电机定子和转子间距变化的在线检测系统的制作方法

本申请涉及电机设备检测技术领域，具体而言，本申请涉及一种电机定子和转子间距变化的在线检测系统。

背景技术：

电机运行时，受各种自然因素的冲击和扭曲，导致电机的定子和转子产生较大的振动，严重时，转子和定子间会发生摩擦，轻则减少电机寿命，重则导致设备损毁，甚至造成事故。

目前，可通过电涡流传感器检测电机的定子和转子间的间隙变化。电涡流传感器的原理是，通过电涡流效应准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面的相对位置。在利用电涡流传感器检测金属材料时，当传感器探头端面的化学物理特性一致时，其电涡流和金属部件的距离相关。但是，传感器探头端面可能有分布不均的氧化层或附着有污染物，此时，即使传感器与被检测部件表面间的间距不变，其电涡流也会由于转子表面材料的不一致性产生变化。

因此，采用单一传感器对电机的定子和转子间距进行检测时，传感器表面氧化会导致传感器的检测结果与实际不符，降低了检测系统的可靠性，无形中增加了维护成本。

技术实现要素：

本申请提供了一种电机定子和转子间距变化的在线检测系统，可以解决现有的检测方式可靠性低的问题。本申请采用的技术方案如下：

本申请提供了一种电机定子和转子间距变化的在线检测系统，包括：包括：处理器以及多个传感器；

多个所述传感器的敏感电极分别布设在定子内壁上多个不同的位置，所述传感器的敏感电极正对转子，所述传感器的物理参数随所述传感器的敏感电极到所述转子的距离的变化而变化；

各个所述传感器与所述处理器连接；

所述处理器用于执行其内部存储的应用程序以实现以下步骤：

获取各个所述传感器输出的信号值；

计算多个所述信号值中任意两个信号值之间的比值；

根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化。

可选地，多个所述传感器的敏感电极布设位置形成一个圆周，多个所述传感器的敏感电极均匀分布在所述圆周上。

可选地，当所述系统包含的传感器的数量为偶数时，所述根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化，具体包括：

根据所述圆周上正对的两个传感器输出的信号值之间的比值，检测所述转子和所述定子间的间距变化。

可选地，当所述系统包含的传感器的数量为奇数时，所述根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化，具体包括：

根据所述圆周上角度相差最大的两个传感器输出的信号值之间的比值，检测所述转子和所述定子间的间距变化。

可选地，在根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化之前，还包括以下步骤：

通过比较多个所述比值检测出故障传感器，过滤掉通过故障传感器输出的信号值计算得到的比值；

所述根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化，具体包括：

根据过滤后的比值检测所述转子和所述定子间的间距变化。

可选地，在根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化之前，还包括以下步骤：

根据所述比值对应的两个传感器之间间隔的角度确定所述比值对应的权重；

所述根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化，具体包括：

根据多个所述比值以及各个所述比值对应的权重，检测所述转子和所述定子间的间距变化。

可选地，所述处理器用于执行以下步骤：

计算多个所述信号值的变化率；

所述根据所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化，具体包括：

根据所述变化率和所述比值检测所述转子和所述定子间的间距变化。

可选地，所述传感器为电容传感器、平面电感传感器或磁传感器，所述电容传感器的两个电极在一个平面内。

与现有技术相比，本申请实施例提供的电机定子和转子间距变化的在线检测系统至少具有以下带有益效果：

(1)由于通过传感器输出信号的比值的持续变化和突变来检测转子和定子间的间距，因此，因传感器漂移引起的误差基本被消除，即使不同传感器电极不均匀地被污染物附着，其带来的误差也可以被消除，从而提高了系统的可靠性；

(2)通过比较多组传感器输出信号的比值可以检测出敏感电极发生氧化或被污染的故障传感器，在数据处理时过滤掉通过故障传感器测得的数据，通过算法消除故障传感器带来的误差，从而减少了维护传感器次数和成本；

(3)传感器暴露在定子内侧的只是敏感电极，因此，传感器能够很好地承受电机高速转动引起的强烈振动，传感器的抗震动和抗冲击能力较强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请一实施例的电机定子和转子间距变化的在线检测系统的结构示意图；

图2a为转子正常转动过程中某一时刻转子所处位置的示意图；

图2b为转子发生较大振动过程中t1时刻转子所处位置的示意图；

图2c为转子发生较大振动过程中t2时刻转子所处位置的示意图；

图3为布设8个传感器时的各个传感器所处位置的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

如图1所示，本申请实施例提供了一种电机定子和转子间距变化的在线检测系统，包括：处理器20以及多个传感器10，多个传感器10均与处理器20连接。

如图1所示，系统中各个传感器10的敏感电极分别布设在定子30内壁上多个不同的位置，各个传感器10的敏感电极正对转子40，以便传感器10能够正确测量定子30和转子40间的距离，传感器10的物理参数随传感器10的敏感电极到转子的距离的变化而变化，传感器10物理参数的变化导致传感器10输出的信号值(电压值或电流值)变化，因此，传感器10输出的信号值与传感器10到转子40的距离值相关。

其中，传感器可以是电容传感器、平面电感传感器或磁传感器等，此处使用的电容传感器的两个电极在一个平面内。传感器的敏感电极正对转子，是指传感器的探测端面(即电极)需要正对转子。

当转子正常转动时，转子和定子间的间距应当是保持不变或变化非常小的，因此，电容传感器的电容值基本不变。而当转子相对定子发生较大的振动时，转子和定子间的间距会发生较大的变化，导致电容传感器的电容值发生较大波动，因此，通过检测电容传感器的电容值，就可以检测电机的转子在转动过程中是否发生振动以及振动的幅度。

当转子正常转动时，转子和定子间的间距应当是保持不变或变化非常小的，因此，平面电感传感器的电感值基本不变。而当转子相对定子发生较大的振动时，转子和定子间的间距会发生较大的变化，导致平面电感传感器的电感值发生较大波动，因此，通过检测平面电感传感器的电感值，就可以检测电机的转子在转动过程中是否发生振动以及振动的幅度。

磁传感器通过感应磁场强度来检测转子和定子间间距的变化。转子为金属材料制成的，当转子相对定子发生较大的振动时，转子相对定子的间距会发生较大的变化，导致磁场传感器周围的磁场值(如磁通量)发生变化，因此，通过检测磁传感器可以检测出磁场的变化，从而检测出转子和定子间间距的变化。磁传感器可以是采用霍尔(hall)元件，各向异性磁电阻(anisotropicmagnetoresistance,amr)元件或巨磁电阻(giantmagnetoresistance,gmr)元件作为敏感元件制成的磁传感器。

无论采用上述哪种传感器，传感器暴露在定子内侧的只是探测端面，即电极，因此，传感器能够很好地承受电机高速转动引起的强烈振动，传感器的抗震动和抗冲击能力较强。

需要说明的是，上述各种传感器工作的监测频率应该高于电机转速的频率4-10倍以上。

处理器获取各个传感器输出的信号值，传感器输出的信号值可以是电压值或电流值。处理器综合多个传感器输出的信号值检测转子和定子间的间距变化，处理器执行其内部存储的应用程序以实现以下步骤：

s101、获取各个传感器输出的信号值；

s102、计算获取到的多个信号值中任意两个信号值之间的比值；

s103、根据比值检测转子和定子间的间距变化。

具体实施时，可根据比值的持续变化和突变来检测转子和定子间的间距变化。比值保持稳定，则表明转子和定子间距稳定，电机正常工作。一旦比值发生突变，就说明转子发生了偏离轴心的振动，比值突变的幅度越大，振动越大，突变持续时间越久，说明转子振动所带来的潜在故障的可能性越大、离故障发生的时间越近。

其中，计算两个信号值之间的比值时，需要保证两个信号值的采集时刻相同。由于传感器输出的信号值是连续的，因此，可以持续获取到电机运转过程中各个时刻对应的比值，实现对电机的在线检测。

当只使用一个传感器进行检测时，单个传感器输出的信号值受环境影响，容易存在误差。

当使用两个传感器进行检测时，由于两个传感器处在同一环境内，因环境因素引起的传感器输出值的漂移应当是一致的，因此，通过计算这两个传感器输出信号值的比值，可以消除环境因素以及传感器漂移带来的误差。参考图2a，当转子40正常转动时，转子40和定子30间的间距应当是保持不变或变化非常小的，因此，同一时刻下，转子40距离传感器1和传感器5距离是相等或相近的，传感器1和传感器5输出信号的比值接近1，且比值较为稳定。而当转子40相对定子30发生较大的振动时，转子40和定子30间的间距会发生较大的变化，图2b为转子40发生较大振动过程中t1时刻转子40所处位置的示意图，转子40距离传感器1较近，而距离传感器5较远，因此，传感器1和传感器5输出信号的比值会偏离1，且转子振动越大，比值偏离1越多，图2c为转子发生较大振动过程中t2时刻转子所处位置的示意图，转子距离传感器1较远，而距离传感器5较近，因此，传感器1和传感器5输出信号的比值还会随着转子40的转动发生周期性的波动，转子40振动越大，比值的波动幅度越大。

当然，实际应用时，可在定子内部布设两个以上传感器，计算任意两个传感器输出信号的比值，得到多组比值，综合多组比值检测定子和转子间间距的变化，进一步减小测量误差。例如，若采用3个传感器，两两组合，可得到3组比值。

容易理解的是，相同情况下，两个传感器靠得越近，其输出信号的比值越靠近1，两个传感器相距越远，其输出信号的比值越偏离1。因此，选择相距较远的两个传感器的输出信号计算比值，而不需要计算所有传感器输出信号之间的比值。

为了降低各个传感器对应的检测点的差异度，在布设传感器时，定子内壁上的多个传感器的布设位置应当形成一个圆周，多个传感器均匀分布在该圆周上。如图3所示，布设8个传感器时，间隔45°设置一个传感器。

当系统中包含的传感器的数量为偶数，且所有传感器均匀分布在圆周上时，圆周上正对的两个传感器相距最远，将正对的两个传感器输出的信号值进行比较计算，此时，处理器用于执行以下步骤：获取多个传感器输出的信号值，计算获取到的多个信号值中任意两个信号值之间的比值，根据圆周上正对的两个传感器输出的信号值之间的比值，检测所述转子和所述定子间的间距变化。此处，处理器可以仅计算圆周上正对的两个传感器输出的信号值之间的比值。

例如，如图3所示，当有8个传感器时，处理器获取这8个传感器输出的信号值，根据传感器1和传感器5的信号值计算得到第一比值，根据传感器2和传感器6的信号值计算得到第二比值，根据传感器3和传感器7的信号值计算得到第三比值，根据传感器4和传感器8的信号值计算得到第四比值，再通过综合分析第一比值、第二比值、第三比值和第四比值确定转子和定子间的间距变化，例如，可以是计算四个比值的平均值，该平均值越接近1，则定转子和定子间的间距变化越小，转子越稳定，该平均值越原理1，则定转子和定子间的间距变化越大，转子振动越剧烈。通过多组传感器之间的比值，进一步减小环境因素对检测结果的影响。

当系统中包含的传感器的数量为奇数，且所有传感器均匀分布在圆周上时，处理器用于执行以下步骤：获取多个传感器输出的信号值，计算获取到的多个信号值中任意两个信号值之间的比值，根据圆周上角度相差最大的两个传感器输出的信号值之间的比值，检测转子和定子间的间距变化。此处，处理器可以仅计算圆周上角度相差最大的两个传感器输出的信号值之间的比值。

在数据处理过程中，处理器还用于执行以下步骤：通过比较多个比值检测出故障传感器，过滤掉通过故障传感器输出的信号值计算得到的比值。然后，处理器根据过滤后的比值检测转子和定子间的间距变化，以此消除故障传感器带来的干扰。

引起传感器的故障的因素可能是，传感器的敏感电极发生氧化，或敏感电极被污染物附着，或者传感器电路故障等等。通过上述方法，即使传感器的发生故障，也可通过处理器内部的算法消除故障传感器带来的干扰。

具体实施过程中，当一个传感器表面落上异物时，会导致通过这个传感器输出信号计算得到的比值会发生突变，因此，可通过综合多组传感器之间的比值，来消除上述情况带来的干扰。如图3所示，正常情况下，传感器1和传感器5的比值如果发生突变，那么传感器1和传感器4、传感器1和传感器6的比值也会有很大的变化；但是，如果传感器1和传感器4、传感器1和传感器6的比值没有变化，只有传感器1和传感器5的比值发生突变，则表明传感器5的电极表面受到较大污染，在数据处理中过滤掉与传感器5相关的比值。

因此，通过比较多组传感器输出信号的比值可以检测出敏感电极发生氧化或被污染的故障传感器，在数据处理时过滤掉通过故障传感器测得的数据，通过算法消除故障传感器带来的误差，从而减少了维护传感器次数和成本。

容易理解的是，相同情况下，两个传感器的间隔角度越小，其输出信号的比值越靠近1，即比值对转子振动不太敏感；两个传感器的间隔角度越大，其输出信号的比值越偏离1，即比值对转子振动较敏感。因此，转子发生振动时，两个传感器间相差的角度越接近180度，计算得到的比值偏离1的幅度越大，这样的比值对转子振动的灵敏度也越高。在数据处理过程中，灵敏度越高的比值应当获得越大的权重。

为此，在数据处理过程中，处理器还用于执行以下步骤：根据比值对应的两个传感器之间间隔的角度确定比值对应的权重。然后，处理器根据多个比值以及各个比值对应的权重，检测转子和定子间的间距变化。

以图3所示排布方式为例，传感器1和传感器5间隔角度为180度，间隔角度最大，权重应当最大；传感器1和传感器2间隔角度为45度，间隔角度最小，权重应当最小。根据比值的灵敏度，赋予不同比值不同的权重，可以提高检测结果的精度。

此外，各个传感器输出的信号值也具有一定的参考意义，因此，处理器在处理信号值时，还用于执行以下步骤：计算各个传感器输出的信号值的变化率。然后，处理器根据各个传感器的信号值的变化率和多组传感器的比值，综合分析转子和定子间的间距变化。

与现有技术相比，本实施例的电机定子和转子间距变化的在线检测系统至少具有如下优势：

(1)由于通过传感器输出信号的比值的持续变化和突变来检测转子和定子间的间距，因此，因传感器漂移引起的误差基本被消除，即使不同传感器电极不均匀地被污染物附着，其带来的误差也可以被消除，从而提高了系统的可靠性；

(2)通过比较多组传感器输出信号的比值可以检测出敏感电极发生氧化或被污染的故障传感器，在数据处理时过滤掉通过故障传感器测得的数据，通过算法消除故障传感器带来的误差，从而减少了维护传感器次数和成本；

(3)传感器暴露在定子内侧的只是敏感电极，因此，传感器能够很好地承受电机高速转动引起的强烈振动，传感器的抗震动和抗冲击能力较强。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。