本发明属于旋转机械的配套检测设备领域，更具体地，涉及一种用于旋转机械的转速与键相一体化检测系统。
背景技术：
转速信号和相位信号对于旋转机械故障诊断、状态监测和动平衡处理而言非常重要，譬如随着航空发动机等相关技术的迅猛发展，所配套的旋转机械的结构设计越来越紧凑，对探头系统的要求也相应越来越高，采用一个探头集成测量多个信号成为未来的发展方向之一。
具体而言，转速是表征旋转机械健康状况、进行故障诊断、制定必要维修策略的重要参数之一，转速的实时、准确测量对保证旋转机械的正常运行具有重要的现实意义。现有技术中转速测量方法可分为接触式和非接触式两大类，如离心式、定时式、磁感应式、电动时、频闪式、点子计数式等。其中离心式和定时式统称为机械式，属于接触式测量；磁感应式和电动式统称为磁电式，磁感应式属于非接触式测量，磁感应式一般采用霍尔探头和磁阻式探头测量转速；电子计数式有接触式和非接触式两种，这两种型式都是使用光电式测量转速。另一方面，在故障诊断中，用相位信号作为各自独立信号的一个共同参考点，将它们联系起来，建立相互间的特定关系，就能给故障分析和诊断提供更多的重要信息。现有技术中通常是在透平机械中测量相位信号，也即在转子两端的水平和垂直方向上分别安装电涡流探头，它们的位置互成90度。这样，就可以根据机械由不同原因引起的故障激励，从不同探头拾取的信号及相互相位关系，把故障原因更为准确地识别出来。
然而，进一步的研究表明，上述现有方案至少存在以下的技术问题：首先，双探头会占用更大的空间位置，对于旋转机械内部紧凑的空间不利；其次，在变转速下相位信息处理相对较繁琐，难以得到实时的跟随转速的相位信号。此外，现有的相位测量方法只能针对仅具有单个凹键或凸键的转子，无法满足对齿轮部件转速、相位同时测量的要求。相应地，本领域亟需做出进一步的改进，以便更好地符合现代化制造生产中对旋转机械的更高需求。
技术实现要素：
针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本发明提供了一种用于旋转机械的转速与键相一体化检测系统，其中通过对整个检测过程的配套装置的构造组成及处理方式等进行针对性改进设计，相应与现有方案相比可显著提高检测结果的准确性，并且整个检测过程中仅用一个测量探头即可同时获得反映转速和相位信号的检测结果，同时具备精度和效率更高、结构紧凑、便于操控、适用性广等特点，因而适用于各类旋转机械的转速及相位一体化检测应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于旋转机械的转速与键相一体化检测系统，其特征在于，该一体化检测系统包括齿轮部件、齿高测量探头和信号处理单元，其中：
该齿轮部件与作为测试对象的旋转元件同心固定在一起，并以同样的速度执行旋转；该齿轮部件具备多个齿，其中一个齿即相位齿的齿高不同于其它齿的齿高，由此用于相位测量；此外，该齿轮部件上还设置有不平衡补偿结构，该不平衡补偿结构用于对上述齿高的差异性而在旋转过程中产生的不平衡量进行补偿，并且其呈现补偿齿或者平衡孔等形式；
该齿高测量探头的数量为一个，它正对布置在所述齿轮部件，并用于当所述齿轮部件及旋转元件执行旋转的整个过程时，实时获取其自身与所述齿轮部件的齿外侧端面之间的间隙变化信号，然后发送给所述信号处理模块；
该信号处理单元用于接收来自所述齿高测量探头的所有脉冲信号，并基于任意相邻的两个脉冲信号所经过的时间及弧度信息，相应计算得出所述旋转元件的实时转速；与此同时，还基于所述脉冲信号的实时幅值分布状态，相应识别和定位出所述相位齿的周向位置，由此实现对所述旋转元件的相位检测功能。
作为进一步优选地，当所述不平衡补偿结构呈现为补偿齿的形式时，该补偿齿一般为两个，相位齿和两个补偿齿呈等小三角型对称分布，保证整个齿轮盘重心与旋转中心一致。
作为进一步优选地，当当所述不平衡补偿结构呈现为补偿齿的形式时，所述相位齿和该补偿齿优选按照以下平衡方程组来进行设置，：
δm＝∑δmicosθi
∑δmisinθi＝0
其中，δm表示与所述相位齿相对应的不平衡量；θi表示与各个补偿齿与连接所述相位齿与齿轮部件圆心的轴线各自形成的夹角，并且i是对所有补偿齿的次序编号，其等于1,2,…,n，并且n为正整数；δmi则表示与各个所述补偿齿分别对应的不平衡量。
作为进一步优选地，当所述不平衡补偿结构呈现为平衡孔的形式时，平衡孔根据相位齿的不平衡量以设计分布在齿轮盘的位置。
作为进一步优选地，当所述不平衡补偿结构呈现为平衡孔的形式时，该平衡孔被加工为通孔，并且所述通孔优选按照以下质量方程组来进行设置：
δmara+δmbrb＝0
其中，δma表示由于对所述相位齿进行加工而导致的质量变化量，ra表示所述相位齿相对于所述齿轮部件的中心的半径；δmb表示由于打孔所述通孔而导致的质量变化，rb表示所述通孔相对于所述齿轮部件的中心的半径。
作为进一步优选地，所述补偿齿的数量优选设计为两个，并且此时各个补偿齿与连接所述相位齿与齿轮部件圆心的轴线所形成的夹角优选设计为小于60°。
作为进一步优选地，所述齿轮部件优选为直齿圆柱齿轮的形式。
作为进一步优选地，对于上述信号处理单元而言，其优选包括数字化采样模块、差分放大器、峰值检测器、脉冲检测器和信号输出端口，其中该数字化采样模块用于接收来自所述齿高测量探头的脉冲信号，并将其转化为数字信号后发送至所述差分放大器执行放大处理；该峰值检测模块与所述差分放大器信号相连，并用于对放大处理后的数字信号实时检测其波峰后将输入信号继续输送给所述脉冲检测器，同时通过分压器产生预定的实时阈值电压用于后续的信号比较；该脉冲检测器用于将输入的信号与寄存的峰值电压相比较，当两者的差值的绝对值高于预设的实时阈值电压时产生上升沿脉冲，保持电压高水平直到下个脉冲信号；此外，该信号输出端口与所述脉冲检测器信号相连，并用于输出此脉冲检测器产生的信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对整个检测系统的内部构造及其工作方式进行研究和针对性改进，相应与现有技术相比可高精度、高效率和实时响应的方式同时获取反映转速和相位信号的检测结果，并且整个检测过程中仅用一个测量探头，相应具备结构紧凑、便于操控、适用性广等特点，因而适用于各类旋转机械的转速及相位一体化检测应用场合。
附图说明
图1是按照本发明一个优选实施方式所构建的相位齿及补偿齿的分布示意图；
图2a是按照本发明另一优选实施方式所构建的低齿相位齿和通孔的分布示意图；
图2b是按照本发明另一优选实施方式所构建的高齿相位齿和通孔的分布示意图；
图3是按照本发明所获得的多种状态的信号示意图；
图4是用于示范性说明本发明中检测系统与测量对象之间的相对位置关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明一个优选实施方式所构建的相位齿及补偿齿的分布示意图，图4是用于示范性说明本发明中检测系统与测量对象之间的相对位置关系图。如图1和图4所示，该一体化检测系统主要包括齿轮部件、齿高测量探头和信号处理单元等组件，并通过上述组件的相互配合，实现对转速与相位信号的一体化实时测量。下面将对其具体设置方式和工作原理等方面给出具体解释说明。
作为本发明的关键组件之一，齿轮部件用于与作为测试对象的旋转元件同心固定在一起，并一同执行旋转测试；在本方案中，该齿轮部件具备多个齿，其中一个齿也即相位齿被加工为其齿高不同于其余的正常齿，此外相对于该相位齿还设置有补偿齿，并且该补偿齿对称分布在连接所述相位齿与齿轮部件圆心的轴线两侧。
更具体而言，对于如图1所示的齿轮结构，是在正常齿的基础上，任意选取齿轮中一个齿作为齿轮的相位齿，然后对该齿进行加工处理使其齿高与其它齿存在差距，差距的程度以间隙测量探头所产生的信号有明显改变、利于辨识为宜；同时存在其他2个(或者更多)介于两者中间高度的齿，这些齿叫做补偿齿，补偿齿呈对称分布，对称轴通过前述的相位齿和齿轮圆心。
对相位齿的处理完成后，由于相位齿与其余正常齿高度不一致，因此形成了一定的不平衡量。相应地，按照本发明进一步设计的优选实施例，为满足高转速条件下的动平衡要求，可依照以下的平衡方程组对其进行补偿。也即齿轮盘的不平衡补偿结构以补偿齿的形式时，补偿齿一般为两个，相位齿和两个补偿齿呈等小三角型对称分布，保证整个齿轮盘重心与旋转中心一致。更具体地，对于上述齿轮部件而言，所述相位齿和补偿齿优选按照以下平衡方程组来进行设置：
δm＝∑δmicosθi
∑δmisinθi＝0
其中，δm表示与所述相位齿相对应的不平衡量；θi表示与各个补偿齿与连接所述相位齿与齿轮部件圆心的轴线各自形成的夹角，并且i是对所有补偿齿的次序编号，其等于1,2,…,n，n为正整数；δmi则表示与各个所述补偿齿分别对应的不平衡量。
此外，为了提高信号处理辨识度的要求，我们希望补偿齿的齿高尽可能的接近正常齿的齿高，为此按照本发明的另一优选实施例，所述补偿齿的数量优选设计为两个，并且此时各个补偿齿与连接所述相位齿与齿轮部件圆心的轴线所形成的夹角优选设计为小于60°，同时尽量避免补偿齿与相位齿和中心形成的连线间的夹角等于60°。
此外，对于齿高测量探头而言，它的数量在本发明中仅为一个，它布置在所述齿轮部件的附近，并用于当所述齿轮部件及旋转元件执行旋转的整个过程时，实时获取其自身与所述齿轮部件的齿外侧端面之间的间隙变化信号，然后发送给所述信号处理模块。更具体地，作为示范性解释说明，其中，针对所述正常齿将获得具备第一幅值的多个第一脉冲信号，针对所述相位齿将获得具备第二幅值的单个第二脉冲信号且该第二幅值不同于该第一幅值，针对所述补偿齿将获得具备第三幅值的第三脉冲信号且该第三幅值介于所述第一、第二幅值之间。对于信号处理单元而言，它用于接收来自所述齿高测量探头的所有脉冲信号，并基于任意相邻的两个脉冲信号所经过的时间及弧度信息，相应计算得出所述旋转元件的实时转速；与此同时，还基于所述第一、第二和第三脉冲信号的实时分布状态，相应识别和定位出所述相位齿的周向位置，由此实现对所述旋转元件的相位检测功能。其具体过程及原理为本领域所熟知，因此在此不再赘述。
此外，补偿齿除了采用齿高变化这种方式以外，还可以采用另外一种形式来实现，同样可获得所需的技术效果。按照本发明另一优选实施方式，还提供了另外一种类型的一体化检测系统，其同样包括齿轮部件、齿高测量探头和信号处理单元，并且其区别主要集中在齿轮部件的设计方面，其他组件大致相同。按照本发明的一个优选实施方式，所述不平衡补偿结构可采取为平衡孔的形式，并且该平衡孔与相位齿被设计为分布着齿轮盘两侧。
如图2a或2b所示，该齿轮部件用于与作为测试对象的旋转元件同心固定在一起，并一同执行旋转测试；该齿轮部件具备多个齿，其中一个齿也即相位齿被加工为其齿高不同于其余的正常齿，此外相对于该相位齿还设置有平行于所述齿轮部件轴向方向钻出的通孔，其中当相位齿的齿高高于其余的正常齿时，该通孔被钻在远离所述相位齿一侧的正常齿上；而当相位齿的齿高低于其余的正常齿时，该通孔被钻在邻近所述相位齿一侧的正常齿上或者直接打孔在所述相位齿上。
更具体地，该工作方案的原理是不变齿高而是在正常齿的基础上任意选取一个齿进行钻洞去材料的方式处理。在相位齿齿高低于其余正常齿时，按如图2a所示方式在其相对应的齿上开一个孔；当相位齿高高于其余正常齿时，按如图2b所示方式开一个通孔。同样地，为了提高信号处理辨识度的要求，按照本发明的一个优选实施例，对于上述齿轮部件而言，所述通孔优选按照以下质量方程式来进行设置：
δmara+δmbrb＝0
其中，δma表示由于对所述相位齿进行加工而导致的质量变化量，ra表示所述相位齿相对于所述齿轮部件的中心的半径；δmb表示由于打孔所述通孔而导致的质量变化，rb表示所述通孔相对于所述齿轮部件的中心的半径。显然，考虑到应力集中和钻孔半径，一些情况下也可以开多个小孔。
下面将解释说明按照本发明的转速与键相一体化检测系统的工作原理。
譬如可采用图3给出的多种类型的信号，当对输入的信号进行数字采样后，由两个波峰脉冲信号间所经过的时间及齿轮转动的弧度，可以计算得出齿轮的实时转速信号(实时性与齿轮齿数有关)，多个脉冲和总弧度之间的关系可以计算出转子的平均转速。信号通过峰值检测模块得出信号的峰值，由于相位齿的齿高与该齿轮中正常齿的齿高存在较大差异，而补偿齿的信号与普通齿的信号比较接近，这样通过设置一个阈值，就可以区分出相位齿的信号。随着转速的变化而导致的幅值的变化，需要对该阈值进行同步的更新。以此方式，由于存在大量的正常幅值的脉冲信号和一个突出差别的异常脉冲信号(相位齿所产生)，以及数个可能与正常脉冲信号幅值接近的脉冲信号，通过最终获得的信号分布，就能够以便于操控的方式识别和定位出高脉冲相位齿的周向位置，即具备了相位检测功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。