本發(fā)明屬于轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)范圍，特別涉及一種基于靜電傳感器的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(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)用于工業(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。目前常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法中：光電式轉(zhuǎn)速計(jì)需要在轉(zhuǎn)軸上安裝光電碼盤或者在轉(zhuǎn)軸表面貼附反光條，而且測(cè)量性能容易受環(huán)境粉塵、油污的影響；磁阻式、磁電式以及電渦流式轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，在轉(zhuǎn)軸上均需要安裝附加元件，如霍爾元件、測(cè)速齒輪或鍵相，無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度的直接測(cè)量。近年來(lái)，閆勇等人提出了利用靜電傳感器實(shí)現(xiàn)非金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度直接測(cè)量的裝置及方法[ZL201210344563.3,ZL201210344496.5]，并取得了良好的測(cè)量效果。然而，針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備多為金屬轉(zhuǎn)子而且轉(zhuǎn)速范圍變化大的問(wèn)題，技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提出一種基于靜電傳感器的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量裝置及方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量裝置包括：介電標(biāo)記1粘貼、噴涂或鑲嵌在被測(cè)金屬轉(zhuǎn)子2的圓周上，靜電傳感器3安裝在被測(cè)金屬轉(zhuǎn)子2邊緣外圍，每個(gè)靜電電極4周圍由絕緣材料5絕緣，靜電電極4后側(cè)為信號(hào)預(yù)放大電路，位于金屬屏蔽殼6內(nèi)；靜電電極4、信號(hào)調(diào)理單元7、信號(hào)處理單元8和信號(hào)分析單元9串聯(lián)。所述介電標(biāo)記材料為易產(chǎn)生并積累靜電荷的聚四氟固體材料或涂料。所述介電標(biāo)記的個(gè)數(shù)為單個(gè)或多個(gè)：當(dāng)介電標(biāo)記為1個(gè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中靜電傳感器輸出單個(gè)脈沖的靜電信號(hào)；當(dāng)介電標(biāo)記為多個(gè)時(shí)，介電標(biāo)記的固定位置按不等間隔的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生以形成多個(gè)隨機(jī)脈沖的靜電信號(hào)，相鄰兩個(gè)標(biāo)記的中心間距至少為2倍的標(biāo)記寬度。一種基于靜電傳感器的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量裝置的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量方法，其特征在于，靜電電極(4)感應(yīng)的靜電信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理單元7進(jìn)行放大、濾波后，經(jīng)信號(hào)處理單元8送入信號(hào)分析單元9對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)、互相關(guān)、多路相關(guān)及數(shù)據(jù)融合，最終得到金屬轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；具體算法如下：若轉(zhuǎn)子直徑為D，標(biāo)記在圓周方向?qū)挾葹閣，標(biāo)記個(gè)數(shù)為n，相鄰兩個(gè)介電標(biāo)記1的中心間距為d1,d2,d3…dn，則各變量滿足如下關(guān)系：Σi=1ndn=πDdi≥2w---(1)]]>其介電標(biāo)記1的形狀、尺寸、厚度根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)子大小和固定方式而定，但是介電標(biāo)記1的寬度不超過(guò)靜電電極4的寬度。所述靜電傳感器電極為條形或弧形，在轉(zhuǎn)軸截面轉(zhuǎn)動(dòng)方向，靜電傳感器電極寬度為轉(zhuǎn)子直徑的0.05‐0.1倍；在轉(zhuǎn)軸的軸向，靜電電極長(zhǎng)度為20mm‐50mm；靜電電極距離絕緣條的距離為2mm‐10mm。所述靜電傳感器為單電極靜電傳感器、雙電極靜電傳感器或陣列式靜電傳感器；其中，雙電極靜電傳感器的電極間距為其電極寬度的2‐4倍；陣列式靜電傳感器根據(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)地調(diào)整傳感器個(gè)數(shù)。所述單電極靜電傳感器適用于平穩(wěn)速度的測(cè)量，雙電極和多電極靜電傳感器對(duì)變動(dòng)速度的響應(yīng)快。所述靜電傳感器為單電極靜電傳感器時(shí)，信號(hào)自相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下：ρ(m)=Σk=1NS(k)S(k+m)Σk=1NS2(k)---(2)]]>RPM=60T---(3)]]>式中，S(k)(k＝1,2,…,2N)表示等間隔離散化的靜電信號(hào)S(t)，k為靜電信號(hào)的采樣點(diǎn)，N為相關(guān)計(jì)算的點(diǎn)數(shù)，m為延時(shí)點(diǎn)數(shù)。ρ(m)為S(k)的歸一化自相關(guān)函數(shù)；RPM為由信號(hào)S(k)得到的轉(zhuǎn)速，T為旋轉(zhuǎn)周期，是ρ(m)中除m＝0以外的第一個(gè)峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值。所述靜電傳感器為雙電極靜電傳感器時(shí)，信號(hào)互相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下：ρ12(m)=Σk=1NS1(k)S2(k+m)(Σk=1NS12(k))(Σk=1NS22(k))---(4)]]>RPM=30απt---(5)]]>ρ12(m)為S1(k)和S2(k)的歸一化互相關(guān)函數(shù)。RPM為由信號(hào)S1(k)和S2(k)得到的轉(zhuǎn)速，α為兩個(gè)靜電電極距離轉(zhuǎn)子中心的夾角；τ為被測(cè)轉(zhuǎn)子從靜電電極1旋轉(zhuǎn)到靜電電極2的時(shí)間，也是ρ12(m)的渡越時(shí)間，即峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間值。所述靜電傳感器為陣列式分布時(shí)，感應(yīng)電極個(gè)數(shù)為n時(shí)，信號(hào)多路相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下：ρij(m)=Σk=1NSi(k)Sj(k+m)(Σk=1NSi2(k))(Σk=1NSj2(k))---(6)]]>ωij=(j-i)2πnτij---(7)]]>ω‾=Σi=1n-1Σj=i+1nrijωijΣi=1n-1Σj=i+1nrij---(8)]]>rij＝max(ρij)(9)RPM=30ω‾π---(10)]]>其中，Si(k)、Sj(k)(k＝1,2,…,2N)表示第i、j個(gè)靜電電極采集到的靜電信號(hào)Si(t)、Sj(t)的離散化形式；ρij(m)為靜電信號(hào)Si(t)、Sj(t)的歸一化自相關(guān)函數(shù)；ωij為由Si(t)、Sj(t)得到的角速度，τij為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)第i個(gè)電極和第j個(gè)電極所用的時(shí)間；τij由互相關(guān)函數(shù)ρij(m)確定；將Si(t)、Sj(t)的相關(guān)系數(shù)rij作為權(quán)重，采用加權(quán)平均算法得到轉(zhuǎn)子的角速度RPM為多路互相關(guān)及數(shù)據(jù)融合計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的有益效果是：靜電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速測(cè)量而且能夠通過(guò)在金屬轉(zhuǎn)子上粘貼、噴涂或鑲嵌介電標(biāo)記實(shí)現(xiàn)金屬轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速測(cè)量；單電極靜電傳感器、雙電極靜電傳感器以及陣列式靜電傳感器的不同配置方案能夠?qū)崿F(xiàn)低速、中速、高速的轉(zhuǎn)速測(cè)量，提高了轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍。利用信號(hào)相關(guān)分析和數(shù)據(jù)融合技術(shù)建立的轉(zhuǎn)速測(cè)量模型，能夠?qū)D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)、可靠的測(cè)量。附圖說(shuō)明圖1為基于雙電極靜電傳感器的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量裝置及方法的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1.介電標(biāo)記，2.被測(cè)金屬轉(zhuǎn)子，3.靜電傳感器，4.靜電電極，5.絕緣材料，6.金屬屏蔽殼，7.信號(hào)調(diào)理單元，8.信號(hào)處理單元，9.微處理器系統(tǒng)。圖2為金屬轉(zhuǎn)子上7個(gè)介電標(biāo)記安裝方式示意圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明提供一種基于靜電傳感器的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(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(shuō)明如下：圖1所示為基于雙電極靜電傳感器的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量裝置及方法的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，所述介電標(biāo)記1通過(guò)(1)粘貼方式；(2)噴涂方式或(3)鑲嵌方式固定在被測(cè)金屬轉(zhuǎn)子被測(cè)金屬轉(zhuǎn)子2的圓周上，介電標(biāo)記材料為易產(chǎn)生并積累靜電荷的固體材料或涂料，如聚四氟。介電標(biāo)記的個(gè)數(shù)可以為單個(gè)或多個(gè)：當(dāng)介電標(biāo)記為一個(gè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中靜電傳感器輸出單個(gè)脈沖的靜電信號(hào)；當(dāng)介電標(biāo)記為多個(gè)時(shí)，介電標(biāo)記的固定位置按不等間隔的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生以形成多個(gè)隨機(jī)脈沖的靜電信號(hào)，相鄰兩個(gè)標(biāo)記的中心間距至少為2倍的標(biāo)記寬度。介電標(biāo)記的形狀、尺寸、厚度根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)子大小和固定方式而定，一般情況下介電標(biāo)記的寬度不超過(guò)靜電電極的寬度。靜電傳感器(3)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)子邊緣外圍，靜電傳感器電極為條形或弧形，在轉(zhuǎn)軸截面轉(zhuǎn)動(dòng)方向，電極寬度取決于被測(cè)轉(zhuǎn)子的直徑大小，一般為轉(zhuǎn)子直徑的0.05‐0.1倍。在轉(zhuǎn)軸的軸向，電極長(zhǎng)度一般為20mm‐50mm。電極距離絕緣條的距離為2mm‐10mm。靜電傳感器可以為單電極靜電傳感器、雙電極靜電傳感器或陣列式靜電傳感器。雙電極靜電傳感器的電極間距為電極寬度的2‐4倍。陣列式靜電傳感器可根據(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)整傳感器個(gè)數(shù)。每個(gè)靜電電極4周圍由絕緣材料5絕緣，靜電電極后側(cè)的信號(hào)預(yù)放大電路，位于金屬屏蔽殼6內(nèi)，將電極上的靜電信號(hào)預(yù)放大，預(yù)放大電路由金屬屏蔽殼6屏蔽，防止外界因素的干擾。靜電信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理單元7進(jìn)行放大、濾波后，經(jīng)信號(hào)處理單元8送入信號(hào)分析單元9對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)、互相關(guān)、多路相關(guān)及數(shù)據(jù)融合，最終得到被測(cè)金屬轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明基于靜電傳感器的金屬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量方法是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的靜電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、處理后進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速。當(dāng)靜電傳感器為單電極靜電傳感器時(shí)，信號(hào)自相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下：ρ(m)=Σk=1NS(k)S(k+m)Σk=1NS2(k)---(1)]]>RPM=60T---(2)]]>其中，S(k)(k＝1,2,…,2N)表示等間隔離散化的靜電信號(hào)S(t)，k為靜電信號(hào)的采樣點(diǎn)，N為相關(guān)計(jì)算的點(diǎn)數(shù)，m為延時(shí)點(diǎn)數(shù)。ρ(m)為S(k)的歸一化自相關(guān)函數(shù)。RPM為由信號(hào)S(k)得到的轉(zhuǎn)速。T為旋轉(zhuǎn)周期，是ρ(m)中除m＝0以外的第一個(gè)峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值。當(dāng)靜電傳感器為雙電極靜電傳感器時(shí)，信號(hào)互相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下：ρ12(m)=Σk=1NS1(k)S2(k+m)(Σk=1NS12(k))(Σk=1NS22(k))---(3)]]>RPM=30απt---(4)]]>ρ12(m)為S1(k)和S2(k)的歸一化互相關(guān)函數(shù)。RPM為由信號(hào)S1(k)和S2(k)得到的轉(zhuǎn)速，α為兩個(gè)靜電電極距離轉(zhuǎn)子中心的夾角。τ為被測(cè)轉(zhuǎn)子從第一個(gè)靜電電極4旋轉(zhuǎn)到第二個(gè)靜電電極4的時(shí)間，也是ρ12(m)的渡越時(shí)間，即峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間值。當(dāng)靜電傳感器為陣列式分布時(shí)，感應(yīng)電極個(gè)數(shù)為n時(shí)，信號(hào)多路相關(guān)分析計(jì)算轉(zhuǎn)速模型如下：ρij(m)=Σk=1NSi(k)Sj(k+m)(Σk=1NSi2(k))(Σk=1NSj2(k))---(5)]]>ωij=(j-i)2πnτij---(6)]]>ω‾=Σi=1n-1Σj=i+1nrijωijΣi=1n-1Σj=i+1nrij---(7)]]>rij＝max(ρij)(8)RPM=30ω‾π---(9)]]>其中，Si(k)、Sj(k)(k＝1,2,…,2N)表示第i、j個(gè)靜電電極采集到的靜電信號(hào)Si(t)、Sj(t)的離散化形式。ρij(m)為靜電信號(hào)Si(t)、Sj(t)的歸一化自相關(guān)函數(shù)。ωij為由Si(t)、Sj(t)得到的角速度，τij為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)第i個(gè)電極和第j個(gè)電極所用的時(shí)間。τij由互相關(guān)函數(shù)ρij(m)確定。將Si(t)、Sj(t)的相關(guān)系數(shù)rij作為權(quán)重，采用加權(quán)平均算法得到轉(zhuǎn)子的角速度RPM為多路互相關(guān)及數(shù)據(jù)融合計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3