CN116203270A - 一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法 - Google Patents
一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116203270A CN116203270A CN202310124753.2A CN202310124753A CN116203270A CN 116203270 A CN116203270 A CN 116203270A CN 202310124753 A CN202310124753 A CN 202310124753A CN 116203270 A CN116203270 A CN 116203270A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- zebra stripes
- frequency domain
- uniform
- rotating speed
- error
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 241000283070 Equus zebra Species 0.000 title claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 40
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 10
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 abstract description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000035784 germination Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明提供一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，采用非均匀分布的反光斑马带作为测量基准，结合脉冲时序法的信号采集和处理方法，实现更加精准的转子轴系转速测量。此方法相较于传统的方法能够有效地减弱反光斑马带的装配误差，特别是转子结构形变等因素造成的斑马带扭曲变形，或斑马带打印绘制的加工误差等问题可以被规避。该测量方法首先需要设计加工非均匀反光斑马带；然后依据装配后的斑马带，利用反射式光纤传感器进行信号采集；其次根据采集数据进行脉冲信号的时间差序列提取，获得实时转速粗测结果；再对转速粗测结果进行傅里叶变换滤波处理，去除干扰频率项，最后获得准确的转子轴系转速实时测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及动力机械转子轴系的转速测量技术领域，具体涉及一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法。
背景技术
如今，机械转子被广泛应用于船舶、车辆、航空、发电等工业领域，随着现代工业的不断发展，各种机械结构愈发复杂，给转子的正常运转带来了越来越艰巨的挑战。转子运转时常伴随着各种振动，导致转子疲劳积累，轴系受损，最终产生各种机械故障，甚至灾难，造成了不可估量的损失。为了将机械故障以及灾难扼杀在萌芽期，需要给机械转子安装传感器，对其运行状态进行监测、评估，提前处理各种故障，以降低损失。目前，人们常用的监测手段是采集其运行时的振动信号，对振动信号进行时频域分析，从而判断出是否存在机械故障，对振动信号做时频分析时，准确测得旋转设备的转速是至关重要的一步。
目前的转速测量方法根据传感器与被测对象是否接触被分为两大类，一类是接触式测量，另一类是非接触式测量[王思文.基于光电式脉冲时序法的扭振测量技术研究[D].大连理工大学,2019.]。接触式测量通常采用电阻应变片或者加速度传感器贴于转子表面进行转速测量，非接触式测量主要包括依靠多普勒效应的激光多普勒法和基于光学传感器或电学传感器的脉冲时序法，非接触式测量法的信号传输系统相对简单实用，测量范围和测量精度相对较高，应用前景要比接触式测量法更广。而非接触式测量中的脉冲时序法由于其具有测量范围广、测量精度高、设备寿命长等诸多优点被广泛利用，在脉冲时序法中，光学传感器相比于电学传感器，具有不受电磁干扰、响应速度快等优点，具有更广阔的应用前景。
基于反射式光纤传感器的脉冲时序法在进行转速测量时，需将作为分度装置的黑白相间的斑马带粘贴于轴上，光纤传感器通过接收反射光产生脉冲信号，再通过光电转换器转换为电信号，之后通过采集卡转换为数字信号并传送至上位机进行信号处理。由于条纹带微小的质量不会影响转子的振动特性，且光纤传感器不受电磁干扰，此方法又操作简单，易于实现实时监测，因此，近年来该方法得到了快速发展。但是作为分度装置的斑马带一般是在纸上打印而成，因此打印误差、拉伸作用以及接口处难以精准衔接等分度误差均会带来较大的转速测量误差。减小误差的一种方式是对角速度ωi做傅里叶变换，消去转速倍频误差信号的尖峰频域点，再做傅里叶逆变换得到较为准确的转速测量结果。但传统的斑马带设计时每个周期宽度相等，导致转速倍频误差信号频带较宽，消去转速倍频误差信号的尖峰频域点之后，转速倍频误差信号并没有被完全消除，致使傅里叶逆变换之后得到的转速结果的准确性虽有所提升，但仍具有较大误差[Resor B R,Groover C L,TretheweyM W,et al.Natural frequency identification in torsional vibration with highlevel order content[C]//22nd International Modal Analysis Conference,Dearborn,Michigan,USA.2004.]，所以需要一种方法使分度误差造成的转速倍频误差信号可以被完全去除，从而提高转速测量的准确性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一、根据待测机械转子的尺寸，设计各个周期宽度Li不相等的黑白相间的非均匀反光斑马带，将斑马带安装固定在待测机械转子上，保证机械转子旋转过程中反射式光纤探头能够对准反光斑马带。
步骤二、反射式光纤传感器中心位置具有一个发射孔，发射孔周围分布了六个接收孔，光源发出的光通过光纤传感器的发射孔照射在斑马带上，光纤传感器通过接收孔接收斑马带的反射光，再经由光电转换器和采集卡传送至上位机。由于白条纹反射率高，所以其反射光经光电转换后为高电平信号，黑条纹则为低电平信号，随着转子的转动，反射光在上位机中表现为类似于方波的脉冲信号。根据脉冲信号的高低电平的电压值设置合适的阈值电压，当第i个脉冲上升沿突破阈值电压时开始计数，至第i+1个脉冲上升沿突破阈值电压时结束计数，则第i个脉冲与第i+1个脉冲的时间间隔为Ti＝n/Fs，其中Fs为采集卡采样频率，n为一个周期内计数的点数。
步骤三、根据步骤二中的相邻脉冲的时间间隔序列Ti，并结合步骤一中设计的非均匀反光斑马带周期宽度Li变化，根据ωi＝Li/(Ti·R)计算转速，得到实时转速粗测数据ωi，其中R为转轴半径。
步骤四、对机械转子的实时转速粗测数据ωi进行快速傅里叶变换，得到转速变化的频域结果Xn，Xn中应包括峰值(Xk、X2k、X3k…)，k为转速基频。
步骤五、对步骤四中得到的转速变化频域结果进一步处理，通过寻峰函数找到转速倍频误差信号的尖峰频域点(Xk、X2k、X3k…)，用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值的平均值代替误差尖峰频域点的强度幅值，或者用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值较小的一点代替误差尖峰频域点的强度幅值，获得去除误差后的转速变化频域结果XN。
步骤六、将步骤五得到的转速变化频域结果XN进行傅里叶逆变换，得到机械转子的实时转速准确结果。
进一步地，步骤一中，设计各个周期宽度Li不相等的黑白相间非均匀反光斑马带应满足周期渐变的条件，可以呈线性增加或减少，也可以呈更高次幂增加或减少，也可呈三角函数状等，方便其与时间间隔序列Ti相对应；
所述步骤三中，得到转速粗测结果的相应方法为：光纤探头接收反射信号经由光电探测器转换为电信号，并由采集卡实时采集、输送至上位机端，将非均匀反光斑马带触发产生的脉冲信号的时间间隔序列Ti与非均匀斑马带的周期宽度Li相对应，根据ωi＝Li/(Ti·R)计算转速，得到转速数据ωi，其中R为转轴半径；
进一步地，所述步骤五中，消除转速倍频误差信号的尖峰频域点可以采用两种方式：
方式一：用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值的平均值代替误差尖峰频域点的强度幅值
方式二：用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值较小的一点代替误差尖峰频域点的强度幅值
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，相比于传统的均匀反光斑马带，其显著优点在于，由分度误差带来的转速倍频信号更容易去除，因此在转速测量中，可以有效消除分度误差带来的影响，提高了转速测量的精确性。
附图说明
图1为实验装置示意图；
图2为相邻脉冲时间间隔的获取原理图
图3为均匀斑马带直接测得的转速图；
图4为本发明实施例中非均匀斑马带直接测得的转速图；
图5为均匀斑马带测得转速的频谱图；
图6为本发明实例中非均匀斑马带测得转速的频谱图；
图7为均匀斑马带最终的转速图；
图8为本发明实例中非均匀斑马带最终的转速图；
图9为均匀斑马带与非均匀斑马带转速测量相对误差对比图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，用各个周期宽度不等的非均匀斑马带代替传统的均匀斑马带，使分度误差造成的转速倍频误差信号可以被完全去除，小了转速测量中由分度误差带来的影响，有效提高了转速测量的准确度。
本发明实例以周期宽度Li呈线性增加的非均匀反光斑马带为例进行说明。如图1所示，将非均匀斑马带与均匀斑马带贴于轴上，分别布置一个光纤传感器对准斑马带，图中①为被测轴，②为光纤探头，③为ASE光源，④为光电转换器，⑤为采集卡，⑥为上位机，⑦为1×6合束器。因实验所用电机为交流伺服电机，输出的速度值十分精确，所用的轴比较短，不会发生扭振、弯振等振动，所以电机转速表上的数值与轴的实际转速可以近似认为相等。
将电机转速表上的转速数值调至500rpm，当轴旋转起来时，光纤传感器接收到的反射光呈现在上位机上为类似于方波的脉冲时序信号，根据脉冲信号的高低电平的电压值设置合适的阈值。如图2所示，当第i个脉冲上升沿突破阈值电压时开始计数，至第i+1个脉冲上升沿突破阈值电压时结束计数，则第i个脉冲周期为Ti＝n/Fs，其中Fs为采集卡采样频率，n为一个周期内计数的点数，图中①为相邻脉冲的时间间隔Ti，②为阈值电压，③为采集卡相邻采样点的时间间隔1/Fs，④为脉冲信号。
再由ωi＝Li/(Ti·R)计算得到轴旋转的粗测角速度，图3和图4分别为均匀斑马带和非均匀斑马带测得的转速图，对转速ωi进行快速傅里叶变换，得到Xn＝fft(ωi)，其中，峰值应为(Xk、X2k、X3k…)k为转速基频，图5和图6分别为均匀斑马带和非均匀斑马带测得转速经过快速傅里叶变换得到的频谱图，可以看出图6的转速倍频误差信号的单频性要比图5好很多。通过寻峰函数找到转速倍频误差信号中的尖峰频域点，本例将使用上文所述的方式一消去这些尖峰频域点，用尖峰频域点旁边两点的强度幅值加和取平均代替尖峰频域点的强度幅值：
之后再做傅里叶逆变换得到最终的转速图，图7和图8分别为使用均匀斑马带和非均匀斑马带最终得到的转速图，相比均匀斑马带，非均匀斑马带经过消除转速倍频误差信号中的尖峰频域点之后，得到的转速很接近500rpm，有效降低了由斑马带分度误差带来的转速测量误差。
为验证非均匀斑马带的普遍适用性，改变转速，进行多次实验得到均匀斑马带和非均匀斑马带转速测量的相对误差的对比图，如图9所示，非均匀反光斑马带配合消去转速倍频误差信号中尖峰频域点的方法，可以有效消除分度误差带来的影响，提高了转速测量的精确性。
综上，本发明属于动力机械转子轴系的转速测量技术领域，提出了一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，从属于非接触式测量中的光学测量领域。基于现有的反射式光纤传感器，创新性采用非均匀分布的反光斑马带作为测量基准，结合脉冲时序法的信号采集和处理方法，实现更加精准的转子轴系转速测量。此方法相较于传统的方法能够有效地减弱反光斑马带的装配误差，特别是转子结构形变等因素造成的斑马带扭曲变形，或斑马带打印绘制的加工误差等问题可以被规避。该测量方法首先需要设计加工非均匀反光斑马带；然后依据装配后的斑马带，利用反射式光纤传感器进行信号采集；其次根据采集数据进行脉冲信号的时间差序列提取，获得实时转速粗测结果；再对转速粗测结果进行傅里叶变换滤波处理，去除干扰频率项，最后获得准确的转子轴系转速实时测量结果。
Claims (4)
1.一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：根据待测机械转子的尺寸，设计各个周期宽度Li不相等的黑白相间的非均匀反光斑马带，将斑马带安装固定在待测机械转子上，保证机械转子旋转过程中反射式光纤传感器能够对准反光斑马带；
步骤二：利用反射式光纤传感器接收黑白相间斑马带的反射光，产生脉冲信号，脉冲信号通过光电转换器和采集卡传输至上位机，并在上位机中获取相邻脉冲的时间差序列Ti；
步骤三：根据步骤二中的相邻脉冲的时间间隔序列Ti，并结合非均匀反光斑马带周期宽度Li变化，得到机械转子旋转过程中的实时转速粗测结果ωi；
步骤四：对机械转子的实时转速粗测数据ωi进行快速傅里叶变换，得到转速变化的频域结果Xn，Xn中应包括转速倍频误差信号的尖峰频域点(Xk、X2k、X3k…)，k为转速基频；
步骤五：对步骤四中得到的转速变化频域结果进一步处理，通过寻峰函数找到转速倍频误差信号的尖峰频域点(Xk、X2k、X3k…)，用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值的平均值代替误差尖峰频域点的强度幅值，或者用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值较小的一点代替误差尖峰频域点的强度幅值，获得去除误差后的转速变化频域结果XN；
步骤六：将步骤五得到的转速变化频域结果XN进行傅里叶逆变换，得到机械转子的实时转速准确结果。
2.根据权利要求1所述的一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，其特征在于：所述步骤一中，设计各个周期宽度Li不相等的黑白相间非均匀反光斑马带应满足周期渐变的条件，呈线性增加或减少或呈更高次幂增加或减少或呈三角函数状，与时间间隔序列Ti相对应。
3.根据权利要求1所述的一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，其特征在于：所述步骤三中，得到转速粗测结果的相应方法为：光纤探头接收反射信号经由光电探测器转换为电信号，并由采集卡实时采集、输送至上位机端，将非均匀反光斑马带触发产生的脉冲信号的时间间隔序列Ti与非均匀斑马带的周期宽度Li相对应，根据ωi＝Li/(Ti·R)计算转速，得到转速数据ωi，其中R为转轴半径。
4.根据权利要求1所述的一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法，其特征在于：所述步骤五中，消除转速倍频误差信号的尖峰频域点能采用两种方式：
方式一：用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值的平均值代替误差尖峰频域点的强度幅值：
或方式二：用误差尖峰频域点旁边两点强度幅值较小的一点代替误差尖峰频域点的强度幅值：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310124753.2A CN116203270A (zh) | 2023-02-16 | 2023-02-16 | 一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310124753.2A CN116203270A (zh) | 2023-02-16 | 2023-02-16 | 一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116203270A true CN116203270A (zh) | 2023-06-02 |
Family
ID=86510692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310124753.2A Pending CN116203270A (zh) | 2023-02-16 | 2023-02-16 | 一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116203270A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117007172A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-11-07 | 哈尔滨工程大学 | 一种利用光纤结构光场的轴系扭振测量装置及其测量方法 |
-
2023
- 2023-02-16 CN CN202310124753.2A patent/CN116203270A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117007172A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-11-07 | 哈尔滨工程大学 | 一种利用光纤结构光场的轴系扭振测量装置及其测量方法 |
| CN117007172B (zh) * | 2023-07-25 | 2024-05-07 | 哈尔滨工程大学 | 一种利用光纤结构光场的轴系扭振测量装置及其测量方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2010097C (en) | Method and apparatus for detecting gear defects | |
| Gu et al. | An investigation of the effects of measurement noise in the use of instantaneous angular speed for machine diagnosis | |
| US20110098968A1 (en) | System and method for vibration analysis and phase analysis of vibration waveforms using dynamic statistical averaging of tachometer data to accurately calculate rotational speed | |
| Cristalli et al. | Mechanical fault detection of electric motors by laser vibrometer and accelerometer measurements | |
| Diamond et al. | Online shaft encoder geometry compensation for arbitrary shaft speed profiles using Bayesian regression | |
| US8676543B2 (en) | Determining the resonance parameters for mechanical oscillators | |
| CN1217056A (zh) | 用于监视涡轮机的多传感器装置和方法 | |
| CN109716077A (zh) | 使用叶尖定时（btt）监测涡轮机转子叶片的方法和系统 | |
| CN116203270A (zh) | 一种利用非均匀反光斑马带的转子轴系转速测量方法 | |
| Di Maio et al. | Experimental measurements of out-of-plane vibrations of a simple blisk design using Blade Tip Timing and Scanning LDV measurement methods | |
| CN105203794A (zh) | 发电机转速测量系统及方法 | |
| CN113586177B (zh) | 基于单叶端定时传感器的叶片固有频率识别方法 | |
| CN111060143A (zh) | 基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法 | |
| CN102323057B (zh) | 一种多轴同步误差检测装置与检测方法 | |
| CN111457841A (zh) | 回转体件跳动连续测量法及回转体件对中测量法 | |
| CN111123286A (zh) | 一种基于自校准全光纤多普勒电缆长度测试方法及装置 | |
| CN113984392B (zh) | 一种电驱动总成系统振动品质在线测试评估方法 | |
| CN112781723B (zh) | 一种基于频谱方差的谐波成分检测方法 | |
| CN112146695B (zh) | 一种基于频谱分析的编码器误差源分析方法 | |
| CN209927277U (zh) | 一种含时变间谐波扭振信号发生器 | |
| CN210070868U (zh) | 检验生化分析仪码盘中心偏移的装置 | |
| US7152476B2 (en) | Measurement of motions of rotating shafts using non-vibrating contact potential difference sensor | |
| KR950005895B1 (ko) | 기어의 타흔치(打痕値)측정장치 | |
| CN114383718A (zh) | 一种基于燃机外机匣振动信号的高频叶片通过频率提取方法 | |
| Putz et al. | Sensorless fault detection in linear axes with dynamic load profiles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |