一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法技术

一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法，在被测转子外固定标准测量条码，标准测量条码是由两种不同反射率的材料形成具有特定规律的条码，在被测转子的径向布置光电传感器，光电传感器对准所述标准测量条码的中心，并以此时传感器中心组成的平面为基准平面，测量及计算该转子相对此基准平面的轴向位移、转速以及倾斜角度；本发明专利技术通过固定在待测转子外的标准测量条码以及径向布置的光电传感器测量转动轴的轴向位移，不但可以在不增加轴向长度的情况下测量转动轴的轴向位移、转速和偏斜状态，而且安装方便，无需对待测轴进行加工改造，大大提高了适用性。

Radial integrated measuring method for rotor axial displacement, rotation speed and inclination angle

The radial integration method for measuring axial displacement of rotor, rotating speed and inclination angle, the measured rotor fixed standard measuring bar code, bar code is formed with a specific measurement standard of barcode by two kinds of reflective materials in the radial arrangement of the photoelectric sensor measured the rotor center, photoelectric sensor is aligned with the standard of measuring bar the plane, and in this sensor center consists of datum plane, measurement and calculation of the rotor axial displacement, relative to the datum plane speed and tilt angle; the standard bar code measurement is fixed in the rotor to be measured outside and the photoelectric sensor to measure the radial direction of the rotating shaft axial displacement, can not only measure the axial displacement speed, tilt and the axis of rotation of the state does not increase the axial length, and convenient installation, no need to test the axis Processing and transformation, greatly improve the applicability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器技术和间隙或位移测量
，特别涉及一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法。
技术介绍
旋转机械向高速、高精度的方向发展，对转子的运转状态监测要求不断提高。转子的轴向位移是反应转子及整个机械系统运转状态的关键指标之一：机床主轴转子轴向位移的大小关乎加工的精度；电磁轴承转子需要通过测量转子的轴向位移信息进行控制，否则将造成转子无法平衡，甚至造成更加严重的后果。对高速转子轴向位移进行测量的场合，通常要求进行非接触测量。转子非接触式位移测量通常采用电涡流位移传感器或电容位移传感器。电涡流位移传感器测量转子轴向位移的常用方法是将传感器正对转子端部(如图1)，或者正对设置在转子上的止推盘(如图2)，当转子产生轴向位移时，由于涡流效应，传感器探头将感应到位移变化，实现位移测量。这种测量方法的主要问题为：图1中的方法会增加轴向长度，且还有可能由于转子的径向位置变化使测量结果不能真实反映转子的轴向位移；图2中的测量方法中，止推盘的装配偏斜或者表面偏斜时，即使转子不产生轴向位移，位移传感器的输出也会随着转子的旋转而产生波动。在转子尺寸较大时，即使止推盘偏斜角度很小也会引起较大的波动量，从而严重影响转子的轴向位移测量精度。目前，为了缩减转子的轴向尺寸，发展了许多径向测量转子轴向位移的方法，其主要思路是将电涡流传感器置于转子的径向，同时在转子表面设置由不同材料的组成的测量环，利用电涡流传感器对材料敏感的特性来反映转子的轴向位移。这种方法可以一定程度上降低前述轴向测量方法的误差，提高测量精度。但是，这些方法需要对转子进行较大程度的改造，而且容易受到电磁干扰，在恶劣环境中抗干扰能力较差。因此，迫切需要新的轴向位移测量方法，在尽量不改变转子原有结构的基础上，提高测试精度及抗干扰性能。专利US20090052825A1使用金属或磁性材料制作而成的编码盘固定在转子上，条码在圆盘表面均匀分布，而且形状为“V”字形，随转子一起旋转，但需要对转子进行结构上的改动，增加结构复杂度。传感器只能采用霍尔传感器或涡流传感器，径向距离必须在一定的范围内，而且此范围对于高精度传感器很小。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法，能够解决转子轴向空间受限的情况下对轴向位移的测量问题，同时能够解决现有的轴向位移径向测量方法中电涡流传感器抗干扰能力差、对材料敏感且安装结构复杂使用不便的问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法，包括以下步骤：(1)将标准测量条码8粘贴在待测转子7上，并随待测转子7一起运动，所述的标准测量条码8的表面展开图为两种不同反射率的材料(8a，8b)形成交替出现的等腰三角形，标准测量条码的接口处为矩形条码；(2)在垂直于待测转子7轴线的平面内均匀布置多个光电传感器9，光电传感器9在测试标准测量条码8上不同反射率的条码时输出高低电平；(3)以光电传感器9所在的初始平面为基准平面，根据光电传感器9输出的信号进行信号微分、边缘检测及结果计算显示模块，同时得到待测转子7的轴向位移、转速及倾斜角度。所述的步骤(3)具体为：当4个光电传感器9a、9b、9c、9d的中心与待测转子7的轴心重合，且待测转子7的轴线与4个光电传感器9所在的平面垂直时，待测转子7与光电传感器9处于初始平面位置，此时待测转子7绕其轴线进行旋转时，4个光电传感器9a、9b、9c、9d输出相应的随时间变化的高低电平——光电传感器9对准强反射率条码8b时输出高电平，对准弱反射率条码8a时输出低电平；定义脉冲宽度比率：其中，t1是一个信号周期内的高电平持续时间，t2是所对应的方波信号周期；当待测转子7的轴向位置不发生变化时，Rd为恒定值，当待测转子7产生轴向位移z时，Rd变化为R′d，并且满足以下公式：当任意两个光电传感器9对应标准测量条码8上的弧长为l时，两个传感器之间的输出信号的相位差：其中，％为取余数运算，n为弱反射率条码8a和强反射率条码8b的三角形条码总数量。根据相邻两个光电传感器9相位差的变化量可以得到偏心距：其中，R为标准测量条码8的半径，w为标准测量条码8宽度；如果光电传感器9所在平面的法线与待测转子7的轴心线具有一定的夹角α，通过两个相对光电传感器9的脉冲宽度比率可以计算转动轴的偏角正切值即倾斜角度：其中，Rda为其中一个光电传感器9a输出信号的脉冲宽度比率，Rdc为与光电传感器9a相对设置的光电传感器9c输出信号的脉冲宽度比率；根据光电传感器9输出信号的脉冲宽度比率，计算得待测转子7的轴向位移：其中，Rda、Rdb、Rdc、Rdd分别为四个光电传感器9a，9b，9c，9d输出信号的脉冲宽度比率；待测转子7的转速n通过脉冲信号的周期进行计算，或者使用四个光电传感器9的计算结果进行平均的方法，计算公式为：其中，t2a、t2b、t2c、t2d分别为四个光电传感器9a，9b，9c，9d输出信号的周期。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术中的标准测量条码可以在待测轴上很方便的粘贴固定，无需对待测转子进行重新加工和特殊结构设计，大大扩展了此方法的适用范围。(2)本专利技术不同于现有技术—轴向放置位移传感器，而是采用光电传感器置于转子的径向进行测量，提高测试精度的同时，可以在轴向空间较小的情况下实现转子轴向位移的精确测量。(3)本专利技术中使用多个光电传感器对信号进行采集，具有很好的抗电磁干扰能力，同时线性度好，克服了传统电涡流方法对材料敏感，更换测试对象时需要重新标定的困难。(4)本专利技术的轴向位移测量方法，可以同时得到转子的转速及倾斜角度，可以在监测转子轴向位移的同时获得转子的运转状态信息，为使用者的轴向位移测量结果提供必要的状态数据，具有集成化的测试功能。附图说明图1为现有技术检测轴向位移的一个实施例的结构示意图；图2为现有技术检测轴向位移的另一个实施例的结构示意图；图3为本专利技术轴向位移检测装置的一个实施例的结构示意图；图4为本专利技术的标准测量条码的结构示意图；图5为本专利技术的标准测量条码的表面展开图；图6为本专利技术一个实施例中转子与传感器处于初始位置时测量原理示意图，其中图6a为左视图，图6b为主视图，图6c为产生轴向位移前后光电传感器9输出的脉冲信号，图6d为产生轴向位移前后计算得相位差比率和相位差变化曲线；图7为本专利技术一个实施例中转子轴心产生移动时的测量原理示意图，其中图7a为左视图，图7b为主视图，图7c为产生轴向位移前后光电传感器9输出的脉冲信号，图7d为产生轴向位移前后计算得相位差比率和相位差变化曲线；图8为本专利技术一个实施例中转子产生偏斜时的测量原理示意图，其中图8a为左视图，图8b为条码展开图，图8c为产生轴向位移前后光电传感器9输出的脉冲信号，图8d为产生轴向位移前后计算得相位差比率和相位差变化曲线；附图中各部件的标记如下：1、待测转子1；2、止推盘；3、电涡流传感器1；4、待测转子2；5、传感器固定座；6、电涡流传感器2；7、待测转子；8、标准测量条码；9、光电传感器；10、信号处理单元。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将标准测量条码8固定在待测转子7上，并随待测转子7一起运动，所述的标准测量条码8的表面展开图为两种不同反射率的材料(8a，8b)形成交替出现的等腰三角形，标准测量条码的接口处为矩形条码；(2)在垂直于待测转子7轴线的平面内均匀布置多个光电传感器9，光电传感器9在测试标准测量条码8上不同反射率的条码时输出高低电平；(3)以光电传感器9所在的初始平面为基准平面，根据光电传感器9输出的信号进行信号微分、边缘检测及结果计算显示模块，同时得到待测转子的轴向位移、转速及倾斜角度。

【技术特征摘要】
1.一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将标准测量条码8固定在待测转子7上，并随待测转子7一起运动，所述的标准测量条码8的表面展开图为两种不同反射率的材料(8a，8b)形成交替出现的等腰三角形，标准测量条码的接口处为矩形条码；(2)在垂直于待测转子7轴线的平面内均匀布置多个光电传感器9，光电传感器9在测试标准测量条码8上不同反射率的条码时输出高低电平；(3)以光电传感器9所在的初始平面为基准平面，根据光电传感器9输出的信号进行信号微分、边缘检测及结果计算显示模块，同时得到待测转子的轴向位移、转速及倾斜角度。2.根据权利要求1所述的一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体为：当4个光电传感器9a、9b、9c、9d的中心与待测转子7轴心重合，且待测转子7的轴线与四个光电传感器9所在的平面垂直时，待测转子7与光电传感器9处于初始平面位置，此时待测转子7绕其轴线进行旋转时，四个光电传感器9a、9b、9c、9d输出相应的随时间变化的高低电平——光电传感器9对准强反射率条码8b时输出高电平，对准弱反射率条码8a时输出低电平；定义脉冲宽度比率：Rd=t1t2]]>其中，t1是一个信号周期内的高电平持续时间，t2是所对应的方波信号周期；当待测转子7的轴向位置不发生变化时，Rd为恒定值，当待测转子7产生轴向位移z时，Rd变化为R′d，并且满足以下公式：z=w·tanθ2(Rd′-Rd);]]>当任意两个光电传感器9对应标准测量条码8...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱永生，闫柯，张进华，曹鹏辉，熊莹，严小云，王方哲，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61