CN102854336B - 采用静电传感器测量旋转体转速的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于转速测量技术范围的一种采用静电传感器测量旋转体转速的装置及方法。该方法是在被测旋转部件附近安置一个单静电传感器电极或双静电传感器电极，感应所在位置处旋转物体的转动信息；静电传感器电极经信号调理单元和信号处理单元串联至微处理器，静电信号由调理单元放大、滤波，经信号处理单元送入微处理器，由微处理器对静电信号进行相关分析计算，最终得到被测旋转物体的转速。相比于现有的转速测量装置，该装置结构简单、成本极低、安装方便，不受被测部件尺寸大小的限制，不易受环境因素的影响，属于非接触测量，且具有较高的准确性。

Description

采用静电传感器测量旋转体转速的装置及方法

技术领域

本发明属于转速测量技术范围，特别涉及一种采用静电传感器测量旋转体转速的装置及方法。

背景技术

转速是反映旋转设备运行状况的重要参数之一。转速测量技术广泛应用于工业领域中发电机、电动机、离心机、机床主轴等旋转设备的试验运转及速度调节***中。转速测量精度、灵活性、实时性和可靠性是保障高速旋转设备正常运行的关键。因此，寻找一种精确、快速、经济且普遍适用的转速测量方法有着重要的现实意义。目前使用的转速测量装置主要有离心式转速表、光电式转速表、磁电式转速表等。其中，离心式转速表属于接触式测量，结构复杂，测量精度不高；光电式转速表容易受外界光源干扰和振动干扰，且易受到恶劣环境的影响；磁电式转速表对温度变化较为敏感。现有的转速测量装置均存在一定的局限性，很难满足不同条件下大型旋转设备和小型旋转体的精确测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用静电传感器测量旋转体转速的装置及方法，其特征在于，所述采用静电传感器测量旋转体转速的装置的组成为：静电传感器电极A或静电传感器电极A和静电传感器电极B安置在被测旋转物体2附近，感应所在位置处旋转物体的转动信息；静电传感器电极1的输出经信号调理单元4和信号处理单元5串联至微处理器1的输入端，由微处理器1对静电信号进行相关分析计算，最终得到被测旋转物体的转速。

所述静电传感器电极表面附有绝缘材料3。

所述微处理器由自相关分析模块和互相关分析模块分别连接转速计算模块构成，信号处理单元5的输出分别连接自相关分析模块和互相关分析模块的输入。

所述静电传感器电极为细条状，在转轴截面转动方向，电极宽度一般为1-3mm；在转轴的轴向，电极长度一般为10-30mm。

所述静电传感器电极个数为1个或2个；如果是2个电极，其中心间距为2-10mm。

所述静电传感器电极由不锈钢或铜片制成，电极绝缘材料为聚氯乙烯、环氧树脂或聚基酰胺。

所述采用静电传感器测量旋转体转速的方法，该方法是以单静电传感器电极或双静电传感器电极的转速测量装置安置在被测旋转物体附近，是利用被测旋转物体表面与空气介质的相对运动而产生静电荷；当旋转物体经过传感器时，在静电传感器电极上产生感应电荷，静电传感器电极将感应电荷放大，经过信号调理、处理后，进行自相关和互相关分析计算，最终得到旋转物体的转速；此方法属于非接触式测量；采用单静电传感器电极或双静电传感器电极的转速测量原理分别叙述如下：

采用单静电传感器电极测转速时，利用代表着不同位置转动信息的静电信号，经信号调理、处理后进行相关分析计算得到旋转物体的转速，微处理器最终输出的转速RPM为：

$\mathrm{RPM}=\frac{60}{T}---\left(1\right)$

$R_{11}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_1(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}---\left(2\right)$

其中，X₁(k) (k=0,1,2,…,N-1,…,N+M-1)表示等间隔离散化的静电信号X₁(t)，k为静电信号的采样点，N为采样点数，M 为延时点数m(m=0,1,…,M)的最大值。R₁₁(m)为X₁(k)的归一化自相关函数，T为旋转周期，是R₁₁(m)中第一个非零峰值点对应的时间值。

所述双静电传感器电极测转速法利用相关计算的结果分析得到被测物体的旋转方向，包括正向和反向；采用双静电传感器电极测转速时，微处理器最终输出的转速RPM为：

$\mathrm{RPM}=\frac{r_{11}{\mathrm{RPM}}_{11}+r_{22}{\mathrm{RPM}}_{22}+r_{12}{\mathrm{RPM}}_{12}}{r_{11}+r_{22}+r_{12}}---\left(3\right)$

${\mathrm{RPM}}_{11}=\frac{60}{T_1}---\left(4\right)$

${\mathrm{RPM}}_{22}=\frac{60}{T_2}---\left(5\right)$

${\mathrm{RPM}}_{12}=\frac{60v}{\mathrm{\πd}}=\frac{60L}{\mathrm{\πd\τ}}---\left(6\right)$

$R_{11}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_1(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}---\left(7\right)$

$R_{22}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2\left(k\right)X_2(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}---\left(8\right)$

$R_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}\right)}---\left(9\right)$

其中，RPM₁₁、RPM₂₂分别为由离散化的静电信号X₁(k)、X₂(k)得到的转速；R₁₁(m)、R₂₂(m)分别为X₁(k)、X₂(k)的归一化自相关函数。T₁、T₂分别为由X₁(k)、X₂(k)得到的旋转周期，即R₁₁(m)、R₂₂(m)第一个非零峰值点对应的时间值r₁₁、r₂₂分别为X₁(k)、X₂(k)的自相关系数，即R₁₁(m)、R₂₂(m)的第一个峰值高度。

RPM₁₂为由信号X₁(k)和X₂(k)得到的转速，d为被测旋转部件的外径，v为由X₁(k)和X₂(k)得到的线速度，L为相邻两电极中心之间的弧长，R₁₂(m)为X₁(k)和X₂(k)的归一化互相关函数。τ为被测旋转部件从电极1转到电极2的时间，也是R₁₂(m)的渡越时间，即峰值点对应的时间值。r₁₂为X₁(k)和X₂(k)的互相关系数，即R₁₂(m)的峰值高度。

本发明有益效果是：本发明属于非接触式测量，避免了机械磨损，结构简单，体积小、重量轻和安装容易的静电传感器对旋转部件感应实时监测转速、成本极低，不受被测物体尺寸大小的限制，可以测量大型旋转设备或者小型旋转体，而且适用于恶劣的环境条件，特别是在相对高转速情况下，可以快速、准确地测量转速。静电传感器直接获取旋转部件表面的静电信息，通过信号调理、处理单元减小背景噪声对有用信号的影响；其次，利用信号自相关和互相关原理建立静电信号与转速的数学模型，得到实时、可靠的旋转部件转速；适用于大型旋转设备或者微小旋转体的转速测量。

附图说明

图1为基于双静电传感器电极的转速测量装置结构及测量原理示意图。

图中：A或B—静电传感器电极，1.微处理器，2.被测旋转部件，3.电极绝缘材料，4.信号调理单元，5.信号处理单元.

图2为被测旋转物体轴向示意图。

具体实施方式

本发明提供一种采用静电传感器测量旋转体转速的装置及方法。下面结合附图和实施例对本发明予以说明如下：

图1所示为基于双静电传感器电极的转速测量装置结构及测量原理示意图。图中，静电传感器电极A或静电传感器电极A和静电传感器电极B安置在被测旋转物体2附近，感应所在位置处旋转物体的转动信息；在静电传感器电极表面附有绝缘材料3。静电传感器电极的输出经信号调理单元4和信号处理单元5串联至微处理器1的输入端；所述微处理器由自相关分析模块和互相关分析模块分别连接转速计算模块构成，信号处理单元5的输出分别连接自相关分析模块和互相关分析模块的输入。由微处理器1对静电信号进行相关分析计算，最终得到被测旋转物体的转速。静电传感器电极为细条状（如图1、2中A、B所示），在转轴截面转动方向，电极宽度一般为1-3mm。在转轴的轴向，电极长度一般为10-30mm。静电传感器电极感应所在位置处旋转部件的转动信息。静电传感器电极个数为1个（单静电传感器电极）或2个（双静电传感器电极）。如果是2个电极，其中心间距为2-10mm。静电传感器电极由不锈钢或铜片制成，在其表面涂覆电极绝缘材料为聚氯乙烯、环氧树脂或聚基酰胺。静电信号通过信号调理单元4进行放大、滤波后，经信号处理单元5送入微处理器6对静电信号进行相关分析计算，最终得到被测旋转部件的转速。采用双静电传感器电极测转速时利用相关计算的结果分析得到被测部件的旋转方向（正向/反向）。

采用单静电传感器电极或双静电传感器电极的转速测量原理分别叙述如下：

采用单静电传感器电极测转速时，利用代表着不同位置转动信息的静电信号，经信号调理、处理后进行相关分析计算得到旋转物体的转速，微处理器最终输出的转速RPM为：

$\mathrm{RPM}=\frac{60}{T}---\left(1\right)$

$R_{11}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_1(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}---\left(2\right)$

其中，X₁(k) (k=0,1,2,…,N-1,…,N+M-1)表示等间隔离散化的静电信号X₁(t)，k为静电信号的采样点，N为采样点数，M 为延时点数m(m=0,1,…,M)的最大值。R₁₁(m)为X₁(k)的归一化自相关函数。T为旋转周期，也是R₁₁(m)中第一个峰值点（非零点）对应的时间值。

采用双电极静电传感器测转速时，微处理器最终输出的转速RPM为：

$\mathrm{RPM}=\frac{r_{11}{\mathrm{RPM}}_{11}+r_{22}{\mathrm{RPM}}_{22}+r_{12}{\mathrm{RPM}}_{12}}{r_{11}+r_{22}+r_{12}}---\left(3\right)$

${\mathrm{RPM}}_{11}=\frac{60}{T_1}---\left(4\right)$

${\mathrm{RPM}}_{22}=\frac{60}{T_2}---\left(5\right)$

${\mathrm{RPM}}_{12}=\frac{60v}{\mathrm{\πd}}=\frac{60L}{\mathrm{\πd\τ}}---\left(6\right)$

$R_{11}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_1(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}---\left(7\right)$

$R_{22}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2\left(k\right)X_2(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}---\left(8\right)$

$R_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}\right)}---\left(9\right)$

其中，RPM₁₁、RPM₂₂分别为由离散化的静电信号X₁(k)、X₂(k)得到的转速。R₁₁(m)、R₂₂(m)分别为X₁(k)、X₂(k)的归一化自相关函数。T₁、T₂分别为由X₁(k)、X₂(k)得到的旋转周期，即R₁₁(m)、R₂₂(m)第一个峰值点（非零点）对应的时间值。r₁₁、r₂₂分别为X₁(k)、X₂(k)的自相关系数，即R₁₁(m)、R₂₂(m)的第一个峰值高度。

RPM₁₂为由信号X₁(k)和X₂(k)得到的转速，d为被测旋转部件的外径，v为由X₁(k)和X₂(k)得到的线速度。L为相邻两电极中心之间的弧长，R₁₂(m)为X₁(k)和X₂(k)的归一化互相关函数。τ为被测旋转部件从电极1转到电极2的时间，也是R₁₂(m)的渡越时间，即峰值点对应的时间值。r₁₂为X₁(k)和X₂(k)的互相关系数，即R₁₂(m)的峰值高度。

Claims (1)

1.一种采用静电传感器测量旋转体转速的方法，其特征在于，所述采用静电传感器测量旋转体转速的方法，该方法是以单静电传感器电极或双静电传感器电极的转速测量装置安置在被测旋转物体附近，是利用被测旋转物体表面与空气介质的相对运动而产生静电荷；当旋转物体经过传感器时，在静电传感器电极上产生感应电荷，静电传感器电极将感应电荷放大，经过信号调理、处理后，进行自相关和互相关分析计算，最终得到旋转物体的转速；此方法属于非接触式测量；采用单静电传感器电极或双静电传感器电极的转速测量原理分别叙述如下：

采用单静电传感器电极测转速时，利用代表着不同位置转动信息的静电信号，经信号调理、处理后进行相关分析计算得到旋转物体的转速，微处理器最终输出的转速RPM为：

$\mathrm{RPM}=\frac{60}{T}---\left(1\right)$

$R_{11}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_1(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}---\left(2\right)$

其中，X₁(k)(k=0,1,2,…,N-1,…,N+M-1)表示等间隔离散化的静电信号X₁(t)，k为静电信号的采样点，N为采样点数，M为延时点数m(m=0,1,…,M)的最大值；R₁₁(m)为X₁(k)的归一化自相关函数，T为旋转周期，是R₁₁(m)中第一个非零峰值点对应的时间值；

所述双静电传感器电极测转速法利用相关计算的结果分析得到被测物体的旋转方向，包括正向和反向；采用双静电传感器电极测转速时，微处理器最终输出的转速RPM为：

$\mathrm{RPM}=\frac{r_{11}{\mathrm{RPM}}_{11}+r_{22}{\mathrm{RPM}}_{22}+r_{12}{\mathrm{RPM}}_{12}}{r_{11}+r_{22}+r_{12}}---\left(3\right)$

${\mathrm{RPM}}_{11}=\frac{60}{T_1}---\left(4\right)$

${\mathrm{RPM}}_{22}=\frac{60}{T_2}---\left(5\right)$

${\mathrm{RPM}}_{12}=\frac{60v}{\mathrm{\πd}}=\frac{60L}{\mathrm{\πd\τ}}---\left(6\right)$

$R_{11}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_1(k+m)}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}---\left(7\right)$

$R_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}\right)}---\left(9\right)$

其中，RPM₁₁、RPM₂₂分别为由离散化的静电信号X₁(k)、X₂(k)得到的转速；R₁₁(m)、R₂₂(m)分别为X₁(k)、X₂(k)的归一化自相关函数；T₁、T₂分别为由X₁(k)、X₂(k)得到的旋转周期，即R₁₁(m)、R₂₂(m)第一个非零峰值点对应的时间值，r₁₁、r₂₂分别为X₁(k)、X₂(k)的自相关系数，即R₁₁(m)、R₂₂(m)的第一个峰值高度；其中，RPM₁₂为由信号X₁(k)和X₂(k)得到的转速，d为被测旋转部件的外径，v为由X₁(k)和X₂(k)得到的线速度，L为相邻两电极中心之间的弧长，R₁₂(m)为X₁(k)和X₂(k)的归一化互相关函数；τ为被测旋转部件从第一静电传感器电极（1）转到第二静电传感器电极（2）的时间，也是R₁₂(m)的渡越时间，即峰值点对应的时间值；r₁₂为X₁(k)和X₂(k)的互相关系数，即R₁₂(m)的峰值高度。

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