息不足的问题，同时多电极8关联故障发生的位置信息，更有利于进行故障分析，将该圆环阵列式静电传感器接入现场监控系统，可以在系统上观察输出信号判断轴承的状态，提供了一种轴承状态监测的新装置，提升对轴承状态判断的准确性，有效避免误判损失。

附图说明

图1为本发明实施例的圆环阵列式静电传感器爆炸图；

图2为本发明实施例的圆环阵列式静电传感器信号传输原理图；

图3为本发明实施例的环形阵列电极板结构示意图；

图4为本发明实施例的电路板结构示意图；

图5为本发明实施例的环形外壳结构示意图；

图6为本发明实施例的环形外壳仰视图；

图7为本发明实施例的端盖结构示意图；

图8为本发明实施例的内螺纹环结构示意图；

图9为本发明实施例的电源线接线示意图；

图10为本发明实施例的信号传输线接线示意图；

图11为本发明实施例的安装电路板的环形外壳结构示意图。

其中：1-环形阵列电极板；2-环形外壳；3-端盖；4-内螺纹环；5-电路板；6-螺纹孔；7-过孔焊盘；8-电极；9-电源线焊接焊盘；10-信号传输线焊接焊盘；11-探针管脚；12-电荷电压转换电路；13-电源线；14-信号传输线；15-固定槽；16-过线孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至6，本发明一实施例中，提供一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，可用于滚动轴承全局磨损区域的摩擦荷电监测。

具体的，该用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器包括环形阵列电极板1、环形外壳2及端盖3；环形阵列电极板1与环形外壳2底部连接，环形阵列电极板1上环向设置若干电极8，环形外壳2上环向设置若干电路板5；电路板5上设置电荷电压转换电路12、探针管脚11、电源线13以及信号传输线14，探针管脚11、电源线13以及信号传输线14均与电荷电压转换电路12连接，若干探针管脚11与若干电极8一一对应连接；端盖3与环形外壳2顶部连接，端盖3上开设过线孔16，电源线13以及信号传输线14的一端均穿过过线孔16位于环形外壳2外部；其中，电荷电压转换电路12用于通过探针管脚11接收电极8的感应电荷信号，并转换为电压信号由信号传输线14进行传输。

本发明用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器在使用时，可以安装于待状态监测轴承的侧面，且该圆环阵列式静电传感器的轴向中心与待状态监测轴承的中心轴重合，确保环形阵列电极板1上环向设置的所有电极8能有效对滚道磨损区域监测，实现对轴承工作过程中的全局磨损产生的电荷现象进行感应，将得到的感应电荷信号通过探针管脚11发送至电荷电压转换电路12进行转换，得到电压信号并由信号传输线14进行传输，以便进行后续分析处理。

综上所述，本发明用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，采用环形分布的多电极8结构，将轴承的磨损区域划分为若干个敏感区域进行感应电荷信号采集，实现了对轴承工作过程中滚子、内圈、外圈以及保持架之间产生的摩擦荷电进行监测，能有效弥补单电极8获取信息不足的问题，同时多电极8关联故障发生的位置信息，更有利于进行故障分析，将该圆环阵列式静电传感器接入现场监控系统，可以在系统上观察输出信号判断轴承的状态，提供了一种轴承状态监测的新装置，提升对轴承状态判断的准确性，有效避免误判损失。

参见图7，在一种可能的实施方式中，该用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器还包括内螺纹环4，内螺纹环4套设在端盖3与环形外壳2外部，且端盖3通过内螺纹环4与环形外壳2顶部连接。具体的，端盖3形状为环形，外径与环形外壳2相同，端盖3和环形外壳2的外部均设有外螺纹。内螺纹环4形状为环形，外径与环形外壳2相同，内部有内螺纹用于将环形外壳2与端盖3固定。

在一种可能的实施方式中，所述环形阵列电极板1上设置若干过孔焊盘7，若干探针管脚11分别通过若干过孔焊盘7与若干电极8一一对应连接。具体的，所有电极8均与环形阵列电极板1上对应数量的过孔焊盘7电气连接，过孔焊盘7用于连接电路板5上的探针管脚11，以实现电极8与探针管脚11的稳定连接。

参见图8，在一种可能的实施方式中，该用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器还包括信号中继器。

信号传输线14穿过过线孔16的一端与信号中继器连接，信号中继器同于将电压信号滤波放大后输送至监测系统。可选的，所述信号中继器包括电源稳压单元、滤波电路和电压放大电路；电源稳压单元与电源线13连接，信号传输线14通过滤波电路与电压放大电路连接；与滤波电路连接的信号传输线14的长度在10～20cm之间，信号中继器的出信号及电源与外部监测系统对接。

在一种可能的实施方式中，所述环形阵列电极板1由印制电路板制作，可采用其他绝缘材质，环形阵列电极板1上环向等角度设置12～16个长方形的电极8，电极8的长度方向的中心轴沿环形阵列电极板1的径向放置，电极8的宽度为2～4mm，电极8的长度上下边界均距离环形阵列电极板1边缘至少4mm。

在一种可能的实施方式中，所述环形外壳2的内径比待状态监测轴承的内径大2～4mm，外径与待状态监测轴承的外径相同，高度为15～25mm，材质为轴承钢，环形外壳2上开设若干固定槽15，电路板5设置在固定槽15内部。

在一种可能的实施方式中，环形阵列电极板1与环形外壳2底部通过螺钉固定连接。具体的，环形外壳2底部包含若干个用于安装环形阵列电极板1的螺纹孔6，环形阵列电极板1上设置若干个安装孔，安装孔与螺纹孔6通过螺钉固定。

在一种可能的实施方式中，所述电路板5上还设置电源线焊接焊盘9以及信号传输线焊接焊盘10；电源线13通过电源线焊接焊盘9与电路板5连接，信号传输线14通过信号传输线焊接焊盘10与电路板5连接；相邻两电路板5的电源线13相互连接；定义环向设置的N个电路板5分别为第一电路板至第N电路板；其中：第i电路板上设置2i-1个信号传输线焊接焊盘10；第一电路板的第一信号传输线焊接焊盘10与第二电路板的第一信号传输线焊接焊盘10通过信号传输线14连接；第i电路板的第1～i-1信号传输线焊接焊盘10与第i-1电路板的第i-1～2i-3信号传输线焊接焊盘10分别通过信号传输线14连接；第i电路板的第i～2i-1信号传输线焊接焊盘10与第i+1电路板的第1～i信号传输线焊接焊盘10分别通过信号传输线14连接；其中，1＜i＜N；第N电路板的第N～2N-1信号传输线焊接焊盘10连接的信号传输线14一端均穿过过线孔16位于环形外壳2外部。

参见图9和10，在一种可能的实施方式中，所述电路板5上还设置电源线焊接焊盘9以及2N个信号传输线焊接焊盘10；电源线13通过电源线焊接焊盘9与电路板5连接，信号传输线14通过信号传输线焊接焊盘10与电路板5连接；相邻两电路板5的电源线13相互连接；定义环向设置的N个电路板5分别为第一电路板至第N电路板；其中：第一电路板的第N信号传输线焊接焊盘10与第二电路板的第一信号传输线焊接焊盘10通过信号传输线14连接，第i电路板的第N～N+i-1信号传输线焊接焊盘10与第i+1电路板的第1～i-1信号传输线焊接焊盘10通过分别通过信号传输线14连接，其中，1＜i＜N；第N电路板的第N～2N-1信号传输线焊接焊盘10连接的信号传输线14均穿过过线孔16位于环形外壳2外部。按上述环形连接方式，可实现电源线13的共享，同时信号传输线14可汇总后从最后一个电路板5上引出，线路汇总后经由过线孔16一并输出，方便布线。

综上，本发明用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，针对轴承旋转对称特点，在圆环式的环形阵列电极板1中嵌入若干个电极8组成静电电极8阵列，为了避免电极8与电荷电压转换电路12之间传输线内部电荷转移对电路输出的影响，设计长条形的电路板与电极8对接，将静电电极8阵列及多个长条形的电路板安装在专门设计的环形外壳2上，电路引线通过端盖3与外部信号中继器连接，环形外壳2及端盖3上均有外螺纹，使用一个内螺纹环4将环形外壳2及端盖3固定，集成为一个圆环阵列式静电传感器。该圆环阵列式静电传感器可安装于待测轴承侧面，对轴承工作过程中的全局磨损产生的电荷现象进行感应，能有效弥补当前探针式静电监测对轴承内部荷电信息获取不足的缺陷。

本发明用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器的组装及工作步骤如下：

a、将所有长条形的电路板5按序对应插入到环形外壳2内的固定槽15内，底部与环形外壳2底部对齐，安装后效果如图11所示。

b、按照如图9和图10所示的连接方法将所有电路板5的电源接线及信号传输线14对应焊接。

c、电路板5底部的探针管脚11会伸出环形外壳2底部一定距离，将所有探针管脚11穿过环形阵列电极板1上的过孔焊盘7。

d、使用螺钉将环形阵列电极板1与环形外壳2底部固定，固定后将探针管脚11与环形阵列电极板1上的过孔焊盘7焊接，剪去探针管脚11超出环形阵列电极板1平面的部分。

e、将电源线13及信号传输线14穿过端盖3上的过线孔16后，使用内螺纹环4将环形外壳2和端盖3拧紧固定。

f、伸出的电源线13及信号传输线14与信号中继器连接，信号中继器对外部电源电压进行稳压为长条形的电路板5提供电压，并对长条形的电路板5输出信号放大滤波，放大滤波后的信号与外界监测系统对接。

g、组装完成后安装于待测轴承侧面，且圆环阵列式静电传感器的轴向中心与待测轴承中心轴重合，确保所有电极8能有效对待测轴承的滚道磨损区域监测。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，包括环形阵列电极板(1)、环形外壳(2)以及端盖(3)；

环形阵列电极板(1)与环形外壳(2)底部连接，环形阵列电极板(1)上环向设置若干电极(8)，环形外壳(2)上环向设置若干电路板(5)；电路板(5)上设置电荷电压转换电路(12)、探针管脚(11)、电源线(13)以及信号传输线(14)，探针管脚(11)、电源线(13)以及信号传输线(14)均与电荷电压转换电路(12)连接，若干探针管脚(11)与若干电极(8)一一对应连接；端盖(3)与环形外壳(2)顶部连接，端盖(3)上开设过线孔(16)，电源线(13)以及信号传输线(14)的一端均穿过过线孔(16)位于环形外壳(2)外部；

其中，电荷电压转换电路(12)用于通过探针管脚(11)接收电极(8)的感应电荷信号，并转换为电压信号由信号传输线(14)进行传输。

2.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，还包括内螺纹环(4)，内螺纹环(4)套设在端盖(3)与环形外壳(2)外部，且端盖(3)通过内螺纹环(4)与环形外壳(2)顶部连接。

3.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，所述环形阵列电极板(1)上设置若干过孔焊盘(7)，若干探针管脚(11)分别通过若干过孔焊盘(7)与若干电极(8)一一对应连接。

4.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，还包括信号中继器，信号传输线(14)穿过过线孔(16)的一端与信号中继器连接，信号中继器同于将电压信号滤波放大后输送至监测系统。

5.根据权利要求4所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，所述信号中继器包括电源稳压单元、滤波电路和电压放大电路；电源稳压单元与电源线(13)连接，信号传输线(14)通过滤波电路与电压放大电路连接；与滤波电路连接的信号传输线(14)的长度在10～20cm之间。

6.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，所述环形阵列电极板(1)由印制电路板制作，环形阵列电极板(1)上环向等角度设置12～16个长方形的电极(8)，电极(8)的长度方向的中心轴沿环形阵列电极板(1)的径向放置，电极(8)的宽度为2～4mm，电极(8)的长度上下边界均距离环形阵列电极板(1)边缘至少4mm。

7.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，所述电路板(5)上还设置电源线焊接焊盘(9)以及信号传输线焊接焊盘(10)；电源线(13)通过电源线焊接焊盘(9)与电路板(5)连接，信号传输线(14)通过信号传输线焊接焊盘(10)与电路板(5)连接；相邻两电路板(5)的电源线(13)相互连接；

定义环向设置的N个电路板(5)分别为第一电路板至第N电路板；其中：

第i电路板上设置2i-1个信号传输线焊接焊盘(10)；第一电路板的第一信号传输线焊接焊盘(10)与第二电路板的第一信号传输线焊接焊盘(10)通过信号传输线(14)连接；第i电路板的第1～i-1信号传输线焊接焊盘(10)与第i-(1)电路板的第i-1～2i-3信号传输线焊接焊盘(10)分别通过信号传输线(14)连接；第i电路板的第i～2i-1信号传输线焊接焊盘(10)与第i+1电路板的第1～i信号传输线焊接焊盘(10)分别通过信号传输线(14)连接；其中，1＜i＜N；第N电路板的第N～2N-1信号传输线焊接焊盘(10)连接的信号传输线(14)一端均穿过过线孔(16)位于环形外壳(2)外部。

8.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，所述电路板(5)上还设置电源线焊接焊盘(9)以及2N个信号传输线焊接焊盘(10)；电源线(13)通过电源线焊接焊盘(9)与电路板(5)连接，信号传输线(14)通过信号传输线焊接焊盘(10)与电路板(5)连接；相邻两电路板(5)的电源线(13)相互连接；

定义环向设置的N个电路板(5)分别为第一电路板至第N电路板；其中：

第一电路板的第N信号传输线焊接焊盘(10)与第二电路板的第一信号传输线焊接焊盘(10)通过信号传输线(14)连接，第i电路板的第N～N+i-1信号传输线焊接焊盘(10)与第i+1电路板的第1～i-1信号传输线焊接焊盘(10)通过分别通过信号传输线(14)连接，其中，1＜i＜N；第N电路板的第N～2N-1信号传输线焊接焊盘(10)连接的信号传输线(14)均穿过过线孔(16)位于环形外壳(2)外部。

9.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，所述环形外壳(2)的内径比待状态监测轴承的内径大2～4mm，外径与待状态监测轴承的外径相同，高度为15～25mm，材质为轴承钢，环形外壳(2)上开设若干固定槽(15)，电路板(5)设置在固定槽(15)内部。

10.根据权利要求1所述的用于轴承状态监测的圆环阵列式静电传感器，其特征在于，所述环形阵列电极板(1)与环形外壳(2)底部通过螺钉固定连接。

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