一种基于超声波纵波监测的转速测量方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于超声波纵波监测的转速测量方法，在旋转体上确定特征部位，测量相邻特征部位之间的角度差，向旋转体发射超声波，并由超声波探头记录当前状态下是否接收到特征部位的回波，以回波从有到无或从无到有的时刻作为时间记录节点，得到相邻特征部位到来的时间差，从而计算旋转体的转速。本发明安装简易，可靠性高，抗干扰能力强，成本低廉。
【专利说明】一种基于超声波纵波监测的转速测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于转速监测装置，涉及超声波探测技术及DSP的信号处理方法。
【背景技术】
[0002] 在工业生产及人类生活中，存在着各种各样的旋转体，其自身的旋转速度被人们 所关心。例如：发动机马达的转子转动速度直接影响到所带动系统的工作速度；涡轮式抽 水机的涡轮转速与抽水机的抽水速度有关；动强度试验中，旋转物体本身的速度变化间接 的反映了向心力的大小。运动物体转速与人们的生产、生活有很大的联系。如何准确地测 试出转速是一个问题。为了解决这个问题，人们研究出了各种各样的传感器。
[0003] 现阶段，工程技术人员测试转速的方法虽然千差万别，但是，其测量时的一个显著 特点是，通过监测运动物体的某个特征部位或者多个特定点的时间，进而运用数学公式换 算出转速。
[0004] 比如利用光学漫反射原理进行转速测量：当物体进入传感器上方时，探头会收到 物体所发出漫反射光，而确定旋转体的特征部位的转速，其优点是非接触，缺点是测试距离 比较近并且容易受到可见光及其它光源的干扰；收发式光学探头虽然克服了信号易被干 扰的因素，但是却在安装的过程中需要安装一收一发两个部位，安装成倍较高，安装难度较 大；电磁式的传感器虽然反映灵敏，但是却受到自身因素的影响，要求测试对象是金属材 料，并且必须距离测试体较近，一般不会超过10厘米；接触测量的传感器有旋转编码器，其 机理是和测试对象进行同轴连接后，通过记录内部遮光片的通过时间而测算出转速，该方 法的优点是测试准确，精度高，外界影响对其影响较小，缺点是安装困难，在很多时候几乎 是不太可能安装到旋转轴上，并且体积相对会较大，价格一般比较昂贵。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种运用超声波传感器进行转速测量的方 法。超声波传感器拥有高响应的特点，工作时频率可达到2000赫兹以上。基于超声波原理 的传感器在进行测量时，传感器与被测物体采用非接触式测量，测试距离可保持2厘米至 十几米。测试过程中，超声波传感器不受低频率机械震动的影响，也不会受到光及电磁辐射 的干扰，拥有很强的抗干扰能力，同时由于其造价低廉、易于安装，非常适合在工业生产现 场使用。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0007] 1)在旋转体上确定特征部位，使得超声波探头置于特征部位下方时，随着旋转体 的转动，超声波探头上方会均匀的交替出现被旋转体遮挡和不遮挡的状态；测量相邻特征 部位之间的角度差θ Λ，若旋转体只有一个特征部位，则角度差θ Λ取360度；
[0008] 2)向旋转体发射超声波；
[0009] 3)超声波探头记录当前状态下是否接收到特征部位的回波，以回波从有到无或从 无到有的时刻作为时间记录节点，得到相邻特征部位到来的时间差t ;
[0010] 4)计算旋转体的转速Vr = θ Λ At X 360)。
[0011] 所述的步骤3)中，特征部位为超声波探头上方的遮挡物时，以回波从无到有的状 态起点为时间记录节点；特征部位为超声波探头上方的非遮挡物时，以回波从有到无的状 态起点为时间记录节点。
[0012] 所述的步骤3)中，记录η次特征部位到来的时间差并取均值，作为步骤4)计算所 需的时间差t。η -般取值为3?5。
[0013] 本发明的有益效果是：采用超声波探头的手段实现了工业现场测量旋转物体的转 速问题，安装简易，可靠性高，抗干扰能力强，成本低廉。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的原理示意图；
[0015] 图中，1-旋转体的特征部位；2-超声波探头；3-传感器连接线；4-数据处理器； 5_传感器固定架。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0017] 图1为测试方案的结构构成图，测试过程中，首先要确定旋转体的特征部位1，即 该部位是超声波探头2上方没有遮挡时的状态或者是旋转臂经过时的状态，该旋转体的特 征部位一旦确定后，在测量的过程中不可更改。如系统中存在多个特征部位，则在计算转速 的过程中应按照独立间隔之间的角度差来计算转速。在转速的测量中，首先当旋转体的特 征部位经过超声波探头2的上方时，超声波探头将该信号捕获并通过传感器连接线3传输 至数据处理器4,此时为特征部位到达时刻。数据处理器可以单个特征部位到达时刻间隔为 数据处理依据，也可以多次特征部位到达时刻的间隔为处理依据，前者在测试过程中响应 速度较快，而后者测试精度更高。数据处理器一般为电脑或者为一些其他处理芯片均可。
[0018] 由于声速相对于其他测试方来说，由于声音的传播速度慢于其他光学和电磁学传 感器，因此必然存在测试延时，测试延时为探头距离除以该条件下的空气中的声速。超声波 在测试过程中，一直处于发送状态，即无论是否收到回波均对外发射纵波，每次探头只记录 当前状态下是否接收到回波（旋转体的特征部位为遮挡物时记录回波从无到有的状态起 点为时间记录节点，旋转体的特征部位为非遮挡物时记录回波从有到无的状态起点为时间 记录节点），通过记录η次旋转体的特征部位到来时间差t,便可得到当前的系统的转速Vr。
[0019] 该计算公式如下：
[0020] Vr = θ Λ At X 360)(单位：转 / 每秒）
[0021] ? Λ为已知η次旋转体特征部位的角度差。
[0022] 举例来说，如图1所示，将旋转体的两个旋转臂作为旋转体的特征部位，两个旋转 臂之间的角度差为180度，测试过程中，对于转速的测量属于离散式测量，测试过程中有一 定的延时。传感器相应频率为2000Hz，最高测试速度为20转/秒，在低速状态下误差则变 得更小。
[0023] 测试机理如下：DSP通过定时器中断产生2000Hz的激励脉冲触发超声波探头进行 测试，传感器上方有旋转臂时回波，传感器输出一个100ns的高电平，来触发DSP的外部中 断引脚。每次DSP定时器从旋转臂完整经过传感器上方开始计数。旋转臂第三次经过上方 时截止计数，
[0024] 3X18(V(NX360)便为当前离心机的转速，N为DSP定时器的时间差值，即N = 3t。
【权利要求】
1. 一种基于超声波纵波监测的转速测量方法，其特征在于包括下述步骤： 1) 在旋转体上确定特征部位，使得超声波探头置于特征部位下方时，随着旋转体的转 动，超声波探头上方会均匀的交替出现被旋转体遮挡和不遮挡的状态；测量相邻特征部位 之间的角度差θ Λ，若旋转体只有一个特征部位，则角度差θ Λ取360度； 2) 向旋转体发射超声波； 3) 超声波探头记录当前状态下是否接收到特征部位的回波，以回波从有到无或从无到 有的时刻作为时间记录节点，得到相邻特征部位到来的时间差t ; 4) 计算旋转体的转速Vr = Θ AAtX360)。
2. 根据权利要求1所述的基于超声波纵波监测的转速测量方法，其特征在于：所述的 步骤3)中，特征部位为超声波探头上方的遮挡物时，以回波从无到有的状态起点为时间记 录节点；特征部位为超声波探头上方的非遮挡物时，以回波从有到无的状态起点为时间记 录节点。
3. 根据权利要求1所述的基于超声波纵波监测的转速测量方法，其特征在于：所述的 步骤3)中，记录η次特征部位到来的时间差并取均值，作为步骤4)计算所需的时间差t。
【文档编号】G01P3/64GK104215793SQ201410471776
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】赵嘉坤, 刁建宏, 刘江, 田园 申请人:中国航天科工集团第六研究院二一?所