專利名稱：基于靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)范圍，特別涉及ー種基于靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)速是反映旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行狀況的重要參數(shù)之一。轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于エ業(yè)領(lǐng)域中發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、離心機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)及速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。轉(zhuǎn)速測(cè)量精度、實(shí)時(shí)性和可靠性是保障高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵，因此，尋找一種精確、快速、經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)歩，轉(zhuǎn)速測(cè)量方法已經(jīng)從過去的接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量發(fā)展到現(xiàn)在的視頻技術(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)速。但是，每種測(cè)量方法都存在其局限性。例如，機(jī)械式轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量精度不高，測(cè)量范圍有限；光電式轉(zhuǎn)速計(jì)容易受電磁干擾和轉(zhuǎn)動(dòng)干擾且易受到惡劣環(huán)境的影響；磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速計(jì)溫度誤差大，在結(jié)構(gòu)上對(duì)旋轉(zhuǎn) 磁鋼和鋁盤的軸的對(duì)稱性要求高；頻閃式轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量時(shí)要求轉(zhuǎn)速狀態(tài)穩(wěn)定，不適合高速測(cè)量。本發(fā)明提出的一種基于靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，是利用被測(cè)旋轉(zhuǎn)物體與空氣等介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)物體表面積累靜電荷，并在靜電傳感器陣列上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。通過靜電傳感器對(duì)感應(yīng)電荷放大，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、處理后，進(jìn)行相關(guān)性分析、計(jì)算和數(shù)據(jù)融合，最后得到旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速。此方法屬于非接觸式測(cè)量，避免了機(jī)械磨損，成本低，而且適用于惡劣的環(huán)境條件。特別是在相對(duì)高轉(zhuǎn)速情況下，可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量轉(zhuǎn)速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置及方法。一種基于靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的組成靜電傳感器I均勻分布在被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件邊緣外圍組成靜電傳感器陣列，感應(yīng)所在位置處旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)信息；每個(gè)靜電傳感器I表面涂覆電極絕緣材料3，由電極絕緣材料3與金屬屏蔽殼4絕緣；每個(gè)靜電傳感器I的輸出都通過信號(hào)線與信號(hào)調(diào)理單元5連接，信號(hào)調(diào)理單元5通過信號(hào)處理單元6與微處理器系統(tǒng)7連接。所述信號(hào)處理單元6的輸出連接至微處理器系統(tǒng)7的互相關(guān)分析模塊連接；所述微處理器系統(tǒng)7包括串聯(lián)的互相關(guān)分析模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)融合模塊；所述靜電傳感器為細(xì)條狀的靜電電極，在轉(zhuǎn)軸截面轉(zhuǎn)動(dòng)方向，電極寬度取決于被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的尺寸和所采用靜電電極個(gè)數(shù)，取值為l-5mm;在轉(zhuǎn)軸的軸向，電極長(zhǎng)度為10-30mmo所述靜電傳感器陣列根據(jù)被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件大小差異、轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高低相應(yīng)的調(diào)整靜電電極個(gè)數(shù)為2至8個(gè)電扱，2至8個(gè)靜電電極足以滿多種應(yīng)用場(chǎng)合。所述細(xì)條狀靜電電極由不銹鋼或銅片制成，電極絕緣材料由聚氯こ烯、環(huán)氧樹脂或聚基酰胺制成。所述金屬屏蔽殼由不銹鋼或銅制成，并將全部電極屏蔽，防止外界因素對(duì)靜電傳感器陣列的干擾。ー種靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，其特征在干，利用靜電傳感器陣列感應(yīng)所在位置處旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，該轉(zhuǎn)動(dòng)信息代表著不同位置的靜電信號(hào)，靜電信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理單元5進(jìn)行放大、濾波后，經(jīng)信號(hào)處理單元6送入微處理器系統(tǒng)7，由互相關(guān)分析模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)融合模塊對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行多路相關(guān)分祈、轉(zhuǎn)速計(jì)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終得到被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速，其中，當(dāng)靜電傳感器陣列的靜電電極個(gè)數(shù)為η時(shí)，信號(hào)多路相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下
Iil M = (^~(I)
Σ Σ Ψ,^(2)
ΣΣ^2>,(々)ろ(々+坩)べ⑷=廠..................................Y卜-Λ⑴^ --(4)
Ty其中，▽為旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)的平均線速度，η為電極個(gè)數(shù)，L為相鄰兩電極中心之間的弧長(zhǎng)。Xi (k), Xj (k) (k=0, I, 2, ···, N-1, ···, N+M-l ；i, j=l, 2，…，η)分別表不等間隔尚散化的靜電信號(hào)Xi (t)和\(t)，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，M為延時(shí)點(diǎn)數(shù)的最大值。Tu為相關(guān)函數(shù)的渡越時(shí)間，即被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件從電極i轉(zhuǎn)到電極j的時(shí)間。m (m=0, I,…，Μ)為對(duì)應(yīng)于延時(shí)τ的延時(shí)點(diǎn)數(shù)。Rij. (m) (i, j=l, 2，…，η)為Xi (k)和Xj (k)的歸ー化互相關(guān)函數(shù)，r^·為互相關(guān)系數(shù)，即Ru(m)的峰值高度。為由第i個(gè)和第j個(gè)靜電電極信號(hào)所得的線速度。所述利用多路相關(guān)計(jì)算的結(jié)果分析得到被測(cè)部件的正向或反向的旋轉(zhuǎn)方向。本發(fā)明有益效果是采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕和安裝容易的靜電傳感器陣列對(duì)旋轉(zhuǎn)部件感應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速；靜電傳感器直接獲取旋轉(zhuǎn)部件表面的靜電信息，通過信號(hào)調(diào)理、處理單元減小背景噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響；其次，利用信號(hào)相關(guān)性原理建立靜電信號(hào)與轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到實(shí)時(shí)、可靠的旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速。


圖I為基于四電極的靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理示意圖，圖中1.靜電傳感器，2.被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件，3.電極絕緣材料，4.金屬屏蔽売，5.信號(hào)調(diào)理單元，6.信號(hào)處理單元，7.微處理器系統(tǒng)。圖2為被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的軸向示意圖。圖3為六電極靜電傳感器陣列分布示意圖。圖4為八電極靜電傳感器陣列分布示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種基于靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置及方法。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以說明如下圖1、2所示為基于四電極的靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理示意圖。圖中，所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的組成靜電傳感器I均勻分布在被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件邊緣外圍的A、B、C、D處組成靜電傳感器陣列，以感應(yīng)所在位置(如圖I、圖2、圖3和圖4中的A、B、C、D。E、F、G、H)處旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)信息；每個(gè)靜電傳感器I表面涂覆絕緣材料3，由絕緣材料3與金屬屏蔽殼4絕緣；每個(gè)靜電傳感器I的輸出都通過信號(hào)線與信號(hào)調(diào)理單元5連接，信號(hào)調(diào)理單元5通過信號(hào)處理單元6的輸出連接至微處理器系統(tǒng)7的互相關(guān)分析模塊連接；其中，微處理器系統(tǒng)7包括串聯(lián)的互相關(guān)分析模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)融合模塊。所述靜電傳感器為細(xì)條狀的靜電電極，在轉(zhuǎn)軸截面轉(zhuǎn)動(dòng)方向，電極寬度取決于被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的尺寸和所采用靜電電極個(gè)數(shù)，取值為l-5mm;在轉(zhuǎn)軸的軸向，電極長(zhǎng)度為10-30mmo所述靜電傳感器陣列根據(jù)被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件大小差異、轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高低相應(yīng)的調(diào)整靜電電極個(gè)數(shù)為2至8個(gè)電扱，2至8個(gè)靜電電極足以滿多種應(yīng)用場(chǎng)合。所述細(xì)條狀靜電電極由不銹鋼或銅片制成，電極絕緣部分由聚氯こ烯或環(huán)氧樹月旨、聚基酰胺等絕緣材料制成。所述金屬屏蔽殼由不銹鋼或銅制成，并將全部電極屏蔽，防止外界因素對(duì)靜電傳感器陣列的干擾。ー種靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，其特征在干，利用靜電傳感器陣列感應(yīng)所在位置處旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，該轉(zhuǎn)動(dòng)信息代表著不同位置的靜電信號(hào)，靜電信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理單元5進(jìn)行放大、濾波后，經(jīng)信號(hào)處理單元6送入微處理器系統(tǒng)7，由互相關(guān)分析模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)融合模塊對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行多路相關(guān)分祈、轉(zhuǎn)速計(jì)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終得到被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速，其中，當(dāng)靜電傳感器陣列的靜電電極個(gè)數(shù)為η時(shí)，信號(hào)多路相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下RPM =(I )
HL
權(quán)利要求
1.一種靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的組成靜電傳感器(I)均勻分布在被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件邊緣外圍組成靜電傳感器陣列，感應(yīng)所在位置處旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)信息；每個(gè)靜電傳感器(I)表面涂覆電極絕緣材料(3)，由電極絕緣材料(3)與金屬屏蔽殼(4)絕緣；每個(gè)靜電傳感器(I)的輸出都通過信號(hào)線與信號(hào)調(diào)理單元(5)連接，信號(hào)調(diào)理單元(5)通過信號(hào)處理單元(6)與微處理器系統(tǒng)(7)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述信號(hào)處理單元的輸出連接至微處理器系統(tǒng)(7)的互相關(guān)分析模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述微處理器系統(tǒng)包括串聯(lián)的互相關(guān)分析模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)融合模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述靜電傳感器為細(xì)條狀的靜電電極，在轉(zhuǎn)軸截面轉(zhuǎn)動(dòng)方向，電極寬度取決于被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的尺寸和所采用靜電電極個(gè)數(shù)，取值為1_5_ ;在轉(zhuǎn)軸的軸向，電極長(zhǎng)度為10-30_。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述靜電傳感器陣列根據(jù)被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件大小差異、轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高低相應(yīng)的調(diào)整靜電電極個(gè)數(shù)為2至8個(gè)電極，2至8個(gè)靜電電極足以滿多種應(yīng)用場(chǎng)合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述細(xì)條狀靜電電極由不銹鋼或銅片制成，電極絕緣材料由聚氯乙烯、環(huán)氧樹脂或聚基酰胺制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，其特征在于，所述金屬屏蔽殼由不銹鋼或銅制成，并將全部電極屏蔽，防止外界因素對(duì)靜電傳感器陣列的干擾。
8.一種靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，其特征在于，利用靜電傳感器陣列感應(yīng)所在位置處旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，該轉(zhuǎn)動(dòng)信息代表著不同位置的靜電信號(hào)，靜電信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理單元(5)進(jìn)行放大、濾波后，經(jīng)信號(hào)處理單元(6)送入微處理器系統(tǒng)(7)，由互相關(guān)分析模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)融合模塊對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行多路相關(guān)分析、轉(zhuǎn)速計(jì)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終得到被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速，其中，當(dāng)靜電傳感器陣列的靜電電極個(gè)數(shù)為η時(shí)，信號(hào)多路相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下 RPM(I) "人 η-\ η Σ Σ Ψν v = JIUzM_(2) η-\ η ΣΣ^戶+1
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，其特征在于，所述利用多路相關(guān)計(jì)算的結(jié)果分析得到被測(cè)部件的正向或反向的旋轉(zhuǎn)方向。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)范圍的一種基于靜電傳感器陣列和數(shù)據(jù)融合的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置及方法。該靜電傳感器陣列測(cè)轉(zhuǎn)速裝置包括在被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件邊緣外圍等距離安裝一組靜電傳感器，組成靜電傳感器陣列，靜電電傳感器陣列通過靜電感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)反映部件旋轉(zhuǎn)信息的靜電信號(hào)，該靜電信號(hào)由調(diào)理單元將信號(hào)放大、濾波，經(jīng)信號(hào)處理單元送入微處理器系統(tǒng)，在微處理器內(nèi)對(duì)全部靜電信號(hào)進(jìn)行多路相關(guān)分析、轉(zhuǎn)速計(jì)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而獲得被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速。相比于現(xiàn)有的模擬法、頻閃法、計(jì)數(shù)法等轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，靜電傳感器陣列測(cè)轉(zhuǎn)速法構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、不易受環(huán)境因素的影響，屬于非接觸測(cè)量方法，且具有較高的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01P3/44GK102854332SQ20121034449
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者閆勇, 王麗娟, 錢相臣 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)