CN115307719A - 一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器及振动测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器及振动测量方法,其中,该传感器包括:测量模块、信号采集模块和信号处理模块,其中,测量模块包括阿基米德螺旋线感应线圈和激励装置,感应线圈安装在待测轴表面,激励装置为定子;信号采集模块为采样电子单元,其外部两侧钻有固定螺栓孔安装在待测轴表面,并与感应线圈组成转子,其内部包括第一无线传输电路和第一信号处理电路,通过第一无线传输电路与信号处理模块连接;信号处理模块包括定子罩壳和上位机,定子罩壳设置在定子外部,定子罩壳内部包括第二无线传输电路和第二信号处理电路,通过第二无线传输电路与上位机连接。该传感器解决了传统电磁式传感器漏磁和精度低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表振动测量技术领域,特别涉及一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器及振动测量方法。
背景技术
旋转轴系振动包括轴的轴向振动、径向振动和扭转振动,三种振动都会增加轴的疲劳损伤,降低使用寿命,严重轴系振动会导致机组轴系损坏或断裂,影响机组安全可靠运行,所以设计出有效、便捷的旋转轴系振动测量方法极为重要。
现有技术中,测量旋转轴系振动的方法有接触测量法和非接触测量法。
利用接触式测量法来测量旋转轴系扭转振动,现有的最直接的方法是在轴上贴应变片,但是此方法不能测量旋转轴系的刚体扭转振动。另外一种接触式测量方法是沿轴系圆周表面安放加速度计,通过测量加速度,计算轴的转速,再通过数据处理提取相应的扭振信号。但安装加速度计可能导致轴系不平衡,以致频谱发生移动。且对于轴径较大的轴系,在转速较高的情况下,产生的离心力较大,如果固定不牢靠,可能导致测量设备的脱落。
利用接触式测量法来测量旋转轴系横向振动一般采用在轴承座、机体等固定位置上设置速度传感器或加速度传感器,以测量该处的振动,进而间接反应轴系的横向振动。该方法不如直接测量旋转轴系的方法直接,不能全面反应转轴的振动情况,相对不准确。
非接触测量法是利用轴系上的等分结构来进行测量,现有非接触传感器中包含有光电式、涡流式和电磁式非接触传感器。光电式传感器不宜用在高温附近,且对光线和材料反射率有一定的要求,所以其难以在复杂环境中直接对轴系进行测量。涡流式传感器则必须要求被测轴系为金属导体,不能对非金属轴系进行测量,且测量结果受轴系加工精度影响较大。传统电磁式传感器易发生漏磁,精度低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本发明的一个目的在于提出一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,该传感器可用于不同环境下对旋转轴系振动的测量,可以保证较高的检测准确性和快速性。
本发明的另一个目的在于提出一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法。
为达到上述目的,本发明一方面实施例提出了柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,包括:测量模块、信号采集模块和信号处理模块,其中,所述测量模块包括阿基米德螺旋线感应线圈和激励装置,所述阿基米德螺旋线感应线圈安装在待测轴的表面,所述激励装置为定子,包括激励线圈和磁芯;所述信号采集模块为采样电子单元,所述采样电子单元的外部两侧钻有固定螺栓孔,安装在所述待测轴的表面,并与所述阿基米德螺旋线感应线圈的触头通过信号传输线相连组成转子,所述采样电子单元的内部包括无线供电电路、第一无线传输电路和第一信号处理电路,通过所述第一无线传输电路与所述信号处理模块连接;所述信号处理模块包括定子罩壳和上位机,所述定子罩壳设置在所述定子外部,所述定子罩壳的内部包括第二无线传输电路、供电电路和第二信号处理电路,通过所述第二无线传输电路与所述上位机连接。
本发明实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,利用FPC与阿基米德螺旋线相结合制作柔性线圈替代传统刚性等分齿盘,在复杂工况中,等分齿盘难以安装在轴系中,且等分齿盘重量较大,会影响轴系动平衡;因矩形线圈难以测量轴系的微小振动,故选用阿基米德螺旋线线圈替代矩形线圈,灵敏度更高,测量更准确;采用磁聚焦技术解决传统电磁式传感器漏磁和精度低等问题;且本传感器可以测量旋转轴系的轴向振动、径向振动以及扭转振动。
另外,根据本发明上述实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述阿基米德螺旋线感应线圈呈网格化,一个网格安装一个感应线圈,且所述阿基米德螺旋线感应线圈上印制在柔性电路板上。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述阿基米德螺旋线感应线圈环绕所述待测轴一周且相邻线圈等间距放置。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述采样电子单元中利用所述第一信号处理电路采集电压信号,并进行放大、滤波、模数转换,最后将数字信号通过所述第一无线传输电路传输到所述信号处理模块的定子罩壳内。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述信号处理模块中利用所述第二信号处理电路将所述第一无线传输电路传递的数字信号进行处理,通过所述第二无线传输电路将处理后的数字信号传输至所述上位机进行分析。
为达到上述目的,本发明另一方面实施例提出了一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法,包括:步骤S1,将所述激励线圈通直流电流产生空间磁场,通过所述定子将磁场聚焦在所述待测轴上;步骤S2,当所述待测轴发生轴向和径向振动时,所述阿基米德螺旋线线圈切割聚焦磁力线,产生感应电压;步骤S3,根据法拉第电磁感应定律计算所述感应电压的电压值,并根据所述电压值提取振动位移以及振动频率,最终得到轴系振动方程;步骤S4,根据所述振幅和所述振动频率构建旋转轴系振动方程;步骤S5,当所述旋转轴系振动方程在没有扭转振动发生时做匀速转动,角速度为当所述待测轴存在扭转振动时,轴的瞬时转速是在原来匀速转动的基础上叠加一个扭振角速度,设当前瞬时角速度为ω,记录相同列下的相邻两个网格内的线圈产生感应电压的时间间隔,求解相邻两线圈的分度角、瞬时角速度和平均角速度;步骤S6,根据所述瞬时角速度和所述平均角速度求解扭转振动角速度,并对所述扭转振动角速度进行积分,得到扭转振动角位移。
本发明实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法,利用FPC与阿基米德螺旋线相结合制作柔性线圈替代传统刚性等分齿盘,在复杂工况中,等分齿盘难以安装在轴系中,且等分齿盘重量较大,会影响轴系动平衡;因矩形线圈难以测量轴系的微小振动,故选用阿基米德螺旋线线圈替代矩形线圈,灵敏度更高,测量更准确;采用磁聚焦技术解决传统电磁式传感器漏磁和精度低等问题;且本传感器可以测量旋转轴系的轴向振动、径向振动以及扭转振动。
另外,根据本发明上述实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述多个感应电压为:
其中,U为感应电压,N为线圈匝数,φ为磁通量,t为感应时间,B为磁场强度,S为磁力线穿过线圈的面积。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述聚焦磁力线穿过线圈的面积S为:
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述旋转轴系振动方程为:
X=Amcos(2πf+θ)
其中,X为振动位移,Am为振幅,f为振动频率,θ为振动初相位。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述扭转振动角位移为:
其中,T为相同列下的相邻两个网格内的线圈产生感应电压的时间间隔,Z为待测轴上的线圈个数,t为同一线圈产生相同电压值所用的时间。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明一个实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的结构示意图;
图2是本发明一个实施例的网格化的线圈示意图;
图3是本发明一个实施例的FPC柔性电路板示意图;
图4是本发明一个实施例的阿基米德螺旋线线圈结构示意图;
图5是本发明一个实施例的采样电子单元装置示意图,其中,(a)为外形表示,(b)为内部结构;
图6是本发明一个实施例的信号处理模块示意图;
图7是本发明一个实施例的磁场与阿基米德螺旋线线圈相交示意图;
图8是本发明一个实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法的流程图;
图9是本发明一个实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法的具体执行图。
附图标记说明:
10-一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器、100-测量模块、101-阿基米德螺旋线感应线圈、102-激励装置、1021-激励线圈、1022-磁芯、200-信号采集模块、201-无线供电电路、202-第一无线传输电路、203-第一信号处理电路、300-信号处理模块、301-定子罩壳、3011-第二无线传输电路、3012-供电电路、3013-第二信号处理电路和302-上位机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器及振动测量方法,首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器。
图1是本发明一个实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的结构示意图。
如图1所示,该传感器10包括:测量模块100、信号采集模块200和信号处理模块300。
其中,测量模块100包括阿基米德螺旋线感应线圈101和激励装置102,阿基米德螺旋线感应线圈101安装在待测轴的表面,激励装置102为定子,包括激励线圈1021和磁芯1022;信号采集模块200为采样电子单元,采样电子单元200的外部两侧钻有固定螺栓孔,安装在待测轴的表面,并与阿基米德螺旋线感应线圈101的触头通过信号传输线相连组成转子,采样电子单元的内部包括无线供电电路201、第一无线传输电路202和第一信号处理电路203,通过第一无线传输电路202与信号处理模块300连接;信号处理模块300包括定子罩壳301和上位机302,定子罩壳301设置在定子外部,定子罩壳301的内部包括第二无线传输电路3011、供电电路3012和第二信号处理电路3013,通过第二无线传输电路3011与上位机302连接。
进一步地,在本发明的一个实施例中,阿基米德螺旋线感应线圈101呈网格化,一个网格安装一个感应线圈,且阿基米德螺旋线感应线圈101上印制在柔性电路板上。
具体地,如图2所示,对阿基米德螺旋线感应线圈101进行网格化处理,即一个网格内安放一个线圈,且感应线圈印制在柔性电路板上(FPC),如图3所示,FPC与硬质PCB板相比,可挠性强、质量轻、方便导线连接、体积和占用空间小、方便安装、减少连接器的使用,省却很多焊接,本发明实施例采用的柔性电路板的数量为多层,层层叠加,保证其具有足够多的匝数,提高测量灵敏度,减小误差。
进一步地,在本发明的一个实施例中,阿基米德螺旋线感应线圈101环绕待测轴一周且相邻线圈等间距放置。
具体地,如图4所示,测量旋转轴系振动时依据轴系的轴颈尺寸安放阿基米德螺旋线感应线圈101,保证线圈环绕轴系一周且相邻线圈等间距放置,且阿基米德螺旋线感应线圈101触头通过导线与采样电子单元相连,共同组成传感器的转子部分。
进一步地,在本发明的一个实施例中,采样电子单元200中利用第一信号处理电路203采集电压信号,并进行放大、滤波、模数转换,最后将数字信号通过第一无线传输电路202传输到信号处理模块300的定子罩壳内。
具体地,如图5所示,采样电子单元200为可调卡簧样式,如图5a所示,在采样电子单元200两侧钻有固定螺栓孔,可根据轴系尺寸进行调整。采样电子单元200随轴转动,且与阿基米德螺旋线感应线圈101的触头通过信号传输线相连,用于获取感应线圈采集到的感应电压信号。如图5b所示,采样电子单元200内部有无线供电电路、第一无线传输电路202以及第一信号处理电路203。采样电子单元200首先将采集到的电压信号进行放大和滤波并通过单片机的AD采集系统将模拟信号转换为数字信号,最后将信号通过无线近距离传输到定子罩壳内,因无线传输距离较短,属于短距离传输,所以信号衰减程度低。
进一步地,在本发明的一个实施例中,信号处理模300中利用第二信号处理电路3013将第一无线传输电路202传递的数字信号进行处理,通过第二无线传输电路3011将处理后的数字信号传输至上位机302进行分析。
具体地,如图6所示,定子罩壳301内部有第二无线传输电路3011、供电电路3012、第二信号处理电路3013,第二信号处理电路3013可以将接收到的信号做最终处理,并可以远距离传输到上位机302进行分析,包括频谱分析、积分变换等最终计算轴系振动。
根据本发明实施例提出的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,具有以下有益效果:(1)选用柔性线圈(FPC)替代硬质PCB板,降低体积,减少重量,提高柔软度,降低安全风险,提高测量灵敏度;(2)采用磁聚焦技术解决漏磁和精度低问题;(3)采用多匝阿基米德螺旋线线圈保证测量灵敏度;(4)对线圈进行网格化处理,在线圈产生振动时,方便查找相应线圈;(5)全部采用无线传输,摆脱线缆束缚,方便快捷。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法。
图8是本发明一个实施例的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法的流程图。
如图8所示,该一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法包括以下步骤:
在步骤S1中,将激励线圈通直流电流产生空间磁场,通过定子将磁场聚焦在待测轴上。
具体地,如图9所示,将激励线圈通直流电流产生空间磁场,通过对定子装置中磁聚焦激励结构的设计将磁场聚焦在轴上,表现为圆形磁场,且磁场面积与单一阿基米德螺旋线线圈面积相同。将线圈分布进行网格化处理,即每个网格当中含有一个感应线圈。线圈分布记为i行j列。
在步骤S2中,当待测轴发生轴向和径向振动时,阿基米德螺旋线线圈切割聚焦磁力线,产生感应电压。
具体地,当待测轴发生轴向和径向振动时,阿基米德螺旋线线圈切割聚焦磁力线,由于线圈内部的磁通量发生改变,线圈中将产生感应电压,通过下式表示感应电压大小:
式中,U为感应电压,N为线圈匝数,φ为磁通量,t为感应时间,B为磁场强度,S为磁力线穿过线圈的面积。
在步骤S3中,根据法拉第电磁感应定律计算感应电压的电压值,并根据电压值提取振动位移以及振动频率,最终得到轴系振动方程。
设聚焦磁场与阿基米德螺旋线线圈水平相切时为初始状态,磁场半径与阿基米德螺旋线线圈半径均为r,当磁场与线圈间位移为x时,其相交部分面积就是聚焦磁力线穿过线圈的面积,即:
可根据公式(1)(2)(3)中测得的电压值U判断出振动位移x,位移最大时得到振幅Am。
监测同一线圈产生相同电压值所用的时间,记为t1,则振动频率为:
则得到旋转轴系振动方程为:
X=Amcos(2πf+θ) (5)
其中,X为振动位移,Am为振幅,f为振动频率,θ为振动初相位。
在步骤S4中,当旋转轴系振动方程在没有扭转振动发生时做匀速转动,角速度为当待测轴存在扭转振动时,轴的瞬时转速是在原来匀速转动的基础上叠加一个扭振角速度,设当前瞬时角速度为ω,记录相同列下的相邻两个网格内的线圈产生感应电压的时间间隔,求解相邻两线圈的分度角、瞬时角速度和平均角速度。
具体地,旋转轴系在没有扭转振动发生时做匀速转动,角速度为当被测轴存在扭转振动时,轴的瞬时转速就是在原来匀速转动的基础上叠加一个扭振角速度,设此时的瞬时角速度为ω,记录相同列下的相邻两个网格内的线圈产生感应电压的时间间隔,记为T,轴上一列有Z个线圈,则相邻两线圈的分度角为:
则轴的瞬时角速度为:
轴的平均角速度为:
在步骤S5中,根据瞬时角速度和平均角速度求解扭转振动角速度,并对扭转振动角速度进行积分,得到扭转振动角位移。
具体地,根据瞬时角速度和平均角速度求解扭转振动角速度为:
对其进行积分得到扭转振动角位移为:
每个线圈所产生的感应电动势波形为周期性的类正弦信号,对各排网格内产生的电信号波形在后续信号处理机构中进行频谱、功率谱分析,便可得到旋转轴系的完整振动情况。
需要说明的是,前述对柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器实施例的解释说明也适用于该实施例的柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法,此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法,具有以下有益效果:(1)选用柔性线圈(FPC)替代硬质PCB板,降低体积,减少重量,提高柔软度,降低安全风险,提高测量灵敏度;(2)采用磁聚焦技术解决漏磁和精度低问题;(3)采用多匝阿基米德螺旋线线圈保证测量灵敏度;(4)对线圈进行网格化处理,在线圈产生振动时,方便查找相应线圈;(5)全部采用无线传输,摆脱线缆束缚,方便快捷。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,其特征在于,包括:测量模块、信号采集模块和信号处理模块,其中,
所述测量模块包括阿基米德螺旋线感应线圈和激励装置,所述阿基米德螺旋线感应线圈安装在待测轴的表面,所述激励装置为定子,包括激励线圈和磁芯;
所述信号采集模块为采样电子单元,所述采样电子单元的外部两侧钻有固定螺栓孔,安装在所述待测轴的表面,并与所述阿基米德螺旋线感应线圈的触头通过信号传输线相连组成转子,所述采样电子单元的内部包括无线供电电路、第一无线传输电路和第一信号处理电路,通过所述第一无线传输电路与所述信号处理模块连接;
所述信号处理模块包括定子罩壳和上位机,所述定子罩壳设置在所述定子外部,所述定子罩壳的内部包括第二无线传输电路、供电电路和第二信号处理电路,通过所述第二无线传输电路与所述上位机连接。
2.根据权利要求1所述的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,其特征在于,所述阿基米德螺旋线感应线圈呈网格化,每个网格安装一个感应线圈,且所述阿基米德螺旋线感应线圈上印制在柔性电路板上。
3.根据权利要求1所述的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,其特征在于,所述阿基米德螺旋线感应线圈环绕所述待测轴一周且相邻线圈等间距放置。
4.根据权利要求1所述的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,其特征在于,所述采样电子单元中利用所述第一信号处理电路采集电压信号,并进行放大、滤波、模数转换,最后将数字信号通过所述第一无线传输电路传输到所述信号处理模块的定子罩壳内。
5.根据权利要求1所述的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,其特征在于,所述信号处理模块中利用所述第二信号处理电路将所述第一无线传输电路传递的数字信号进行处理,通过所述第二无线传输电路将处理后的数字信号传输至所述上位机进行分析。
6.一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法,其特征在于,基于权利要求1-5任一项所述的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器,包括以下步骤:
步骤S1,将所述激励线圈通直流电流产生空间磁场,通过所述定子将磁场聚焦在所述待测轴上;
步骤S2,当所述待测轴发生轴向和径向振动时,所述阿基米德螺旋线线圈切割聚焦磁力线,产生感应电压;
步骤S3,根据法拉第电磁感应定律计算所述感应电压的电压值,并根据所述电压值提取振动位移以及振动频率,最终得到轴系振动方程;
步骤S4,当所述旋转轴系振动方程在没有扭转振动发生时做匀速转动,角速度为ω;当所述待测轴存在扭转振动时,轴的瞬时转速是在原来匀速转动的基础上叠加一个扭振角速度,设当前瞬时角速度为ω,记录相同列下的相邻两个网格内的线圈产生感应电压的时间间隔,求解相邻两线圈的分度角、瞬时角速度和平均角速度;
步骤S5,根据所述瞬时角速度和所述平均角速度求解扭转振动角速度,并对所述扭转振动角速度进行积分,得到扭转振动角位移。
9.根据权利要求6所述的一种柔性阿基米德螺旋线线圈的电磁式振动传感器的振动测量方法,其特征在于,所述旋转轴系振动方程为:
X=Amcos(2πf+θ)
其中,X为振动位移,Am为振幅,f为振动频率,θ为振动初相位。
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