CN201548319U - 一种旋转轴振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种旋转轴振动传感器，用于测量一运动物体的振动，例如扭振和纵振。该传感器包括惯性转子、可变电容和耦合电容。惯性转子可滑套在该运动物体上的一转轴上，并通过一弹性元件与该运动物体连接。可变电容的两个电极板设置在该转轴与该惯性转子之间，其电容量随该惯性转子相对该运动物体的扭振角度和/或纵向相对振动改变。耦合电容将该可变电容耦合到一静止物体，用以非接触地传送该可变电容的电容量至该静止物体，以供该静止物体上的测量装置接收。本实用新型结构新颖、简单，且成本低廉，可用于转轴的扭振、纵振等振动测量，特别适用于动力装置运行的长期监测。

Description

一种旋转轴振动传感器

技术领域

本实用新型涉及机械动力装置测量领域，更具体地说，是涉及一种旋转轴振动传感器。

背景技术

目前，复杂运动物体的振动测量，如旋转轴上的振动测量，通常需要复杂的电刷集流环或无线电传输，将旋转轴上的振动电信号传至静止的接收装置。也有用旋转编码器的方法，将转动轴的扭振信号传至静止的接收装置。但是，这些测量装置结构复杂、易受机器本体振动的干扰、价格较贵。

因此期望有一种结构简单、合理的旋转轴测量装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种旋转轴振动传感器，以简便的无线方式测量旋转轴的振动，包括扭振、纵振等形式的振动测量。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种旋转轴振动传感器，用于测量一运动物体的振动，该传感器包括惯性转子、可变电容和耦合电容。惯性转子可滑套在该运动物体上的一转轴上，并通过一弹性元件与该运动物体连接。可变电容的两个电极板设置在该转轴与该惯性转子之间，其电容量随该惯性转子相对该运动物体的扭振角度和/或纵向相对振动改变。耦合电容将该可变电容耦合到一静止物体，用以非接触地传送该可变电容的电容量至该静止物体。

在上述的旋转轴振动传感器的一个实施例中，该可变电容包括两个扇形电极电容，其电容量随该惯性转子相对该运动物体的扭振角度改变。该耦合电容包括两个环形电极电容，分别设置在该转轴与该静止物体之间。两个扇形电极电容与两个环形电极电容串联。

在上述的旋转轴振动传感器的另一个实施例中，该可变电容包括平板电极电容，其电容量随该惯性转子相对该运动物体的纵向相对振动改变。该耦合电容包括两个环形电极电容，分别设置在该转轴与该静止物体之间、以及该惯性转子与该静止物体之间。平板电极电容与两个环形电极电容串联。

在上述的旋转轴振动传感器的又一个实施例中，该可变电容包括电容量随该惯性转子相对该运动物体的扭振角度改变的扇形电极电容，以及电容量随该惯性转子相对该运动物体的纵向相对振动改变的平板电极电容。该耦合电容包括三个环形电极电容，其中两个环形电极电容分别设置在该转轴与该静止物体之间，另一环形电极电容设置在该惯性转子与该静止物体之间。

在上述的旋转轴振动传感器中，该耦合电容耦合到该静止物体的那一电极板通过导线连接到电容测量仪。

在上述的旋转轴振动传感器中，该耦合电容的形状为筒形、圆环板形或锥形。

在上述的旋转轴振动传感器中，该可变电容的形状为扇形、圆片形、圆弧形、或锥形。

本实用新型由于采用以上技术方案，以新颖、合理的方式将电容组合以检测惯性转子相对于待测物体的运动，并通过非接触方式传送该反映该运动的电容量信号至静止物体的测量装置。相比现有技术，本实用新型具有结构简单、成本低的特点，可用于转轴的扭振、纵振等振动测量，特别适用于动力装置运行的长期监测。

附图说明

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是本实用新型一实施例的电容-惯性转子测量运动物体振动的工作原理示意图。

图2是本实用新型一实施例的电容-惯性转子式扭振传感器原理示意图。

图3是本实用新型一实施例的电容-惯性转子式纵振传感器原理示意图。

图4是本实用新型一实施例的电容-惯性转子式扭振、纵振合一的传感器原理示意图。

图5是本实用新型的电容式扭振传感器应用实例。

图6是本实用新型的电容-惯性转子式扭振纵振传感器应用实例。

图7是本实用新型一实施例的半桥-空心套管式的电容-惯性转子式纵振传感器。

具体实施方式

图1是本实用新型一实施例的电容-惯性转子测量运动物体振动的工作原理示意图。参照图1(a)所示，在一个机械系统中存在一个静止物体1和一个运动物体2，该运动物体例如可因旋转运动可产生扭振、纵振。本实施例的传感器包括耦合电容11、可变电容12以及惯性转子13。

耦合电容11布置在静止物体1和运动物体2之间，其中电容位于静止物体1上的固定电极用于连接外接导线，运动电极布置在运动物体2上，实现电容耦合以无线传输电信号。

在本实施例中，耦合电容11的电容量基本不变。并且，耦合电容11可以布置两个、或更多。为了使耦合电容11的电容量基本不变，正确的形状和布置形式可以有补偿作用。电容的一对电极可制成环形。举例来说，圆的环形电极可以是：筒形、圆环板形、锥形等形状。筒形电极较少受电极相对纵向位移的影响。成对布置的圆环板形电极，对相反的位移有补偿作用。在另一实施例中，也可以以桥式布置达到良好的耦合效果。

一个中心转轴3支撑在运动物体的轴承5上。惯性转子13无间隙滑套在运动物体2的转轴3上，并通过弹性元件4与运动物体2弹性连接，由此形成基础输入振动的单自由度转动或窜动的振子。惯性转子13与作为支承系统的运动物体的相对运动，在低于共振频率下与加速度、角加速度成正比；在高于共振频率上与支承系统振动的位移、角位移成正比。

在旋转的惯性转子3、转轴3之间布置随扭振角度变化电容量的可变电容12。可变电容12的特点是随被测的扭振角、纵振位移等参量改变电容量。可变电容12可以是一个电容，也可以是多个电容的串、并联。在一实施例中，可变电容12可以是以桥式、半桥式布置。

可变电容12的电极可以是：扇形、圆片形、圆环形、锥形等形状。举例来说，转动扇形电极的夹角测量扭振的转角(参见图2所示)，变化圆片形电极的间距测量纵振等的位移(参见图3所示)。

参照图1(b)所示，当受牵动的弹性-惯性转子作消除了振动的平稳运动，并且作为测量参考体，与含有各种振动的旋转转轴3的相对运动时，驱动可变电容的电容量随测量振动的分量而变化。这一信号通过耦合电容11的无线传输，在静止物体1上能够直接得到随旋转角度或纵向相对振动变化的电容量。

在本实用新型的实施例中，传感器可以制成单一个振动信号的测量传感器，如扭振传感器、纵振传感器，也可制成多个、多种类型振动的组合传感器，如扭振纵振组合传感器。在本实用新型的实施例中，传感器可以制成中间型或轴端型。中间型传感器成环套形，套在被测旋转轴外，可以布置在旋转轴的中间任意位置，也可布置在旋转轴的末端。轴端型传感器的径向尺寸较小。

下面以描述本实用新型的传感器的几个具体的例子。

扭振传感器

图2示出电容-惯性转子式扭振传感器的原理示意图。参照图2(a)所示，在套在运动物体转轴3上并通过弹性元件4与运动物体连接的惯性转子13，以及转轴3之间布置两个可变电容12。

在本实施例中，可变电容12可为扇形电极电容。然而可变电容12还可选择如前所述的合适的其它形状。

在运动物体转轴3与静止物体(如外壳)之间布置两个耦合电容11。在本实施例中，耦合电容11可为环形电极电容，作为举例但不限制，环形可为筒形、圆环板形、锥形等形状。

图2(b)示出图2(a)的等效电路图。参照图2(b)所示，可变电容等效为两个电容C2-3、C3-2，耦合电容等效为两个电容C1-2，C2-1。从布置在静止外壳上的两个电容C1-2、C2-1的静止电极引出的两根导线得到四个电容等效的串联电容量Cn。

$\mathrm{Cn}=\frac{C_{2-3}*C_{3-2}*C_{2-1}+C_{1-2}*C_{3-2}*C_{2-1}+C_{1-2}*C_{2-3}*C_{2-1}+C_{1-2}*C_{2-3}*C_{3-2}}{C_{1-2}*C_{2-3}*C_{3-2}*C_{2-1}}---\left(1\right)$

纵振传感器

图3示出电容-惯性转子式纵振传感器原理示意图。参照图3(a)所示，在套在运动物体转轴3上并通过弹性元件4与运动物体连接的惯性转子13，以及转轴3之间布置可变电容12。在本实施例中，可变电容12可为平板电极电容。然而可变电容12还可选择如前所述的合适的其它形状。

静止物体(如外壳)1和转轴3间的耦合电容、惯性转子和静止外壳间的耦合电容用来传递纵振信号。在本实施例中，耦合电容11可为环形电极电容，作为举例但不限制，环形可为筒形、圆环板形、锥形等形状。

在本例中，转轴3与机器的旋转轴同样的纵向振动，而惯性转子13消除了纵振。转轴3和惯性转子13间随相对纵振变化而变化可变电容12的电极间距离，从而可变电容12的电容量正比纵振信号。

图3(b)示出图3(a)的等效电路图。参照图3(b)所示，可变电容等效为电容C2-3，耦合电容等效为两个电容C1-2，C3-1，在静止物体1上的两根导线得到组合电容的电容量Cz。

$\mathrm{Cz}=\frac{C_{2-3}*C_{3-1}+C_{1-2}*C_{3-1}+C_{1-2}*C_{2-3}}{C_{1-2}*C_{2-3}*C_{3-1}}---\left(2\right)$

扭振、纵振传感器

图4示出电容-惯性转子式扭振、纵振合一传感器原理示意图。参照图4(a)所示，在套在运动物体转轴3上并通过弹性元件4与运动物体连接的惯性转子13，以及转轴3之间布置两个可变电容12a，12b。在本实施例中，可变电容12a可为扇形电极电容，可变电容12b可为平板电极电容。

静止物体(如外壳)1和转轴3间的两个耦合电容11a，11b、惯性转子13和静止外壳间的耦合电容11c用来传递纵振信号。在本实施例中，耦合电容11可为环形电极电容，作为举例但不限制，环形可为筒形、圆环板形、锥形等形状。

图3(b)示出图3(a)的等效电路图。可以看出，本实施例构成扭振和纵振两个合一组合的传感器。在静止的外壳上三根导线分别得到测量扭振电容Cn和测量纵振电容Cz。

$\mathrm{Cn}=\frac{C_{2-3}*C_{3-1}+C_{1-2}*C_{3-1}+C_{1-2}*C_{2-3}}{C_{1-2}*C_{2-3}*C_{3-1}}---\left(3\right)$

$\mathrm{Cz}=\frac{C_{3-2}*C_{2-1}+C_{3-1}*C_{2-1}+C_{3-1}*C_{3-2}}{C_{3-1}*C_{3-2}*C_{2-1}}---\left(4\right)$

本领域技术人员可以理解，在其它实施例中，传感器还可以做成多路、多种信号合成的传感器，在此不再一一举例。

下面例举一个在实际机械系统中安装本实用新型的传感器的应用例。

图5本实用新型的电容-惯性转子式扭振传感器的应用例。如图5所示，静止外壳101与机器轴承连接固定不动，中心转轴102通过中心的螺钉与被测扭振的转轴连接并一起转动。惯性转子103通过滚珠套在中心转轴102上，弹性元件104使惯性转子103跟随中心转轴102的平均转速旋转，它们之间的转角差就是扭振转角。惯性转子103与中心转轴102两端布置的扇形电极105的可变电容量正比扭振转角。四片环形电极106布置在静止外壳101与中心转轴102之间的两对端面间，环形电极106间的固定电容量与扇形电极105间的可变电容量串联，在导线107的两静止不动的输出端得到随扭振角度变化的整体的合成电容量。

图6是本实用新型的电容-惯性转子式扭振纵振传感器应用例。在图6所示结构中，201是静止外壳，202是(纵振可变电容的)环形电极，203是(耦合电容的)筒形电极，204是弹性连接元件，205是(扭振可变电容的)扇形电极，206是惯性转子，207是外壳盖板，208是导线。其中，引出导线Cz和Com两端测量纵振信号；Cn和Com两端测量扭振信号。

图7为本实用新型一实施例的半桥-空心套管式的电容-惯性转子式纵振传感器，空心套管式样适用于旋转轴的中间位置的振动测量。桥式线路布置可提高耦合电容电容量的稳定性。在图7(a)和图7(b)所示结构中，301是静止外壳，302是(耦合电容的)筒形电极，303是(可变电容的)环形电极，304是弹性连接元件，305是惯性转子，305是惯性转子盖板，307是外壳盖板，308是空心套管。图7(c)显示传感器内部线路图，Ca、Cb、Cc是传感器对外部的接线端子。图7(d)显示传感器及外部辅助电容桥式连接线路图。

综上所述，本实用新型的传感器仅通过组合多个电容以及设置惯性转子即可实现扭振、纵振等运动形式的测量，具有结构简单、成本低的特点。

运用本实用新型的传感器，利用现有的普通的电容动态测量仪，通过静止电极引出的两根导线，即可通过测量电容量进行扭振或其它振动信号的测量。

本实用新型可用于转轴的扭振或其它振动的测量，特别适用于动力装置运行的长期监测。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种旋转轴振动传感器，用于测量一运动物体的振动，其特征在于所述传感器包括：

惯性转子，滑套在该运动物体上的一转轴上，并通过一弹性元件与该运动物体连接；

可变电容，其两个电极板设置在该转轴与该惯性转子之间，该可变电容的电容量随该惯性转子相对该运动物体的扭振角度和/或纵向相对振动改变；以及

耦合电容，将该可变电容耦合到一静止物体，用以非接触地传送该可变电容的电容量至该静止物体。

2.如权利要求1所述的旋转轴振动传感器，其特征在于，

该可变电容包括两个扇形电极电容，其电容量随该惯性转子相对该运动物体的扭振角度改变；

该耦合电容包括两个环形电极电容，分别设置在该转轴与该静止物体之间；

其中所述两个扇形电极电容与所述两个环形电极电容串联。

3.如权利要求1所述的旋转轴振动传感器，其特征在于，

该可变电容包括平板电极电容，其电容量随该惯性转子相对该运动物体的纵向相对振动改变；

该耦合电容包括两个环形电极电容，分别设置在该转轴与该静止物体之间、以及该惯性转子与该静止物体之间；

其中该平板电极电容与两个环形电极电容串联。

4.如权利要求1所述的旋转轴振动传感器，其特征在于，

该可变电容包括电容量随该惯性转子相对该运动物体的扭振角度改变的扇形电极电容，以及电容量随该惯性转子相对该运动物体的纵向相对振动改变的平板电极电容；

该耦合电容包括三个环形电极电容，其中两个环形电极电容分别设置在该转轴与该静止物体之间，另一环形电极电容设置在该惯性转子与该静止物体之间。

5.如权利要求1所述的旋转轴振动传感器，其特征在于，该耦合电容耦合到该静止物体的那一电极板通过导线连接到电容测量仪。

6.如权利要求1所述的旋转轴振动传感器，其特征在于，该耦合电容的形状为筒形、圆环板形或锥形。

7.如权利要求1所述的旋转轴振动传感器，其特征在于，该可变电容的形状为扇形、圆片形、圆弧形、或锥形。

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