CN1250949C - 兼有轴承载荷检测和状态监测功能的传感器组件和传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感器组件，其用于测量具有至少一个轴承环(11)的轴承上的载荷，该至少一个轴承环具有用于安置传感器组件的腔(12)。传感器组件包括位于腔(12)的两相对边之间的顺序安装件，顺序安装件包括压电片(16)和弹簧刚度为k的弹簧(13)。可替换地，传感器组件还包括安装在压电片(16)和弹簧(13)之间的质量为m的质量块(14)，以同时进行轴承载荷检测和状态监测。

Description

兼有轴承载荷检测和状态监测功能的传感器组件和传感器系统
技术领域
本发明涉及一种兼有轴承载荷检测和轴承状态监测功能的传感器组件和传感器系统。更具体地，本发明涉及一种传感器组件，其用于测量具有至少一个轴承环的轴承上的载荷，所述至少一个轴承环具有用于安置传感器组件的腔，该传感器组件包括位于所述腔的两相对边之间的顺序安装件，所述顺序件安装包括压电片和弹簧刚度为k的弹簧。
背景技术
美国专利US-A-5,677,488描述了一种用于轴承状态监测的传感器，其利用压电膜转换器以响应轴承的连续压力波的形式实现该功能。该传感器系统还可以用于确定轴承的转速。通过将来自压电转换器的信号与一组阈值比较，或将来自多个压电转换器的信号进行比较以消除共态噪声，可以确定轴承的紧急失效。
而且，众所周知，前述传感器组件用于间接测量轴承上的载荷，即通过例如测量轴承环的结构变形来测量。
然而，现有技术中没有能够同时确定轴承上的载荷和轴承的状态的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器，其既能够提供轴承上载荷的信息，还可以提供轴承的状态信息。
因此，本发明的第一方面是提供一种前述的传感器组件，其中，该传感器还包括安装在压电片和弹簧之间的质量为m的质量块。
本发明优于现有传感器的地方在于，在轴承工作期间，可以测量两个不同的轴承参数，即轴承上的载荷以及与轴承状态相关的有规律的激励振动。
根据本发明的一个实施例，在压电片与质量块之间布置电绝缘片。然后，可以在压电片的相对表面之间测量压电片上的电荷。
优选地，传感器组件的方位基本垂直于轴承轴线。这使得能够对(载荷引起的)第一表面的位移和(轴承缺陷)引起的轴承环的加速度或振动进行有效测量。
在一优选实施例中，至少一个轴承环中具有腔。该轴承环可以是轴承外圈，也可以是轴承内圈。可替换地，腔被设置在轴承的至少一个滚子体内。位于滚柱轴承的内、外滚道之间的滚子体也受到施加给轴承的力作用，因而用于传感器组件的腔可以被设置在一可替换位置。
本发明的又一方面是提供一种具有至少一个根据本发明的传感器组件的传感器系统，所述传感器系统包括连接到所述压电片上的处理装置，用于接收代表所述压电片上电荷的电荷信号，该处理装置还用于提供由低于截止频率的电荷信号得到的代表轴承上载荷的测量信号，以及由高于截止频率的电荷信号得到的代表轴承的加速度的测量信号。所述传感器装置的截止频率f0为1/2π(k/m)，其中k是所述弹簧的弹簧刚度，m是所述质量块的质量。
根据本发明的传感器系统只利用单个传感器组件就能在轴承工作期间有效测量两个不同的轴承参数。
优选地，该处理装置还用于由代表轴承加速度的测量信号来确定轴承状态。利用来自压电传感器的电荷信号中的高频成份所测得的轴承振动和加速度可以提供有关轴承状态的信息。
下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的传感器组件的剖视图。
图2是根据本发明又一实施例的传感器组件的剖视图。
图3是根据本发明传感器系统的示意图。
具体实施方式
图1中示出了一种轴承环11，其具有根据本发明典型实施例的传感器组件。图中所示的轴承环11是一轴承外圈，但其也可以是轴承内圈。在轴承环11中有腔12，腔12具有与轴承环11的内表面或滚道基本平行的第一表面17，以及与第一表面17基本平行的第二表面18。当从轴承轴线方向观察时，腔12可以是方形，但优选为圆形，这样可以由公知的铣削方法在轴承环11上加工出腔12。在腔12中，在第一表面17和第二表面18之间依次安装弹簧刚度为k的弹簧13、绝缘片15和压电片16。这样，传感器组件的灵敏度方向朝向轴承轴线，从而能够有效测量轴承上的(径向)载荷。压电片16是可以买到的压电材料，面积是5mm×5mm，厚度为0.4mm。为了增大机械刚度，压电片16可以夹在保护片(未示出)之间。
弹簧13可以是简单的螺旋弹簧，但也可以是片簧。腔12可以适用于弹簧13的形状，以探测弹簧13在垂直于压电片16的方向对其施加了力作用。
当载荷施加在轴承环11上(从而施加在轴承上)时，由于轴承环11所用材料的弹性性质，腔12的第一、二表面17和18会相互靠近。通常可以说，在X方向(见图1)上的位移与轴承载荷引起的结构变形成正比。在静态时，弹簧13会在压电片16上施加力的作用，该力与位移和弹簧刚度k的乘积成正比。这样，压电片16就产生电荷Q，电荷Q与施加在它上面的力成正比，也因此与施加在轴承环11上的载荷成正比。压电片16上的电荷Q可以在其上、下表面之间检测。
图2示出本发明的又一实施例，其能够同时测量振动或加速度。这些振动是由于轴承滚道或其它滚子轴承元件失效引起的，可用于轴承的状态监测。因此，由弹簧13和压电片16构成的顺序安装件中可进一步包括安装质量为m的质量块14。
由于轴承环11的材料通常是金属，所以为了检测电荷Q，必须在压电片16的至少一侧安装绝缘片15。在这种情况下，可以使用与压电片16的绝缘表面相连接和与轴承环11相连接的导线检测压电片16上的电荷。可选择地，质量为m的质量块14由电绝缘材料制成。在这种情况下，由于压电片16上的电荷Q可以在其上、下表面之间直接测量，所以也可以省掉绝缘片15。
当使用了质量为m的质量块14时，上述情况只对电荷信号的低频成份有效。弹簧组件13、质量块14和压电片16形成一个截止频率f0为1/2π(k/m)的机械滤波器。在低于截止频率f0时，电荷Q与位移成正比，因而与轴承环11上的载荷成正比。在高于截止频率f0时，电荷Q与轴承环11上的加速度成正比。由于惯性，在高于截止频率时，质量块在空间上基本静止，因此压电片16将被抽出或收缩，这种抽出或收缩基本与由第一表面17的加速度引起的位移成正比。轴承环11的加速度可以提供有关轴承状态的有规律的激励振动信息。截止频率f0可以设计为与传感器组件所需要的特性相匹配。
图3为根据本发明的一个实施例的传感器系统的简图。该传感器系统包括根据本发明的传感器组件，在图3中只示出了其中的压电片16。利用两个电接头19，20来检测压电片16上的电荷Q，电接头19，20分别连接到两个信号导线21，22上，信号导线21，22都连接到处理装置23。第一电接头19可以设置在与压电片16处于电接触状态的(金属)轴承环11上，第二电接头20可以设置在压电片16和绝缘片15之间。
处理装置23由来自压电片16的电荷信号测量关于轴承的两个不同参数。高于机械截止频率f0的电荷信号成份用于轴承加速度的测量，由此可以推导出关于轴承状态的更多轴承特性。低于机械截止频率f0的电荷信号成份用于腔12中第一表面17的位移的测量，根据该测量值，结合已知的轴承环11的材料特性以及轴承环11和腔12的尺寸，可以推导出轴承环11上的载荷。
处理装置23可以利用模拟信号处理元件、比如滤波器、放大器等来实现，或者，可替换地，可以包括数字处理元件，比如数字信号处理器，或它们的组合装置。
可替换地，腔12被设置在滚子轴承的一个滚子体内，处于外圈11和内圈之间。这些滚子体也都受到施加给轴承的力的作用，可以为传感器组件提供可替换位置。然后，设置一些装置，将传感器组件测得的测量信号通过例如射频传输路径传送到外界(见欧洲专利申请EP-A-0 637 734)。

Claims (8)

1.一种传感器组件，其用于测量具有至少一个轴承环(11)的轴承上的载荷，所述至少一个轴承环具有用于安置传感器组件的腔(12)，所述传感器组件包括位于所述腔(12)的两相对边之间的顺序安装件，所述顺序安装件包括压电片(16)和弹簧刚度为k的弹簧(13)，所述压电片(16)安装于所述腔(12)的第一表面(17)，所述弹簧(13)安装于所述腔(12)的与所述第一表面(17)相对的第二表面(18)。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器组件还包括安装在所述压电片(16)和所述弹簧(13)之间的质量为m的质量块(14)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其特征在于，在所述压电片(16)的一侧布置电绝缘片(15)。
4.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器组件被布置在基本垂直于轴承轴线的位置。
5.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述腔(12)被设置在至少一个轴承环(11)内。
6.一种传感器组件，其用于测量具有至少一个轴承环(11)的轴承上的载荷，所述腔(12)被设置在轴承的至少一个滚子体内，所述传感器组件包括位于所述腔(12)的两相对边之间的顺序安装件，所述顺序安装件包括压电片(16)和弹簧刚度为k的弹簧(13)，所述压电片(16)安装于所述腔(12)的第一表面(17)，所述弹簧(13)安装于所述腔(12)的与所述第一表面(17)相对的第二表面(18)。
7.一种具有根据权利要求2至6中任一所述的传感器组件的传感器系统，其包括连接到所述压电片(16)上的处理装置(23)，用于接收代表所述压电片(16)上的电荷的电荷信号，
所述处理装置(23)还用于由低于截止频率的电荷信号提供代表轴承上载荷的测量信号，以及由高于截止频率的电荷信号提供代表轴承加速度的测量信号，所述传感器装置的截止频率f0为1/2π(k/m)，其中k是所述弹簧(13)的弹簧刚度，m是所述质量块(14)的质量。
8.根据权利要求7所述的传感器系统，其特征在于，所述处理装置(23)还用于由代表轴承加速度的测量信号来确定轴承的状态。
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