一种电机转速测量装置及方法与流程

本申请属于电机转速测量技术领域，特别涉及一种电机转速测量装置及方法。

背景技术：

电机作为一种常用的动力源装置，被广泛应用于工业、农业、日常生活等领域。为了保障人们的生命财产安全，提高系统能效，对电机转速进行准确可靠地测量提出了较高要求。

目前，电机的转速测量方法根据测量原理可以分为两大类：一是直接法，该类方法通过测量电机转轴在一定时间内所旋转的圈数或旋转一定圈数所需要的时间，从而直接换算出电机转速，这类方法主要有光电码盘转速测量法、霍尔元件转速测量法；二是间接法，该类方法利用电机转动时所引起的机械系统某些物理特征的变化，通过建立这些物理量与电机转速的线性关系，从而实现电机转速测量，这类方法主要有离心式转速测量方法、频谱分析法。直接法在应用于实践中所受反映出弊端主要有难以适应恶劣环境，安装空间较大，附加重量太重等。间接法通常将加速度传感器粘贴在电机机壳上检测振动位移信号，再通过相关的信号处理技术得到振动基频，但是目前的加速度传感器容易受到电磁干扰、重量较大、传输距离短等，而且即使利用低通滤波技术，也只能过滤高频信号，并不能降低混杂在基频信号附近的低频噪声。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

技术实现要素：

本申请的目的是提供了一种电机转速测量方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

本申请的第一个方面提供了一种电机转速测量装置，包括：

电机，所述电机包括电机壳体以及电机转轴，所述电机与工控箱电连接；

光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器沿垂直于所述电机转轴的方向设置在所述电机壳体上；

光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪与所述光纤光栅传感器连接，且所述光纤光栅解调仪通过网线连接到计算机上。

可选地，所述光纤光栅传感器设置在所述电机壳体上的连接方式为ab胶粘接、环氧树脂粘接、玻璃焊接、钎焊焊接中的一种。

可选地，所述光纤光栅解调仪设置有fc/apc接口，所述光纤光栅传感器通过光纤跳线与所述光纤光栅解调仪的fc/apc接口连接。

本申请的第二个方面提供了一种电机转速测量方法，基于如上所述的电机转速测量装置，包括：

步骤一：将光纤光栅传感器沿垂直于电机转轴的方向安装在电机外壳上；

步骤二：将所述光纤光栅传感器通过光纤跳线与光纤光栅解调仪连接；

步骤三：通过工控箱控制电机的实际转速，通过计算机采集并保存光纤光栅传感器的中心波长信号；

步骤四：对所述中心波长信号进行处理得到旋转振动基频，60倍的旋转振动基频即为电机的测量转速。

可选地，步骤一中，所述光纤光栅传感器通过ab胶粘接、环氧树脂粘接、玻璃焊接、钎焊焊接中的一种连接方式安装在所述电机壳体上。

可选地，步骤二中，所述光纤光栅传感器通过光纤跳线与光纤光栅解调仪的fc/apc接口连接。

可选地，步骤四中，所述对所述中心波长信号进行处理得到旋转振动基频包括：

通过自相关分析增强所述中心波长信号中的周期信号；

将所述中心波长信号中的周期信号傅里叶变换为频域信号；

获取所述频域信号峰值所在的频率，得到旋转振动基频。

可选地，

在步骤三中，通过工控箱实现对电机的实际转速在多个转速值之间的控制，并通过计算机分别采集并保存各个转速值下的光纤光栅传感器的中心波长信号；

在步骤四中，对各个转速值下的所述中心波长信号进行处理得到旋转振动基频，得到多个对应的电机的测量转速。

可选地，还包括步骤五：将多个电机的实际转速与旋转振动基频进行线性拟合。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的电机转速测量装置，提供电机外壳表面沿垂直于电机转轴设置光纤光栅传感器，可以有效克服传统压电式传感器电磁干扰、安装空间大、难以远距离传输和适应复杂环境的问题，提高转速测量的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的电机转速测量装置示意图；

图2是本申请的电机实际转速为200rpm时的应变幅频图；

图3是本申请的电机实际转速为400rpm时的应变幅频图；

图4是本申请的电机实际转速为600rpm时的应变幅频图；

图5是本申请的电机实际转速为800rpm时的应变幅频图；

图6是本申请的电机实际转速为1000rpm时的应变幅频图；

图7是本申请的电机实际转速为1200rpm时的应变幅频图；

图8是本申请的电机实际转速为1400rpm时的应变幅频图；

图9是本申请的电机实际转速为1600rpm时的应变幅频图；

图10是本申请的电机实际转速为1800rpm时的应变幅频图；

图11是本申请的电机实际转速为2000rpm时的应变幅频图；

图12是本申请一个实施方式的实际转速与动应变基频的线性拟合图。

其中：

1-光纤光栅传感器；2-电机转轴；3-电机；4-光纤光栅解调仪；5-计算机；6-工控箱。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图12对本申请做进一步详细说明。

本申请的第一个方面提供了一种电机转速测量装置，包括：电机3、光纤光栅传感器1、光纤光栅解调仪4以及计算机5。

具体的，如图1所示，电机3包括电机壳体以及电机转轴2，电机3与工控箱6电连接；光纤光栅传感器1沿垂直于电机转轴2的方向设置在电机壳体上；光纤光栅解调仪4与光纤光栅传感器1连接，且光纤光栅解调仪4通过网线连接到计算机5上。

在本申请的一个实施方式中，光纤光栅传感器1可以通过多种方式安装在电机壳体上，例如ab胶粘接、环氧树脂粘接，玻璃焊接，钎焊焊接等。本实施例中，优选光纤光栅传感器1通过ab胶粘接在电机壳体上。光纤光栅解调仪4设置有fc/apc接口，光纤光栅传感器1焊接有光纤跳线，光纤跳线与光纤光栅解调仪4的fc/apc接口连接。

基于上述的电机转速测量装置，本申请的第二个方面提供了一种电机转速测量方法，包括：

步骤一：将光纤光栅传感器沿垂直于电机转轴的方向安装在电机外壳上；

步骤二：将光纤光栅传感器通过光纤跳线与光纤光栅解调仪连接；

步骤三：通过工控箱控制电机的实际转速，通过计算机采集并保存光纤光栅传感器的中心波长信号；

步骤四：对中心波长信号进行处理得到旋转振动基频，60倍的旋转振动基频即为电机的测量转速。

本申请的电机转速测量方法，步骤四中，对中心波长信号进行处理得到旋转振动基频包括：

通过自相关分析增强中心波长信号中的周期信号；

将中心波长信号中的周期信号傅里叶变换为频域信号；

获取频域信号峰值所在的频率，得到旋转振动基频。

本申请的电机转速测量方法，将中心波长在光纤光栅解调仪解调范围内的光纤光栅传感器垂直于电机转轴粘贴在电机外壳上；将光纤光栅传感器与光纤跳线通过光纤焊接机焊接构成一个通道，并将光纤跳线连接到光纤光栅解调仪fc/apc接口上；通过工控箱控制电机的实际转速，随着电机转轴的旋转，电机外壳发生振动从而产生应变，并传递给光纤光栅传感器，光纤光栅解调仪通过内置的宽带光源发出光信号并在光纤中传输，光纤光栅传感器利用不同应变所引起的中心波长变化使光纤光栅解调仪接收到实时变化的光谱，利用光纤光栅波长解调技术获取波长信号，通过计算机采集并保存光纤光栅传感器的中心波长信号；利用自相关分析增强混杂在随机噪声信号里的周期信号，通过傅里叶变换将时域信号转换到频域信号，峰值所在的频率即为与转速成60倍大小关系的旋转振动基频，从而得到电机的测量转速。

在本申请的电机转速测量方法，步骤一中，光纤光栅传感器可以通过ab胶粘接、环氧树脂粘接、玻璃焊接、钎焊焊接中的一种连接方式安装在电机壳体上。步骤二中，光纤光栅传感器通过光纤跳线与光纤光栅解调仪的fc/apc接口连接。

有利的是，本申请的电机转速测量方法，在步骤三中，通过工控箱实现对电机的实际转速在多个转速值之间的控制，并通过计算机分别采集并保存各个转速值下的光纤光栅传感器的中心波长信号；在步骤四中，对各个转速值下的所述中心波长信号进行处理得到旋转振动基频，得到多个对应的电机的测量转速。

进一步，还包括步骤五：将多个电机的实际转速与旋转振动基频进行线性拟合。

在本申请的一个实施方式中，通过工控箱6控制电机的实际转速，从200rpm到2000rpm等间隔200rpm来设置，为了准确判断电机实际转速与测量转速之间相对误差，分别在电机转速稳定工况下采集光纤光栅传感器中心波长信号。

由光纤光栅中心波长的变化量δλ与应变ε和温度t的关系式δλ＝kεε+ktt可知，采集到的中心波长信号不仅仅与由振动引起的动应变有关，还与机壳温度有关。由于温度变化速度相对于应变变化速度要小很多，所以采集到的波长信号可以看作在应变信号里混入了多项式趋势项使动应变基线偏离了零点。在利用matlab进行信号处理时首先通过内置detrend函数来消除多项式趋势项，从而剔除温度对应变信号的干扰；为了增强与电机转速有关的周期应变信号并减小随机噪声干扰引起的非周期应变信号，对应变信号进行自相关分析，在matlab中可以直接调用xcorr函数，由于自相关分析是从时域方向来消除噪声，所以可以有效改善频谱分析的效果，最后进行傅里叶变换得到消噪后频谱图。图2至图11为本实施例中，对多个光纤光栅传感器波长信号进行消除趋势项、自相关分析、傅里叶变换等信号处理后的应变幅频图。图12为实际转速与动应变基频的线性拟合图。由图12可知该测量结果的拟合线性度为1，所以本申请能够可靠测量电机的转速。

本申请的电机转速测量装置及方法，通过在电机外壳表面垂直于转轴粘贴光纤光栅传感器，可以有效克服传统压电式传感器电磁干扰、安装空间大、难以远距离传输和适应复杂环境的问题；而且在动应变信号处理的过程中，采用消除趋势项的手段消除温度干扰以及自相关分析方法来增强与电机转速有关的周期振动信号，极大地提高转速测量的稳定性和可靠性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。