CN1818540A - 一种从径向测量转动轴轴向位移的方法及其传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从径向测量转动轴轴向位移的方法及其传感器，属于传感器技术和间隙或位移测量技术领域。首先在被测转动轴上设置转子，并套装两个定子，定子与转子构成位移测量传感器。定子为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，转动轴的轴向位移为：△Z=a₀△L/4μ₀N²b。本发明的方法及其传感器，通过径向布置的电感线圈对位移信号进行测量和处理，消除了径向间隙发生变化对轴向位移测量的影响，减少测量空间，有效地抵消温度变化、电磁辐射、地线传导等外部因素对测量的共模干扰，大大提高了测量的精度和抗干扰能力。

Description

一种从径向测量转动轴轴向位移的方法及其传感器

技术领域

本发明涉及一种从径向测量转动轴轴向位移的方法及其传感器，属于传感器技术和间隙或位移测量技术领域。

背景技术

在一些对高速旋转轴的振动进行测量的场合，或为了避免传感器探头损害被测体表面，常常要求进行非接触测量。目前，转动轴轴向位移非接触测量通常采用电涡流位移传感器或电容位移传感器。使用这些传感器测量转动轴轴向位移时，通常需要将传感器安装在转动轴轴端。图1是已有技术中，用电涡流传感器测量转动轴轴向位移的结构示意图，传感器探头3通过固定支架2安装在转动轴1的轴端。当转动轴1的位置发生变化时，由于电涡流效应，传感器探头3将感应到转动轴1的位置变化，实现位移测量。显然采用这种方式的传感器结构将增加轴向长度，并使结构复杂化。而且将测量探头安置在轴端，还可能由于转动轴的径向位置变化或热胀冷缩影响，使测量结果不仅反映了轴向位移的变化，还受径向位移变化等因素的影响，因此增大了位移测量误差，甚至有可能危及机组的安全运行。常规的电涡流位移传感器和电容传感器的另一个缺点是，容易受电磁干扰，在恶劣环境中抗干扰能力较差。随着磁悬浮轴承的愈来愈广泛的应用，迫切需要新的轴向位移测量方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种从径向测量转动轴轴向位移的方法及其传感器，改变已有测量装置的结构，使结构简单可靠，并提高抗干扰能力，在恶劣环境中能长期可靠地工作。

本发明提出的从径向测量转动轴轴向位移的方法，首先在被测转动轴上设置非导磁压环，非导磁压环中镶嵌转子，在被测转动轴外套装一个定子外壳，在定子外壳内并行设置第一定子和第二定子，两个定子之间设有垫片，垫片与所述的转子的中心位置相对，定子与转子构成位移测量传感器；所述的第一定子和第二定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿片状圆环的圆周铁芯均布，一组探头为一绕组，绕组上的线圈总匝数为N，每组探头中有2个探头，2个探头中的线圈按自感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第二定子之间的线圈按差动方式连接，则转动轴的轴向位移为： $\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔL}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b},$ 其中ΔL为第一定子和第二定子的线圈差动连接后电感的总变化量(L_x++L_x-+L_y++L_y-)-(L_x+′+L_x-′+L_y+′+L_y-′)，Δz为转动轴移动时的轴向位移，μ₀为定子的齿形探头与转子之间的气隙磁导率，N为每组探头的线圈总匝数，b为定子内环齿状探头的齿宽，即探头磁极宽度，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子径向间隙。

上述方法中的非导磁压环由铝或铜制成。

上述方法中的第一定子和第二定子的圆环铁芯由硅钢或坡莫合金制成。

本发明提出的从径向测量转动轴轴向位移的传感器，包括非导磁压环、转子、第一定子和第二定子。非导磁压环安置在被测转动轴上，转子镶嵌在非导磁压环中。第一定子和第二定子并行安置在传感器定子外壳内，两个定子之间设有垫片，垫片与所述的转子的中心相对。第一定子和第二定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有多组，多组探头沿片状圆环的圆周铁芯均布，每组探头中有多个探头，每组探头中的线圈按自感式或互感式绕制，多组探头线圈依次串联，第一和第二定子之间的线圈按差动方式连接。

上述传感器中的探头可以有四组，每组探头中有2个探头。

本发明提出的从径向测量转动轴轴向位移的方法及其传感器，通过径向布置的电感线圈对位移信号进行测量和处理，消除了径向间隙发生变化对轴向位移测量的影响，从而实现用径向测量方法对轴向位移进行测量。本发明的测量方法及测量用传感器，能有效地简化轴向位移传感器的安装，减少测量空间，而且该传感器的第一和第二定子之间的线圈按差动方式连接，可以有效地抵消温度变化、电磁辐射、地线传导等外部因素对测量的共模干扰，大大提高了测量的精度和抗干扰能力，可以实现100米以上的长距离传输，而电涡流传感器的信号直接传输距离一般不超过10余米。因此，本发明提出的传感器适用于一些恶劣的工作环境，例如磁悬浮轴承中。

附图说明

图1是已有的电涡流传感器测量转动轴轴向位移结构示意图。

图2是本发明传感器的结构示意图。

图3是本发明的传感器中定子的结构示意图。

图4是本发明方法的测量原理图，其中(a)是初始位置，(b)是转动轴移动后位置。

图1～图4中，1是转轴，2是安装架，3是测量电感，4是非导磁压环，5是第一传感器定子，6是第二传感器定子，7是非导磁压环，8是传感器转子，9是垫片，10是传感器定子外壳，11是定子铁芯，由硅钢或坡莫合金等导磁材料制成，12是在定子内环齿状探头上绕制的线圈，μ₀为探头与转子之间的气隙磁导率，N为每组探头的线圈匝数，b为传感器定子内环齿状探头的齿宽，即探头的磁极宽度，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙，z₀为初始位置时转动轴上的两个交界面至传感器定子(5，6)内侧端面的距离。Δx为转轴移动时X方向的径向间隙变化，即径向位移，Δz为Z方向移动的距离，即Z方向的位移。

具体实施方式

本发明提出的从径向测量转动轴轴向位移的方法，首先在被测转动轴上设置非导磁压环，非导磁压环中镶嵌转子，在被测转动轴外套装一个定子外壳，在定子外壳内并行设置第一定子和第二定子，两个定子之间设有垫片，垫片与所述的转子的中心位置相对，定子与转子构成位移测量传感器。第一定子和第二定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿片状圆环的内环圆周均布，一组探头为一绕组，绕组上的线圈总匝数为N，每组探头中有2个探头，2个探头中的线圈按自感式或互感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第二定子之间的线圈按差动方式连接，则转动轴的轴向位移为： $\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔL}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b},$ 其中ΔL为第一定子和第二定子的线圈差动连接后电感的总变化量(L_x++L_x-+L_y++L_y-)-(L_x+′+L_x-′+L_y+′+L_y-′)，Δz为转动轴移动时的轴向位移，μ₀为定子的齿形探头与转子之间的气隙磁导率，N为每组探头的线圈总匝数，b为定子内环齿状探头的齿宽，即探头磁极宽度，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙。

本发明提出的从径向测量转动轴轴向位移的传感器，其结构如图2所示，包括非导磁压环4、转子8、第一定子5和第二定子6。非导磁压环4安置在被测转动轴1上，转子8镶嵌在非导磁压环4中。第一定子5和第二定子6并行安置在传感器定子外壳10内，两个定子之间设有垫片9，垫片9与转子8的中心相对。定子5和6的结构如图3所示，为一内环带有齿状探头的圆环铁芯11，齿状探头上绕有线圈12，齿状探头有多组，多组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2～多个探头。每组探头中的线圈按自感式或互感式绕制，多组探头线圈依次串联，第一和第二定子之间的线圈按差动方式连接。

本发明的一个实施例是探头有四组，每组探头中有2个探头，如图3所示。

上述传感器中，构成第一定子和第二定子的圆环铁芯11，可以用导磁率较高的硅钢或坡莫合金等导磁材料制成。每组探头中的线圈12按自感式绕制。每个传感器定子上的4组探头线圈依次串联，两个传感器定子之间将线圈按差动方式连接。

上述传感器中的非导磁压环由磁导率与传感器转子相差较大的铝、铜或其他材料制成。

传感器的第一定子5与第二定子6之间通过垫片9进行调整，使传感器的转子8和非导磁压环4的形成的两个交界面分别位于第一定子5与第二定子6的铁芯端面的中心处。

以下结合附图4介绍本发明方法的测量原理：

图4中Lx-为第一定子5的-X方向探头的电感值，Lx+为第一定子5的+X方向探头的电感值，Lx-‘为第二定子6的-X方向探头的电感值，Lx+‘为第二定子6的+X方向探头的电感值，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙，z₀为初始位置时转动轴上的两个交界面至传感器定子5或内侧端面的距离。Δx为转轴移动时X方向向上的径向间隙变化，即径向位移，Δz为Z方向向左移动的距离，即Z方向的位移。

当转动轴1位于图4所示的初始位置时，即传感器转子8的两个交界面分别位于两个定子铁芯端面的中心，并且没有径向移动时，由于每个传感器定子由周向90度均匀分布的4组依次串联的电感组成，当转轴产生径向间隙变化而无轴向移动时，总电感值保持不变，因而两个传感器定子线圈差动后输出为0。

当转动轴在径向x、y和轴向z位置发生变化时，转动轴上的两个交界面与传感器定子5和6的相对位置发生变化，使得两个传感器定子5和6的电感值均发生变化。

根据电感原理，在X方向，设径向间隙变化为Δx，转轴向左移动距离为Δz，则有：

第一定子在-X方向探头的电感值： $L_{x-}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b(z_0+\mathrm{\Δz})}{2(a_0-\mathrm{\Δx})}$

第一定子在+X方向探头的电感值： $L_{x+}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b(z_0+\mathrm{\Δz})}{2(a_0+\mathrm{\Δx})}$

第二定子在-X方向探头的电感值： ${L_{x-}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b(z_0-\mathrm{\Δz})}{2(a_0-\mathrm{\Δx})}$

第二定子在+X方向探头的电感值： ${L_{x+}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b(z_0-\mathrm{\Δz})}{2(a_0+\mathrm{\Δx})}$

当径向间隙变化范围Δx较小时，经数学推导可得：

$(L_{x+}+L_{x-})-({L_{x+}}^{\′}+{L_{x-}}^{\′})=\frac{{2\mathrm{\μ}}_0{N}^2\mathrm{b\Δz}}{a_0}$

同理，在与X成90度的Y方向，当径向间隙变化范围Δy较小时，数学推导可得：

$(L_{y+}+L_{y-})-({L_{y+}}^{\′}+{L_{y-}}^{\′})=\frac{{2\mathrm{\μ}}_0{N}^2\mathrm{b\Δz}}{a_0}$

因此，第一定子和第二定子线圈差动连接后电感值的总变化量：

$\mathrm{\ΔL}=(L_{x+}+L_{x-}+L_{y+}+L_{y-})-({L_{x+}}^{\′}+{L_{x-}}^{\′}+{L_{y+}}^{\′}+{L_{y-}}^{\′})=\frac{{4\mathrm{\μ}}_0{N}^2\mathrm{b\Δz}}{a_0}$ 即：

$\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔL}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b}$

式中ΔL为第一定子和第二定子线圈差动连接后电感值的总变化量，Δz为转动轴移动时Z方向向左移动的距离，μ₀为气隙磁导率，N为每组探头的线圈总匝数，b为传感器定子内环带有齿状探头齿宽，即探头的磁极宽度，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙。

上式清楚地表明，轴向位移Δz与第一、第二定子5和6上线圈差动后的电感输出成线性关系，与径向位移Δx，Δy无关，即消除了径向位置发生变化对轴向位移测量的影响，从而可以通过测量第一、第二定子5和6上线圈差动后的电感输出，实现轴向位移的径向测量。

Claims (6)

1、一种从径向测量转动轴轴向位移的方法，其特征在于该方法为：在被测转动轴上设置非导磁压环，非导磁压环中镶嵌转子，在被测转动轴外套装一个定子外壳，在定子外壳内并行设置第一定子和第二定子，两个定子之间设有垫片，垫片与所述的转子的中心位置相对，定子与转子构成位移测量传感器；所述的第一定子和第二定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿片状圆环的圆周铁芯均布，一组探头为一绕组，绕组上的线圈总匝数为N，每组探头中有2个探头，2个探头中的线圈按自感式或互感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第二定子之间的线圈按差动方式连接，则转动轴的轴向位移为： $\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔL}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}b},$ 其中ΔL为第一定子和第二定子的线圈差动连接后电感的总变化量(L_x++L_x-+L_y++L_y-)-(L_x+′+L_x-′+L_y+′+L_y-′)，Δz为转动轴移动时的轴向位移，μ₀为定子的齿形探头与转子之间的气隙磁导率，N为每组探头的线圈总匝数，b为定子内环齿状探头的齿宽，即探头磁极宽度，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的非导磁压环由铝或铜制成。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的第一定子和第二定子的圆环铁芯由硅钢或坡莫合金制成。

4、一种从径向测量转动轴轴向位移的传感器，其特征在于该传感器包括非导磁压环、转子、第一定子和第二定子；所述的非导磁压环安置在被测转动轴上，所述的转子镶嵌在非导磁压环中；所述的第一定子和第二定子并行安置在传感器定子外壳内，两个定子之间设有垫片，垫片与所述的转子的中心相对；所述的第一定子和第二定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有多组，多组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有多个探头，每组探头中的线圈按自感式或互感式绕制，多组探头线圈依次串联，第一和第二定子之间的线圈按差动方式连接。

5、如权利要求4所述的传感器，其特征在于其中所述的探头有四组。

6、如权利要求5所述的传感器，其特征在于其中所述的每组探头中有2个探头。

Images