一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法与流程

本发明涉及传感器技术和间隙或位移测量技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明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，本发明采用的技术方案是：

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；

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分别为转子位移前四个光电传感器(9a，9b，9c，9d)输出信号的脉冲宽度比率；r'da，r'db，r'dc，r'dd分别为转子位移后四个光电传感器(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。

本发明的有益效果是：

(1)本发明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)本发明不同于现有技术—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)本发明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)本发明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为本发明轴向位移检测装置的一个实施例的结构示意图；

图4为本发明的标准测量条码的结构示意图；

图5为本发明的标准测量条码的表面展开图；

图6为本发明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为本发明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为本发明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

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

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)参照图3，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；

具体参照图4、图5，所述标准测量条码8表面由反射率较低的弱反射率条码8a和反射率较高的强反射率条码8b组成，且在标准测量条码8的表面展开图上，弱反射率条码8a和强反射率条码8b的形状为等腰三角形，接口处的矩形条码作为粘贴接口所用，在位移计算中起到区分每圈信号的作用，因而在位移计算结果中，不详细考虑矩形条码处的信号。

(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的输出电压水平具有比较明显的差别。

具体参照图3，所述光电传感器9包括均布于同一径向平面的四个光电传感器9a、9b、9c、9d，并且四个光电传感器9a、9b、9c、9d都指向待测转子7的轴心。当光电传感器9对准弱反射率条码8a时，其接收到的反射光强度较弱，输出信号为低电平；反之，当光电传感器9对准强反射率条码8b时，接收到的反射光强度较强，输出信号为高电平。

(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。

参照图3，所述光电传感器9的四个传感器输出信号都输入信号处理单元10中，并进行进一步信号处理，以求取转子的轴向位移、转速及倾斜角度，其处理方法具体为：

参照图6，当四个光电传感器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9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。

参照图6，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：

因而轴向位移的变化可以根据传感器输出信号的脉冲宽度比率rd的变化进行计算。

参照图6，由于四个光电传感器9a、9b、9c、9d的安装位置不同，而信号处理单元10对其信号的采集是同时进行的，因而四个光电传感器9a、9b、9c、9d的输出具有一定的相位差。其相位差与初始状态下四个光电传感器9与对应的标准测量条码8的位置有关，当两个传感器对应标准测量条码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。

参照图6，待测转子7处于初始位置时，四个光电传感器9等间距分布，如果定义弱反射率条码8a和强反射率条码8b的数量为n，假设光电传感器9a的相位为0°，光电传感器9b与光电传感器9a的相位差为n％4×180°(其中％为取余数运算)，光电传感器9c与光电传感器9a的相位差为n％2×180°，光电传感器9d与光电传感器9a的相位差为(3·n)％4×180°。特别的，当标准测量条码8的数量n满足n＝2(2·k-1)，(k＝1,2,3,4…)时，光电传感器9a的输出与光电传感器9c的输出信号相位差为0°，光电传感器9b和光电传感器9d的输出信号相位差为0°，而光电传感器9a和光电传感器9b的输出信号相位差为180°。而且，即使待测转子7产生一定的轴向位移，各个光电传感器9输出信号的相位差不变。

参照图7，当光电传感器9对应中心与待测转子7轴心具有一定的偏心距e时的情况。此时，4个光电传感器9所在平面依然与待测转子7垂直，因而各个传感器输出信号波形相同只是存在一定的相位差，偏心引起的传感器9a和传感器9b相位差的变化量与偏心距e的关系为：

其中，r为标准测量条码8的半径；

因而可以利用相位差的变化求取待测转子7的偏心距。

参照图8，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，即待测转子7产生了α角的偏斜。偏斜之后，待测转子7依然绕其轴心进行匀速转动，因而各个光电传感器9在标准测量条码8上的扫描轨迹为一条与标准测量条码8平行的直线，只是其轴向位置由于待测转子7的偏斜而有所不同。通过光电传感器9a和光电传感器9c的脉冲宽度比率可以计算待测转子7的偏角正切值：

参照图8，待测转子7发生一定程度的偏斜，产生与其轴线方向平行的方向产生轴向位移z时，各个光电传感器输出信号的脉冲宽度会发生相应变化，而且轴向位移z可以根据其脉冲宽度比率进行计算：

其中，rda，rdb，rdc，rdd分别为转子位移前四个光电传感器(9a，9b，9c，9d)输出信号的脉冲宽度比率；r'da，r'db，r'dc，r'dd分别为转子位移后四个光电传感器(9a，9b，9c，9d)输出信号的脉冲宽度比率；

另外，如果待测转子7产生的轴向位移与光电传感器9所在平面的法线方向平行，可以将此轴向位移转化为平行于待测转子7轴线的方向，和其垂直方向。垂直于待测转子7轴线方向的运动与待测转子7产生离心相似，可以参照图7进行计算。

参照图6、图7、图8，综合以上的论述与分析，信号处理单元10可以根据光电传感器9的输出信号计算出待测转子7的轴向位移、转速和倾斜角度。待测转子7的轴向位移可以根据各个光电传感器9输出信号的脉冲宽度比率进行计算，而且可以通过四个光电传感器9输出信号进行平均来提高轴向位移计算精度，其计算公式如下：

待测转子7的转速可以通过脉冲信号的周期进行计算，同时也可以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。

待测转子7的偏转分解为竖直平面和水平平面两个方向：

竖直方向：

水平方向：

待子7的总偏转角为：

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。