CN117927492A - 一种转动部件的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转动部件的测量装置及方法，所述测量装置包括：定子，内部为空腔状；转子，设置在所述定子内部并与所述定子具有间距，且所述转子与所述定子之间互不导通；电源，将电压施加于转子和定子的互相不导通的不同的成对位置上，以使所述转子和所述定子之间构成两个或多个并联的电容器；电容值测量系统，设置在所述转子或所述定子上，用于测量转子或定子的电容值大小，并利用所测量的电容值的微小变化，来计算和获取转子和定子之间距离的微小变化。本发明利用非接触的并联电容器结构及其测量电路，实现精确测量转子微小的径向位移变化和几何变化，以及得到转子相对定子温度差的变化，对转动部件的运行的可靠性及实时状态进行监测。

Description

一种转动部件的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及分子泵技术领域，具体涉及一种转动部件的测量装置及方法。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然构成现有技术。

分子泵可以获得高真空和超高真空，并在半导体产业、照明产业、太阳能产业、光学元器件、薄膜产业有着广泛的应用。涡轮分子泵是以高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合，利用在分子流区域内，气体分子与高速转动的叶片表面碰撞，动量传递给气体分子，使部分气体分子在刚体表面的运动方向上获得切向速度，产生定向压缩、流动而被排出泵外，从而达到抽气的目的，如图1和图2所示。

现有的分子泵的转子在高速旋转过程中，难以进行分子泵转子在径向上的位移变化检测。分子泵转子在径向上的位移变化会影响分子泵的可靠性，随着应用产业越来越多的工艺负载需求，分子泵转子运行的可靠性及实时状态监测也越来越重要。为此，研发一种能够进行分子泵转子位置进行实时测量的装置十分重要。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的分子泵的转子在高速旋转过程中难以进行分子泵转子在径向上的位移变化检测的缺陷，从而提供一种转动部件的测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种转动部件的测量装置，用于对转动部件进行位置测量，所述测量装置包括：

定子，内部为空腔状；

转子，设置在所述定子内部并与所述定子具有间距，且所述转子与所述定子之间互不导通；

电源，将电压施加于转子和定子的互相不导通的不同的成对位置上，以使所述转子和所述定子之间构成两个并联的电容器；

电容值测量系统，设置在所述转子或所述定子上，用于测量所述转子或所述定子的电容值大小，并利用所测量的所述电容值的微小变化，来计算和获取所述转子和所述定子之间距离的微小变化和转子的偏摆方向及旋转速度。

进一步优化技术方案，所述电容值测量系统包括：

至少一对测量电极，对称设置在所述转子或所述定子上；所述测量电极由高频电压或电流驱动，其测试信号是电压信号或电流信号；

检测传感器，与所述测量电极的位置相对应，用于对所述测量电极的充电时间进行检测。

进一步优化技术方案，所述测量电极安装在转子的内部或转子外部或主轴的径向直径上或主轴的轴向端面上。

进一步优化技术方案，所述测量装置应用于分子泵转子的位置测量和/或分子泵转子的温度测量。

一种转动部件的测量方法，用于对转动部件进行位置测量，所述测量方法基于所述的转动部件的测量装置进行，包括以下步骤：

将电压施加于转子和定子的互相不导通的不同的成对位置上，以使所述转子和所述定子之间构成两个/或多个并联的电容器；

通过电容值测量系统测量所述转子或所述定子的电容值大小，并利用所测量的所述电容值的微小变化，来计算和获取所述转子和所述定子之间距离的微小变化和转子的偏摆方向及旋转速度。

进一步优化技术方案，所述利用所测量的所述电容值的微小变化，来计算和获取所述转子和所述定子之间距离的微小变化是基于电容公式进行的；所述电容公式为：

其中：C为转子和定子之间变化的电容值；Q为电荷量；U_A为转子的电压值；U_B为定子的电压值；ε_r为常数；S为电容极板的正对面积；k为静电力常量；d为电容极板的距离。

进一步优化技术方案，对所述电容值进行测量的方法为：

利用电容值和电压值之间的线性关系，通过测量电容器的充电时间来确定电容值的大小。

进一步优化技术方案，所述利用所测量的所述电容值的微小变化，来计算和获取所述转子和所述定子之间距离的微小变化是基于以下公式计算的：

其中：ΔC为转子和定子之间变化的电容值，Δd为转子与定子之间距离的微小变化量。

进一步优化技术方案，所述测量方法还用于对转动部件的温度进行测量，通过所述转子和所述定子之间距离的微小变化，并依据热胀冷缩效应得到所述转子相对所述定子温度差的变化；所述热胀冷缩效应的热胀冷缩公式为：

Δd＝αdΔt

其中：Δt为转子与定子温度差的微小变化量，α为线膨胀系数，d为转子与定子之间原来的距离；

通过所述电容公式和所述热胀冷缩公式，推导出转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式：

其中：ΔC为转子和定子之间变化的电容值；

通过所述转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式计算转子相对定子的温度差。

进一步优化技术方案，还包括系统偏差的消除方法：

通过标定消除转子的转速变化；

和/或通过转子的转速变化得到转子一周长内的几何轮廓的变化，通过标定消除转子的几何轮廓变化。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种转动部件的测量装置，利用非接触的并联电容器结构及其测量电路，实现精确测量转子微小的径向位移变化和几何变化，以及得到转子相对定子温度差的变化，对转动部件的运行的可靠性及实时状态进行监测。

2.本发明提供的一种转动部件的测量装置，当电容器连接到电源时，电容器会从电源中吸收电荷并存储在电容器的两极板(定子和转子)之间，测量电极与转子或定子连接。检测传感器与测量电极非接触对应设置，能够检测转子或定子上的充电时间，进而得出两个电容器的电容值。

3.本发明提供的一种转动部件的测量装置，测量电极安装在转子的内部或转子外部或主轴的径向直径上或主轴的轴向端面上的定子上。检测传感器与测量电极非接触，能够对测量电极上的充电时间进行精确检测。

4.本发明提供的一种转动部件的测量方法，将电压施加于转子和定子的互相不导通的不同的成对位置上，作为两个导体的转子和定子之间就会构成两个或多个并联的电容器，通过电容值测量系统测量转子或定子上的电容值的微小变化，来获得转子与定子时间的间隙的微小变化，在结构和实现方法上简单且有效，并能够保证测量精度。

5.本发明提供的一种转动部件的测量方法，通过电容公式和热胀冷缩公式，推导出转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式，通过所述转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式计算转子相对定子的温度差，进而对温度差的测量十分方便，且测量精度很高。

6.本发明提供的一种转动部件的测量方法，还包括系统偏差的消除方法，能够消除系统偏差，进而使得对转子温度的测量精度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中分子泵的结构示意图；

图2是现有技术中分子泵的进行抽气时的示意图；

图3是分子泵的内部结构示意图；

图4是本发明提供的一种转动部件的测量装置中的测量电极的安装在涡轮转子径向方向的壁厚内侧时的结构示意图；

图5是本发明提供的一种转动部件的测量装置中的测量电极安装在主轴的径向直径上时的结构示意图；

图6是本发明提供的一种转动部件的测量装置中的测量电极安装在与主轴轴向端面的定子上；

图7是平行板电容器的结构示意图；

图8是本发明转子和定子之间构成两个并联的电容器时的结构示意图。

附图标记：

1、转子，11、动叶片，2、定子，21、定叶片，3、轴承，4、电机，5、主轴，6、泵体，7、进气口，8、电容器，81、第一极板，82、第二极板，83、绝缘介质，9、测量电极，10、检测传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

需要说明的是，本发明通过分子泵阐述本发明的转动部件的测量装置及方法只是一个优选实施例，并不是对转动部件的测量装置及方法的保护范围限制，例如，本发明的转动部件的测量装置及方法还可以应用于其他类型的真空泵中，这种调整同样属于本发明转动部件的测量装置及方法的保护范围。

分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。随着应用产业越来越多的工艺负载需求，分子泵转子运行的可靠性及实时状态监测也越来越重要，尤其是对涡轮转子的实际温度的非接触式实时监测越来越重要。

为此，本发明对分子泵转子的位置、温度、转速进行实时检测，进而对分子泵的实时状态进行监测，能够满足工艺负载需求。

下面结合本发明第一方面的一种转动部件的测量装置和第二方面的一种转动部件的测量方法详细阐述本发明的具体实施例。

实施例1

如图4至图8所示，本实施例公开了一种转动部件的测量装置，用于对转动部件进行位置测量，测量装置包括定子2、转子1、电源和电容值测量系统。

定子2的内部为空腔状。

转子1设置在定子2内部，转子1与定子2具有一定间距，使得转子1与定子2为非接触形式，且转子1与定子2之间互不导通，使得转子1与定子2之间绝缘。

电源将不同的电压施加于转子1和定子2上两处不导通的位置，且转子1和定子2之间具有绝缘层(可为空气层)，以使转子1和定子2之间构成两个并联的电容器。

电容值测量系统设置在转子1或定子2上，用于测量转子1或定子2的电容值大小，并利用所测量的电容值的微小变化，来计算和获取转子1和定子2之间距离的微小变化。

上述转动部件的测量装置，利用非接触的并联电容器结构及其测量电路，实现精确测量转子微小的径向位移变化和几何变化，对转动部件的运行的可靠性及实时状态进行监测。

在一些实施例中，测量装置应用于分子泵转子的位置测量和/或分子泵转子的温度测量。其中，分子泵包括涡轮转子、涡轮定子、抽气结构、电机4、轴承3(磁轴承、机械轴承等)、主轴5、泵体6等，如图3所示。电机4通过主轴5与涡轮转子连接，电机用于驱动主轴及涡轮转子的运转。涡轮转子由若干动叶片11组成，涡轮定子由若干定叶片21组成。泵体的上方为进气口7。涡轮分子泵是以高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合，利用在分子流区域内，气体分子与高速转动的叶片表面碰撞，动量传递给气体分子，使部分气体分子在刚体表面的运动方向上获得切向速度，产生定向压缩、流动而被排出泵外，从而达到抽气的目的，如图2所示。

在一些实施例中，电容值测量系统包括测量电极9和检测传感器10。测量电极9设置有至少一对，分别对称设置在转子1或定子2上。测量电极9由高频电压或电流驱动，其测试信号是电压信号或电流信号。检测传感器10与测量电极9的位置相对应，用于对测量电极9上的充电时间进行检测。

在本实施例中，当电容器连接到电源时，电容器会从电源中吸收电荷并存储在电容器的两极板(定子和转子)之间，测量电极9与转子1或定子2连接。检测传感器10与测量电极9非接触对应设置，能够检测转子1或定子2上的充电时间，进而得出两个电容器的电容值。

在一些实施例中，电容器的构成结构：两个测量电极并行布置，被测体平行布置在这两个测量电极之间。被测体可以是涡轮转子的半径或直径厚度，也可以是主轴的直径厚度。

在一些实施例中，电容值测量系统还包括测量电路，测量电路包括信号发生部分、测量部分、信号放大和处理部分、数据处理和解算部分。需要对初始及额定的转速和温度下的初始值进行检测和标定。

在一些实施例中，测量电极9安装在转子的内部。如图4所示，测量电极9安装在涡轮转子径向方向的壁厚内侧。检测传感器10位于测量电极9的正下方，并与测量电极9非接触，能够对测量电极9上的充电时间进行精确检测。

在一些实施例中，测量电极9安装在转子外部。测量电极9安装在涡轮转子径向方向的壁厚外侧。检测传感器10位于测量电极9的正下方或水平方向，并与测量电极9非接触。

在一些实施例中，测量电极9安装在主轴的径向直径上，如图5所示。检测传感器10位于测量电极9的水平方向，并与测量电极9非接触，能够对测量电极9上的充电时间进行精确检测。

在一些实施例中，测量电极9安装在与主轴轴向端面对应的定子上，如图6所示。检测传感器10位于测量电极9的正下方，并与测量电极9非接触，能够对测量电极9上的充电时间进行精确检测。

实施例2

一种转动部件的测量方法，用于对转动部件进行位置测量，该测量方法基于实施例1的转动部件的测量装置进行，包括以下步骤：

两个相互靠近的导体(第一极板81和第二极板82)，中间夹一层不导电的绝缘介质83，这就构成了电容器8，如图7所示。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。以平行板电容器的电容公式为例，如下通用公式(1)，可以知道电容大小与两个导体之间的距离成反比，从而可以利用测量得到电容的微小变化，来计算和获取距离的微小变化；再通过距离的微小变化就可以依据热胀冷缩效应得到转子相对定子温度差的变化。

其中：C为转子和定子之间的电容值，Q为电荷量，U_A为转子的电压值，U_B为定子的电压值，ε_r为常数，S为电容极板的正对面积，k为静电力常量，d为电容极板的距离。

所以，将不同的电压施加于转子1和定子2上(即在转子1和定子2上施加的转子1和定子2的电压值大小不同)，作为两个导体的转子和定子之间就会构成两个并联的电容器，如图8所示。通过电容值测量系统测量转子1或定子2上的电容值(实际是两个并联的电容)的微小变化，来获得转子与定子时间的间隙(两个间隙是对称相等的)的微小变化。

在定子上沿径向方向，垂直转子对称安装两个测量电极9，用以分别测量两个电容器的电容值；该电极由高频电压或电流驱动，其测试信号可以是电压或电流等信号特征。由于转子直径的微小几何变化与位移变化，使得转子与两个测量电极之间的电容随之发生变化，通过该成对安装的测量电极及其测量电路，可以实现较高精度分辨率的电容变化值，解决了精确测量转子直径微小几何变化和位移变化问题，也可以得到转子相对定子温度的差值变化。

在一些实施例中，对电容值进行测量的方法为：利用电容值和电压值之间的线性关系，通过测量电容器的充电时间来确定电容值的大小。例如使用万用表测量电容值。当电容器连接到电源时，电容器会从电源中吸收电荷并存储在电容器的两极板之间。电容器的充电时间取决于电容器的大小和电源的电压。测量电容值的方法是将电容器与电源并联，并测量电容器的充电时间。根据电容值和电压值之间的线性关系，可以通过测量充电时间来确定电容值的大小。

利用所测量的电容值的微小变化，来计算和获取转子1和定子2之间距离的微小变化是基于以下公式计算的：

其中：ΔC为转子和定子之间变化的电容值，Δd为转子与定子之间距离的微小变化量。

在一些实施例中，本实施例的测量方法还用于对转动部件的温度进行测量。随着转子转速的不同和实时温度的变化，转子的直径会相应随转速和温度变化而变化，通常为近似线性变化。由于转速的影响原理是，旋转的离心力作用使得转子膨胀变形；但是实际上，由于在线测量的转速是保持额定转速不变的，所以转速导致膨胀变形对于测量温度而言就是系统偏差，通过标定进行消除即可；由于热胀冷缩效应，转子相对定子的温度差升高时，转子的直径也会增大，关系式(2)。此测量装置可以分别精确测量转子直径的变化量，即通过测量电路(电信号)实测值而得到转子的转速值和温度值，其关系分别为近似平方关系和线性关系，通过公式(1)和(2)可推导出此近似线性关系式为(3)，从而实现测量转子转速和转子相对定子的温度差的目的。

通过转子1和定子2之间距离的微小变化，并依据热胀冷缩效应得到转子1相对定子2温度差的变化；热胀冷缩效应的热胀冷缩公式为：

Δd＝αdΔt (2)

其中：Δt为转子与定子温度差的微小变化量，α为线膨胀系数，d为转子与定子之间原来的距离；

通过电容公式和热胀冷缩公式，推导出转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式：

其中：ΔC为转子和定子之间变化的电容值。

通过所述转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式计算转子相对定子的温度差。

在一些实施例中，转速变化的测量方法为：由电容测量电路实测得到电容值的变化，通过函数关系和变化规律，标定并计算得到转子直径变化。由于电容值的变化是近似线性，转速与直径尺寸是近似平方关系，所以，实测电容值与转子直径尺寸变化为近似平方关系。

在一些实施例中，还包括几何变化的测量方法：在得到转速变化后，可以通过信号分析处理得到转子一周长内的几何轮廓的变化，比如该圆周轮廓的椭圆度变化等。

在一些实施例中，还包括系统偏差的消除方法。

转速变化：转速的影响原理是，旋转的离心力作用使得转子膨胀变形；但是，由于在线测量的转速是保持额定转速不变的，所以转速导致膨胀变形对于测量温度而言就是系统偏差，通过标定进行消除即可。

几何变化：几何形状的影响随着转子每旋转一周的变化都是完全相同，所以，同转速变化的影响原理一样，由于在线测量的转速是保持额定转速不变的，该距离变化形对于测量温度而言就是系统偏差，通过标定进行消除即可。

在一些实施例中，本实施例的测量方法还包括测量因素的处理方法。

1)由于实际加工的主轴外周的外形轮廓形状也是有波动变化的，需要对该电容测量值进行信号处理，例如进行移动加权平均等算法，才是更精确的实际测量值。

2)关于解算算法：对测量得到的位移编号，需要利用函数关系和算法解算得到其转速和温度引起的两个分量；对于转子一周位移信号变化，需要利用算法对比解算得到其圆周上的几何轮廓变化。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种转动部件的测量装置，用于对转动部件进行位置测量，其特征在于，所述测量装置包括：

定子(2)，内部为空腔状；

转子(1)，设置在所述定子(2)内部并与所述定子(2)具有间距，且所述转子(1)与所述定子(2)之间互不导通；

电源，将电压施加于转子(1)和定子(2)的互相不导通的不同的成对位置上，以使所述转子(1)和所述定子(2)之间构成两个/或多个并联的电容器；

电容值测量系统，设置在所述转子(1)或所述定子(2)上，用于测量所述转子(1)或所述定子(2)的电容值大小，并利用所测量的所述电容值的微小变化，来计算和获取所述转子(1)和所述定子(2)之间距离的微小变化。

2.根据权利要求1所述的一种转动部件的测量装置，其特征在于，所述电容值测量系统包括：

至少一对测量电极(9)，对称设置在所述转子(1)或所述定子(2)上；所述测量电极(9)由高频电压或电流驱动，其测试信号是电压信号或电流信号；

检测传感器(10)，与所述测量电极(9)的位置相对应，用于对所述测量电极(9)的充电时间进行检测。

3.根据权利要求2所述的一种转动部件的测量装置，其特征在于，所述测量电极(9)安装在转子的内部或转子外部或主轴的径向直径上或主轴的轴向端面上。

4.根据权利要求1所述的一种转动部件的测量装置，其特征在于，所述测量装置应用于分子泵转子的位置测量和/或分子泵转子的温度测量。

5.一种转动部件的测量方法，用于对转动部件进行位置测量，其特征在于，所述测量方法基于权利要求1至4中任一项所述的转动部件的测量装置进行，包括以下步骤：

将电压施加于转子(1)和定子(2)的互相不导通的不同的成对位置上，以使所述转子(1)和所述定子(2)之间构成两个/或多个并联的电容器；

通过电容值测量系统测量所述转子(1)或所述定子(2)的电容值大小，并利用所测量的所述电容值的微小变化，来计算和获取所述转子(1)和所述定子(2)之间距离的微小变化和转子的偏摆方向及旋转速度。

6.根据权利要求5所述的一种转动部件的测量方法，其特征在于，所述通过电容值测量系统测量所述转子(1)或所述定子(2)的电容值大小是基于电容公式进行的；所述电容公式为：

其中：C为转子和定子之间的电容值，Q为电荷量，U_A为转子的电压值，U_B为定子的电压值，ε_r为常数，S为电容极板的正对面积，k为静电力常量，d为电容极板的距离。

7.根据权利要求6所述的一种转动部件的测量方法，其特征在于，对所述电容值进行测量的方法为：

利用电容值和电压值之间的线性关系，通过测量电容器的充电时间来确定电容值的大小。

8.根据权利要求6所述的一种转动部件的测量方法，其特征在于，所述利用所测量的所述电容值的微小变化，来计算和获取所述转子(1)和所述定子(2)之间距离的微小变化是基于以下公式计算的：

其中：ΔC为转子和定子之间变化的电容值，Δd为转子与定子之间距离的微小变化量。

9.根据权利要求8所述的一种转动部件的测量方法，其特征在于，所述测量方法还用于对转动部件的温度进行测量，通过所述转子(1)和所述定子(2)之间距离的微小变化，并依据热胀冷缩效应得到所述转子(1)相对所述定子(2)温度差的变化；所述热胀冷缩效应的热胀冷缩公式为：

Δd＝αdΔt

其中：Δt为转子与定子温度差的微小变化量，α为线膨胀系数，d为转子与定子之间原来的距离；

通过所述电容公式和所述热胀冷缩公式，推导出转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式：

其中：ΔC为转子和定子之间变化的电容值；

通过所述转子和定子之间电容值变化与温差变化关系式计算转子相对定子的温度差。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的一种转动部件的测量方法，其特征在于，还包括系统偏差的消除方法：

通过标定消除转子的转速变化；

和/或通过转子的转速变化得到转子一周长内的几何轮廓的变化，通过标定消除转子的几何轮廓变化。