CN112230012A - 一种瞬时波动转速测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种瞬时波动转速测量装置及方法，包括协同转速传感器、传感器信号采集设备、传感器支架，传感器支架上设置弧形的角度刻度尺，协同转速传感器安装在角度刻度尺上，协同转速传感器与协同转速传感器之间存在相对角度，协同转速传感器均连接传感器信号采集设备，协同转速传感器对准被测结构的回转轴线，被测结构上安装协同转速传感器对应的反光片。本发明有效的解决了传统转速传感器采集瞬时转速波动时时间分辨率不足的问题，应用场合较传统传感器更为宽泛，更适合对细小旋转结构的瞬时波动转速进行测试。可以根据实际测试需求选择不同工作原理的计数式转速传感器作为本发明的协同传感器，拓宽了本发明的使用场景和应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种转速测量装置及其测量方法。
背景技术
转速传感器的种类繁多，按照测量原理可以分为模拟法、计数法和同步法；按变换方式又可分为机械式、电气式、光电式和频闪式。随着振动监测需求的不断提高，越来越多的场合需要对瞬时转速波动进行高精度的采集。
现有阶段，在高精度转速测量领域有文献指出目前的单频激光多普勒测速装置存在着直流漂移，抗干扰力差的缺陷([1]张艳艳,巩轲,何淑芳,等.激光多普勒测速技术进展[J].激光与红外,2010,40(11):1157-1162.)；正交偏振双频激光多普勒测速仪不存在直流漂移，抗干扰力强，但是，它的测速上限受限于所采用双频激光器的频差，无法满足对高速运动物体进行速度测量的需求；另外，另一篇文献中指出多普勒信号的信噪比随测试对象的速度而变化，速度越高，信噪比越低([1]胡海龙.高精度信号处理技术在激光多普勒测速中的应用研究[D].电子科技大学,2006.)。
目前光电计数式转速传感器也是经常被用到的一种传感器。此类传感器的工作原理是在被测部件上安装多个间隔相同的反光片或反光贴纸，然后通过计算单位时间内反光片或反光贴纸经过传感器光感探头的次数来计算被测物体的转速。虽然这种传感器有结构简单、没有转矩损失的优点，但是为了增加该类传感器的转速时间分辨率，需要在被测物体上均匀粘贴多个反光片或反光贴纸作为转角标记，受限于反光片或反光贴纸的物理尺寸限制，反光部件在直径较细的转动部件上的安装个数常常难以满足测试需求。这种情况也同样出现在其他形式的计数式转速传感器的使用过程中。
专利“多传感器比较型转速试验***及方法”虽然同样使用多个传感器进行对转速信号的测量，但是使用多个传感器的目的是通过比较不同类型的转速传感器的转速信号来选择合适当前测试场合的转速传感器，测试精度受限于被选出的来的传感器性能，并不能提高瞬时波动转速采集的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供可以有效的提高瞬时转速测试过程中的时间分辨率，使得瞬时波动转速测量精度不再受限于单个传感器性能的一种瞬时波动转速测量装置及方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种瞬时波动转速测量装置，其特征是：包括协同转速传感器、传感器信号采集设备、传感器支架，传感器支架上设置弧形的角度刻度尺，协同转速传感器安装在角度刻度尺上，协同转速传感器与协同转速传感器之间存在相对角度，协同转速传感器均连接传感器信号采集设备，协同转速传感器对准被测结构的回转轴线，被测结构上安装协同转速传感器对应的反光片。
本发明一种瞬时波动转速测量方法，其特征是：
(1)在被测结构上安装或粘贴传感器对应的反光片；
(2)安装协同转速传感器于传感器支架上，通过读取固定支架上刻度，计算并记录协同传感器间的相对位置夹角
(3)调整传感器支架位置，使得安装于传感器支架上的协同传感器对准被测结构的回转轴线，协同传感器于反光片位于同一平面内；
(4)连接协同传感器于同一信号采集仪，保证协同传感器间同时采集转速信号；
(5)启动被测结构，使被测结构开始旋转，协同传感器开始采集转速信号；
(6)对所有协同传感器的转速信号进行合并处理；
(7)对采集得到的瞬时波动转速进行分析，如若进行时频转换操作，使用离散傅里叶变换技术进行处理。
本发明一种瞬时波动转速测量方法还可以包括：
1、协同传感器通过识别正对位置处的明暗变化情况来判断被测结构的转动状态；当协同转速传感器正对非反光片时，传感器输出信号为低电位信号；当传感器正对反光片时，传感器输出信号为高电位信号；被测结构的旋转导致等间距的反光部件与非反光部件依次循环经过协同转速传感器正前方，协同转速传感器通过记录正前方第i个反光部件消失的时刻信息ti，然后比较下一次反光部件出现的时刻信息ti+1，得到相邻两个反光部件经过时间差Δt＝ti+1-ti，故两个反光片经过传感器前对应被测结构转过的角度值为2π/n，n为反光部件的个数，通过公式ω瞬时＝2π/[n(ti+1-ti)]计算得到两个反光片经过协同转速传感器前的时间内的平均转速，重复上述计算过程直至完成拟定次数，得到近似的瞬时转速测量结果。
本发明的优势在于：本发明有效的解决了传统转速传感器采集瞬时转速波动时时间分辨率不足的问题，并且，本发明的应用场合较传统传感器更为宽泛，更适合对细小旋转结构的瞬时波动转速进行测试。另外，本发明对协同传感器类型无特殊要求，可由任意类型的具备同时机测量功能的计数式转速传感器组成，可以根据实际测试需求选择不同工作原理的计数式转速传感器作为本发明的协同传感器，拓宽了本发明的使用场景和应用领域。
附图说明
图1为本发明的整体机构示意图；
图2为本发明中协同传感器的安装示意图；
图3为协同传感器工作原理示意图；
图4为协同传感器输出信号示意图；
图5为单个协同传感器采集信号结果示意图；
图6为本发明采集信号结果示意图；
图7为传统传感器与本发明采集信号结果对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-7，本发明包括多个协同转速传感器2、4、5、反光片6、带有角度刻度的传感器支架1、传感器信号采集设备3组成，被测结构7为被测装置上做旋转运动的对应结构。本发明所使用的协同转速传感器需要为计数式转速传感器，但是协同传感器的个数没有限制；理论上，协同转速传感器个数越多，瞬时波动转速采集精度是呈倍数提高的。本发明以协同转速传感器为计数式的反射式光电转速传感器为例进行相关技术方案的介绍，本发明所需要使用的协同转速传感器并不局限为反射式光电转速传感器，而是包括变磁阻式转速传感器、霍尔式转速传感器在内的大部分计数式转速传感器。
本发明以协同传感器为反光式的计数式转速传感器为例进行操作步骤的描述。
步骤一：在被测结构上安装或粘贴传感器对应的反光部件，如果协同传感器并非为反光式的计数式转速传感器，则需要依照其他计数式转速传感器的测试需求在被测结构上安装对应的测试所需部件(例如磁敏式转速传感器需要被测结构上安装磁性齿轮，直射式光电转速传感器需要安装开孔圆盘)。
步骤二：安装协同转速传感器于固定支架上，通过读取固定支架上刻度，计算并记录协同传感器间的相对位置夹角
如附图2所示。
步骤三：调整固定支架位置，使得安装于固定支架上的协同传感器对准被测结构的回转轴线；协同传感器于反光部件位于同一平面内。
步骤四：连接协同传感器于同一信号采集仪，保证协同传感器间同时采集转速信号。
步骤五：启动被测装置，使被测结构开始旋转，协同传感器开始采集转速信号。
步骤六：对多个协同传感器的转速信号进行合并处理。
步骤七：对采集得到的瞬时波动转速进行分析，如若进行时频转换操作，由于采集信号的数据点间的间隔由于协同传感器间距并非均等，故采集得到的瞬时波动转速的数据点间隔并非完全均布，故需要使用离散傅里叶变换技术进行处理，并非传统传感器采集所得信号进行时频转换时所使用的快速傅里叶变换技术。
在实际工程应用中，由于被测结构的尺寸较为细长，而反光部件无法制作成无限细小的结构(一方面受反光部件的物理特性限制，另一方面受测试传感器的反应灵敏度限制)，所以导致瞬时波动转速的时间分辨率难以满足试验需求。本发明针对该问题提供了一种解决方案。
本发明所使用的协同传感器以计数式反射式光电转速传感器为例，其工作原理示意图如附图3所示，协同传感器通过识别传感器正对位置处的明暗变化情况来判断被测结构的转动状态。当传感器正对非反光部件时，传感器输出信号为低电位信号；当传感器正对反光部件时，传感器输出信号为高电位信号，协同传感器输出信号如附图4所示。被测结构的旋转导致等间距的反光部件与非反光部件依次循环经过传感器正前方，传感器通过记录正前方第i个反光部件消失的时刻信息ti，然后比较下一次反光部件出现的时刻信息ti+1；得到相邻两个反光部件经过时间差Δt＝ti+1-ti；由于反光部件之间的间距是均匀的，故两个反光部件经过传感器前对应被测结构转过的角度值为2π/n(n为反光部件的个数)，通过公式ω瞬时＝2π/[n(ti+1-ti)]可以计算得到两个反光部件经过传感器前的时间内的平均转速，若反光部件在被测结构上分布足够多，则可以认为此时刻计算得到的平均转速为当前时刻的瞬时转速，重复上述计算过程，便可得到近似的瞬时转速测量结果，如附图5所示。
本发明通过在垂直于被测结构的旋转轴线的平面内布置多个转速传感器，多个传感器信号同时经由信号采集仪进行同时机采集。采集信号如附图6所示(以两个协同转速传感为例)。两个协同转速传感器之间由于安装角度不同，使得同一个反光部件经过不同协同转速传感器的时间也不同，多个协同转速信号间隔固定的角度相位依次采集，采集后的信号个数为普通转速传感器的n倍(n为协同传感器个数)，如附图6所示。通过对比多个协同传感器输出方波信号的前后顺序，依据各个协同传感器之间的安装顺序，如果方波信号出现顺序同协同传感器的安装顺序相同，则可得知被测结构的旋转方向与协同传感器的安装顺序一致；否则，则可得知被测结构的旋转方向与协同传感器的安装顺序相反。
普通转速传感器采集的转速信号、本发明采集的转速信号、实际转速信号的对比情况如附图7所示。可见，随着协同转速传感器个数的增加，信号精度成倍数增长，有效的解决了传统转速传感器测试细长结构时瞬时转速波动采集时间分辨率不足的问题。
Claims (3)
1.一种瞬时波动转速测量装置，其特征是：包括协同转速传感器、传感器信号采集设备、传感器支架，传感器支架上设置弧形的角度刻度尺，协同转速传感器安装在角度刻度尺上，协同转速传感器与协同转速传感器之间存在相对角度，协同转速传感器均连接传感器信号采集设备，协同转速传感器对准被测结构的回转轴线，被测结构上安装协同转速传感器对应的反光片。
2.一种瞬时波动转速测量方法，其特征是：
(1)在被测结构上安装或粘贴传感器对应的反光片；
(2)安装协同转速传感器于传感器支架上，通过读取固定支架上刻度，计算并记录协同传感器间的相对位置夹角
(3)调整传感器支架位置，使得安装于传感器支架上的协同传感器对准被测结构的回转轴线，协同传感器于反光片位于同一平面内；
(4)连接协同传感器于同一信号采集仪，保证协同传感器间同时采集转速信号；
(5)启动被测结构，使被测结构开始旋转，协同传感器开始采集转速信号；
(6)对所有协同传感器的转速信号进行合并处理；
(7)对采集得到的瞬时波动转速进行分析，如若进行时频转换操作，使用离散傅里叶变换技术进行处理。
3.根据权利要求2所述的一种瞬时波动转速测量方法，其特征是：协同传感器通过识别正对位置处的明暗变化情况来判断被测结构的转动状态；当协同转速传感器正对非反光片时，传感器输出信号为低电位信号；当传感器正对反光片时，传感器输出信号为高电位信号；被测结构的旋转导致等间距的反光部件与非反光部件依次循环经过协同转速传感器正前方，协同转速传感器通过记录正前方第i个反光部件消失的时刻信息ti，然后比较下一次反光部件出现的时刻信息ti+1，得到相邻两个反光部件经过时间差Δt＝ti+1-ti，故两个反光片经过传感器前对应被测结构转过的角度值为2π/n，n为反光部件的个数，通过公式ω瞬时＝2π/[n(ti+1-ti)]计算得到两个反光片经过协同转速传感器前的时间内的平均转速，重复上述计算过程直至完成拟定次数，得到近似的瞬时转速测量结果。
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