CN114062708A - 一种旋转机械转速非接触测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转机械转速非接触测量***及测量方法，属于旋转机械状态监测领域，本发明为了解决传统光学类的非接触测量方法，无法在恶劣环境中安全平稳运行，无法准确测量旋转轴转速的问题。旋转轴具有导磁特性；弱磁探测传感器，用于感知旋转轴转动过程中对地磁场扰动的弱磁信息，将该弱磁信息传输至弱磁信号调理装置；弱磁信号调理装置，用于将所述弱磁信号转换成电信号后传送至数据采集装置；数据采集装置，用于将所述电信号传送给计算机；计算机，用于对所述电信号进行短时傅里叶变换，得到时间序列下的弱磁信号的频谱，从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，根据该频率获得旋转轴的瞬时转速。它用于以非接触测量方式测量旋转机械转速。
Description
技术领域
本发明涉及测量转速的***及方法，属于旋转机械状态监测领域。
背景技术
旋转轴是旋转机械的重要传动部件，关系到旋转机械能够安全平稳运行。尤其对于旋转机械结构紧凑、安装空间狭小，限制如编码器等接触式转速测量方法的应用。另外，当旋转轴处于恶劣环境中工作时，其受到高温、高转速、重载荷及油雾等干扰，传统光学类的非接触测量方法，无法在恶劣环境中安全平稳运行。为观察旋转轴的转速，尤其是在高转速过程中，转速突变的情况下的旋转轴的运行情况，非常有必要采取一种方法来测量旋转机械的旋转速度，以保证旋转机械稳定正常运行。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统光学类的非接触测量方法，无法在恶劣环境中安全平稳运行，无法准确测量旋转轴转速的问题，提出了一种旋转机械转速非接触测量***及测量方法。
一种旋转机械转速非接触测量***，所述***包括弱磁探测传感器的支架、弱磁探测传感器、弱磁信号调理装置、数据采集装置和计算机，
弱磁探测传感器的支架用于固定弱磁探测传感器，弱磁探测传感器的探头朝向旋转轴的径向方向，且弱磁探测传感器探头与旋转轴以设定距离非接触设置；
旋转轴具有导磁特性；
弱磁探测传感器，用于感知旋转轴转动过程中对地磁场扰动的弱磁信息，将该弱磁信息传输至弱磁信号调理装置；
弱磁信号调理装置，用于将所述弱磁信号转换成电信号后传送至数据采集装置；
数据采集装置，用于将所述电信号传送给计算机；
计算机，用于对所述电信号进行短时傅里叶变换，得到时间序列下的弱磁信号的频谱，从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，根据该频率获得旋转轴的瞬时转速。
优选地，时间序列下的弱磁信号的频谱，表示为：
(t,f(t),E)＝STFT(s(t))公式1，
式中，s(t)为传感器输出信号，t为时间序列，STFT(.)为对信号进行短时傅里叶变换的操作符，f(t)为短时傅里叶变换后的频谱；
从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，表示为：
fr(t)＝magmax(E)公式2，
式中，E为短时傅里叶变换后的能量，fr(t)为随着时序变化的旋转轴特征频率，magmax(·)为寻找短时傅里叶变换后，频谱能量最大值对应频率的操作符；
v(t)＝fr(t)×60公式3，
式中，v(t)为提取的旋转轴的转速。
优选地，设定距离为：
让旋转轴在同一转速条件下连续运行，使弱磁探测传感器探头由近到远依次远离旋转轴达到设定的刻度，通过示波器观察弱磁探测传感器探头在不同设定刻度下输出信号的幅值变化，从输出信号的幅值变化中选出弱磁探测传感器探头输出信号幅值最大值对应的设定刻度作为弱磁探测传感器探头与旋转轴之间的距离。
一种旋转机械转速非接触测量方法，所述方法包括以下内容：
步骤1、感知具有导磁特性的旋转轴在转动过程中对地磁场扰动的弱磁信息；
步骤2、将所述弱磁信号转换成电信号；
步骤3、对所述电信号进行短时傅里叶变换，得到时间序列下的弱磁信号的频谱，从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，根据该频率获得旋转轴的瞬时转速。
优选地，时间序列下的弱磁信号的频谱，表示为：
(t,f(t),E)＝STFT(s(t))公式1，
式中，s(t)为传感器输出信号，t为时间序列，STFT(.)为对信号进行短时傅里叶变换的操作符，f(t)为短时傅里叶变换后的频谱；
从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，表示为：
fr(t)＝magmax(E)公式2，
式中，E为短时傅里叶变换后的能量，fr(t)为随着时序变化的旋转轴特征频率，magmax(·)为寻找短时傅里叶变换后，频谱能量最大值对应频率的操作符；
v(t)＝fr(t)×60公式3，
式中，v(t)为提取的旋转轴的转速。
本发明的有益效果是：
本申请中的旋转轴具有一定的导磁特性，当其处于地磁场中时，由于地磁场对旋转轴进行微弱磁化，磁化后的旋转轴，可看作为一个新的磁源，在旋转轴进行转动时，其将反过来对其旋转轴的地磁场产生一定频率的扰动，弱磁传感器可探测到旋转轴对地磁场的扰动信息，当旋转轴不断的旋转，弱磁传感器可连续探测旋转轴对地磁场的扰动的弱磁信息(频率信息)，经频谱变换，可获取连续随时间变化的旋转轴的转频情况。
本申请采用在旋转轴的径向方向，与旋转轴非接触放置一个弱磁探测传感器来探测地磁场的扰动的弱磁信息，通过感知磁场的变化来提取旋转机械的转速，此方法无需破坏轴承的任何结构，因为弱磁探测传感器不与旋转机械接触，所以能够在恶劣环境中安全平稳的检测，即可抗恶劣环境干扰，有别于传统的电涡流测量旋转机械的转速，无需使弱磁探测传感器距离旋转机械较近的距离，便于安装，因此能够准确测量旋转轴转速。
附图说明
图1为旋转机械转速非接触测量***的结构示意图；
图2为由计算机提取瞬时转速的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种旋转机械转速非接触测量***，所述***包括弱磁探测传感器的支架3、弱磁探测传感器4、弱磁信号调理装置5、数据采集装置6和计算机，
弱磁探测传感器的支架3用于固定弱磁探测传感器4，弱磁探测传感器4的探头朝向旋转轴的径向方向，且弱磁探测传感器4探头与旋转轴以设定距离非接触设置；
旋转轴具有导磁特性；
弱磁探测传感器4，用于感知旋转轴转动过程中对地磁场2扰动的弱磁信息，将该弱磁信息传输至弱磁信号调理装置5；
弱磁信号调理装置5，用于将所述弱磁信号转换成电信号后传送至数据采集装置6；
数据采集装置6，用于将所述电信号传送给计算机；
计算机，用于对所述电信号进行短时傅里叶变换，得到时间序列下的弱磁信号的频谱，从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，根据该频率获得旋转轴的瞬时转速。
本实施方式中，旋转轴处于地磁场中，地磁场对旋转轴进行微弱磁化，磁化后的旋转轴承，在旋转过程中，将对地磁场产生扰动，通过探测地磁场的扰动，实现旋转轴转速信号接触探测；本申请探测传感器对环境因素不敏感，并且不需要破坏旋转机械的结构，可在旋转机械实际运行过程中，对旋转机械的转速进行实时监测，进而可反映旋转机械的运行状态。
本申请由数据采集装置将电信号传送给计算机，以便计算机识别该电信号。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种旋转机械转速非接触测量***进一步限定，在本实施方式中，时间序列下的弱磁信号的频谱，表示为：
(t,f(t),E)＝STFT(s(t))公式1，
式中，s(t)为传感器输出信号，t为时间序列，STFT(.)为对信号进行短时傅里叶变换的操作符，f(t)为短时傅里叶变换后的频谱；
从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，表示为：
fr(t)＝magmax(E)公式2，
式中，E为短时傅里叶变换后的能量，fr(t)为随着时序变化的旋转轴特征频率，magmax(·)为寻找短时傅里叶变换后，频谱能量最大值对应频率的操作符；
v(t)＝fr(t)×60公式3，
式中，v(t)为提取的旋转轴的转速。
本实施方式中，s(t)也为探测旋转轴的弱磁信号。
旋转轴处于地磁场中，地磁场对旋转轴进行微弱磁化，磁化后的旋转轴承，在旋转过程中，对地磁场产生扰动，通过探测地磁场的扰动，旋转轴对地磁场的扰动情况经频域变换，识别旋转轴的转频，提取旋转轴的转频，实现旋转轴转速信号接触探测。
本申请弱磁信号s(t)经短时傅里叶变换STFT，获取弱磁信号的频谱，提取频谱的能量E，运行时间t及时变频率f(t)，通过寻找能量E的最大值，对应频率fr(t)，获取旋转机械的转速。
图2中，探测的弱磁信号，经短时傅里叶变换(STFT)变换，可分别获取旋转轴旋转过程中的时间、转频及信号能量的变换情况，通过识别频谱中信号能量最大值的脊线，可获取随时间变换的旋转轴的频率变化特性，并将获取的频率变化情况，转换为旋转速度，可提取旋转机械的旋转轴的转速。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种旋转机械转速非接触测量***进一步限定，在本实施方式中，设定距离为：
让旋转轴在同一转速条件下连续运行，使弱磁探测传感器4探头由近到远依次远离旋转轴达到设定的刻度，通过示波器观察弱磁探测传感器4探头在不同设定刻度下输出信号的幅值变化，从输出信号的幅值变化中选出弱磁探测传感器4探头输出信号幅值最大值对应的设定刻度作为弱磁探测传感器4探头与旋转轴之间的距离。
具体实施方式四：本实施方式所述的一种旋转机械转速非接触测量方法，在本实施方式中，所述方法包括以下内容：
步骤1、感知具有导磁特性的旋转轴在转动过程中对地磁场2扰动的弱磁信息；
步骤2、将所述弱磁信号转换成电信号；
步骤3、对所述电信号进行短时傅里叶变换，得到时间序列下的弱磁信号的频谱，从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，根据该频率获得旋转轴的瞬时转速。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种旋转机械转速非接触测量方法进一步限定，在本实施方式中，时间序列下的弱磁信号的频谱，表示为：
(t,f(t),E)＝STFT(s(t))公式1，
式中，s(t)为传感器输出信号，t为时间序列，STFT(.)为对信号进行短时傅里叶变换的操作符，f(t)为短时傅里叶变换后的频谱；
从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，表示为：
fr(t)＝magmax(E)公式2，
式中，E为短时傅里叶变换后的能量，fr(t)为随着时序变化的旋转轴特征频率，magmax(·)为寻找短时傅里叶变换后，频谱能量最大值对应频率的操作符；
v(t)＝fr(t)×60公式3，
式中，v(t)为提取的旋转轴的转速。
Claims (5)
1.一种旋转机械转速非接触测量***，其特征在于，所述***包括弱磁探测传感器的支架(3)、弱磁探测传感器(4)、弱磁信号调理装置(5)、数据采集装置(6)和计算机，
弱磁探测传感器的支架(3)用于固定弱磁探测传感器(4)，弱磁探测传感器(4)的探头朝向旋转轴的径向方向，且弱磁探测传感器(4)探头与旋转轴以设定距离非接触设置；
旋转轴具有导磁特性；
弱磁探测传感器(4)，用于感知旋转轴转动过程中对地磁场(2)扰动的弱磁信息，将该弱磁信息传输至弱磁信号调理装置(5)；
弱磁信号调理装置(5)，用于将所述弱磁信号转换成电信号后传送至数据采集装置(6)；
数据采集装置(6)，用于将所述电信号传送给计算机；
计算机，用于对所述电信号进行短时傅里叶变换，得到时间序列下的弱磁信号的频谱，从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，根据该频率获得旋转轴的瞬时转速。
2.根据权利要求1所述的一种旋转机械转速非接触测量***，其特征在于，时间序列下的弱磁信号的频谱，表示为：
(t,f(t),E)＝STFT(s(t))公式1，
式中，s(t)为传感器输出信号，t为时间序列，STFT(.)为对信号进行短时傅里叶变换的操作符，f(t)为短时傅里叶变换后的频谱；
从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，表示为：
fr(t)＝magmax(E)公式2，
式中，E为短时傅里叶变换后的能量，fr(t)为随着时序变化的旋转轴特征频率，magmax(·)为寻找短时傅里叶变换后，频谱能量最大值对应频率的操作符；
v(t)＝fr(t)×60公式3，
式中，v(t)为提取的旋转轴的转速。
3.根据权利要求1所述的一种旋转机械转速非接触测量***，其特征在于，设定距离为：
让旋转轴在同一转速条件下连续运行，使弱磁探测传感器(4)探头由近到远依次远离旋转轴达到设定的刻度，通过示波器观察弱磁探测传感器(4)探头在不同设定刻度下输出信号的幅值变化，从输出信号的幅值变化中选出弱磁探测传感器(4)探头输出信号幅值最大值对应的设定刻度作为弱磁探测传感器(4)探头与旋转轴之间的距离。
4.一种旋转机械转速非接触测量方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：
步骤1、感知具有导磁特性的旋转轴在转动过程中对地磁场(2)扰动的弱磁信息；
步骤2、将所述弱磁信号转换成电信号；
步骤3、对所述电信号进行短时傅里叶变换，得到时间序列下的弱磁信号的频谱，从该频谱中提取频谱能量最大值所对应的频率，根据该频率获得旋转轴的瞬时转速。
5.根据权利要求4所述的一种旋转机械转速非接触测量方法，其特征在于，时间序列下的弱磁信号的频谱，表示为：
(t,f(t),E)＝STFT(s(t))公式1，
式中，s(t)为传感器输出信号，t为时间序列，STFT(.)为对信号进行短时傅里叶变换的操作符，f(t)为短时傅里叶变换后的频谱；
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