一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法及其傳感器的製作方法
2023-12-10 06:59:32
專利名稱：一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法及其傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法及其傳感器，屬於傳感器技術和間隙或位移測量技術領域。
背景技術：
在一些對高速旋轉軸的振動進行測量的場合，常常要求進行非接觸測量，以避免傳感器探頭損害被測體表面。目前，轉動軸非接觸測量通常採用電渦流位移傳感器或電容位移傳感器。圖6是已有技術中，用電渦流傳感器測量轉動軸軸向和徑向位移的結構示意圖。傳感器探頭15安裝在轉動軸1的軸端，用於測量轉動軸軸向位移。傳感器探頭14、16對稱安裝在轉動軸1的徑向表面附近，用於測量轉動軸的一個徑向方向的位移。如果要測另外一個徑向方向的位移，還需要安裝兩個與探頭2、4成90度夾角的傳感器探頭。顯然採用這種方式的傳感器結構將增加軸向長度，安裝結構非常複雜。而且軸向測量的傳感器探頭還可能由於轉動軸的徑向位置變化或熱脹冷縮影響，使測量結果不僅反映了軸向位移的變化，還受徑向位移變化等因素的影響，同樣，徑向測量的傳感器探頭也會受安裝位置偏差的影響。這些因素都增大了位移測量誤差，甚至有可能危及機組的安全運行。常規的電渦流位移傳感器和電容傳感器的另一個缺點是，容易受電磁幹擾，在惡劣環境中抗幹擾能力較差。隨著磁懸浮軸承的愈來愈廣泛的應用，迫切需要新的軸向位移測量方法。
發明內容
本發明的目的是提出一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法及其傳感器，改變已有測量裝置的結構，使結構簡單可靠，並提高抗幹擾能力，在惡劣環境中能長期可靠地工作。
本發明提出的同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法，首先在被測轉動軸的襯套上設置非導磁壓環，非導磁壓環中鑲嵌轉子，在被測轉動軸的襯套外套裝一個定子外殼，在定子外殼內並行設置第一定子、第二定子和第三定子，三個定子之間設有墊片，第二定子與所述的轉子的中心位置相對，定子與轉子構成位移測量傳感器。第一定子和第三定子分別為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組齒狀探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2個探頭，每組探頭中的線圈按自感式繞制，4組探頭線圈依次串聯，第一和第三定子之間的線圈按差動方式連接；第二定子為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有4個齒狀探頭，4個齒狀探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，位置以軸心相對的兩組探頭之間的線圈按差動方式連接。第二定子的齒狀探頭與第一、第三定子的齒狀探頭沿圓周相差45°。則轉動軸的軸向位移為z=a0Lz40N12b,]]>轉動軸X方向的徑向位移為x=-a02Lx0N22bc,]]>Y方向的徑向位移為y=-a02Ly0N22bc,]]>其中ΔLz為第一定子和第三定子的線圈差動連接後電感的總變化量(Lz1+Lz2+Lz3+Lz4)-(Lz1′+Lz2′+Lz3′+Lz4′)，ΔLx為第二定子在X方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Lx+-Lx-)，ΔLy為第二定子在Y方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Ly+-Ly-)，Δx為轉動軸移動時X方向的徑向位移，Δy為轉動軸移動時Y方向的徑向位移，Δz為轉動軸移動時的軸向位移，μ0為第一、第二、第三定子齒狀探頭與轉子之間的氣隙磁導率，N1為第一、第三定子每組探頭的線圈總匝數，N2為第二定子每組探頭的線圈總匝數，b為第一、第二、第三定子齒狀探頭的齒寬，即探頭磁極寬度，c為第一、第二、第三定子的厚度，a0為初始位置時轉動軸與傳感器定子的徑向間隙。
上述方法中的非導磁壓環由鋁或銅製成。第一定子、第二定子和第三定子的圓環鐵芯由矽鋼或坡莫合金製成。
本發明提出的同步測量轉動軸徑向和軸向位移的傳感器，包括非導磁壓環、轉子、第一定子、第二定子和第三定子。非導磁壓環安置在被測轉動軸的襯套上，所述的轉子鑲嵌在非導磁壓環中。第一定子、第二定子和第三定子依次並行安置在傳感器定子外殼內，由定位螺釘固定，定子之間設有墊片，第二定子與所述的轉子的中心相對。第一定子和第三定子分別為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組齒狀探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2～10個探頭，每組探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，4組探頭線圈依次串聯，第一和第三定子之間的線圈按差動方式連接；第二定子為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2～10個齒狀探頭，齒狀探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，位置以軸心相對的兩組探頭之間的線圈按差動方式連接；所述的第二定子的齒狀探頭與第一、第三定子的齒狀探頭沿圓周相差45°。
上述傳感器中，第一定子和第三定子每組探頭中有2個探頭，第二定子每組探頭中有4個探頭。
本發明提出的一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法及其傳感器，通過徑向布置的電感線圈對兩個徑向和一個軸向位移信號進行同步測量和處理，能有效地簡化位移傳感器的安裝，減少測量空間，而且該傳感器線圈按差動方式連接，可以有效地抵消溫度變化、電磁輻射、地線傳導等外部因素對測量的共模幹擾，大大提高了測量的精度和抗幹擾能力，可以實現100米以上的長距離傳輸，而電渦流傳感器的信號直接傳輸距離一般不超過10餘米。因此，本發明提出的傳感器適用於一些惡劣的工作環境，例如磁懸浮軸承中。
圖1是本發明傳感器的結構示意圖。
圖2是本發明的傳感器中第一和第三定子的結構示意圖。
圖3是本發明的傳感器中第二定子的結構示意圖。
圖4是圖1的A-A剖視圖，以顯示第一定子、第二定子和第三定子的裝配關係。
圖5是本發明方法的測量原理圖，其中(a)是初始位置，(b)是轉動軸移動後位置。
圖6是已有的電渦流傳感器測量轉動軸軸向和徑向位移的結構示意圖。
圖1～圖6中，1轉軸是襯套，2是定位螺釘，3是傳感器定子外殼，4是第一定子，5是墊片，6是第二定子，7是墊片，8是第三定子，9是非導磁壓環，10是轉子，11是轉軸，12是定子鐵芯，由矽鋼或坡莫合金等導磁材料製成，13是在定子內環齒狀探頭上繞制的線圈，14、15、16分別是已有測量裝置中的電渦流傳感器探頭。b為第一、第二、第三定子鐵芯內環上的齒狀探頭的齒寬，即探頭的磁極寬度，c為第一、第二、第三定子鐵芯內環上的齒狀探頭的齒厚，a0為轉動軸在初始位置時與傳感器定子的徑向間隙，z0為初始位置時轉動軸上的兩個交界面至第一和第三定子內側端面的距離，Δx為轉軸移動時X方向的徑向間隙變化，Δy為轉軸移動時Y方向的徑向間隙變化，Δz為Z方向移動的位移。
具體實施例方式
本發明提出的同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法，首先在被測轉動軸上設置非導磁壓環，非導磁壓環中鑲嵌轉子，在被測轉動軸的襯套外套裝一個定子外殼，在定子外殼內並行設置第一定子、第二定子和第三定子，三個定子之間設有墊片，第二定子與所述的轉子的中心位置相對，定子與轉子構成位移測量傳感器。第一定子和第三定子分別為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組齒狀探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2個探頭，每組探頭中的線圈按自感式繞制，4組探頭線圈依次串聯，第一和第三定子之間的線圈按差動方式連接；第二定子為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有4個齒狀探頭，4個齒狀探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，位置以軸心相對的兩組探頭之間的線圈按差動方式連接。第二定子的齒狀探頭與第一、第三定子的齒狀探頭沿圓周相差45°。則轉動軸的軸向位移為z=a0Lz40N12b,]]>轉動軸X方向的徑向位移為x=-a02Lx0N22bc,]]>Y方向的徑向位移為y=-a02Ly0N22bc,]]>其中ΔLz為第一定子和第三定子的線圈差動連接後電感的總變化量(Lz1+Lz2+Lz3+Lz4)-(Lz1′+Lz2′+Lz3′+Lz4′)，ΔLx為第二定子在X方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Lx+-Lx-)，ΔLy為第二定子在Y方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Ly+-Ly-)，Δx為轉動軸移動時X方向的徑向位移，Δy為轉動軸移動時Y方向的徑向位移，Δz為轉動軸移動時的軸向位移，μ0為第一、第二、第三定子齒狀探頭與轉子之間的氣隙磁導率，N1為第一、第三定子每組探頭的線圈總匝數，N2為第二定子每組探頭的線圈總匝數，b為第一、第二、第三定子齒狀探頭的齒寬，即探頭磁極寬度，c為第一、第二、第三定子的厚度，a0為初始位置時轉動軸與傳感器定子的徑向間隙。
上述方法中的非導磁壓環由鋁或銅製成。第一定子、第二定子和第三定子的圓環鐵芯由矽鋼或坡莫合金製成。
本發明提出的同步測量轉動軸徑向和軸向位移的傳感器，其結構如圖1所示，包括非導磁壓環9、轉子10、第一定子4、第二定子6和第三定子8。非導磁壓環9安置在被測轉動軸的襯套1上，所述的轉子10鑲嵌在非導磁壓環9中。第一定子4、第二定子6和第三定子8依次並行安置在傳感器定子外殼3內，由定位螺釘2固定，定子之間設有墊片5和7，第二定子6與所述的轉子10的中心相對。第一定子4和第三定子6的結構如圖2所示，分別為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯12，齒狀探頭上繞有線圈13，齒狀探頭有4組，4組齒狀探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2～10個探頭，每組探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，4組探頭線圈依次串聯，第一和第三定子之間的線圈按差動方式連接。第二定子6的結構如圖3所示，為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2～10個齒狀探頭，齒狀探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，位置以軸心相對的兩組探頭之間的線圈按差動方式連接。第二定子的齒狀探頭與第一、第三定子的齒狀探頭沿圓周相差45°，如圖4所示。
本發明的一個實施例中，第一定子和第三定子每組探頭中有2個探頭，如圖2所示，第二定子每組探頭中有4個探頭，如圖3所示。
上述傳感器中，構成第一定子、第二定子和第三定子的圓環鐵芯12，可以用導磁率較高的矽鋼或坡莫合金等導磁材料製成。每組探頭中的線圈13按自感式繞制。第一和第三定子上的4組探頭線圈分別依次串聯，兩個定子之間將線圈按差動方式連接。第二定子上的4組探頭線圈中，相對的兩組探頭之間的線圈分別按差動方式連接。
圖5是本發明方法的測量原理圖，圖中只標明了徑向的X方向和軸向的Z方向，而徑向的Y方向與X、Z方向夾角各為90度，未能在圖5中標出。以下結合附圖5介紹本發明方法的測量原理圖5中Lz1為第一定子4的+X方向探頭的電感值，Lz3為第一定子4的-X方向探頭的電感值，Lz1』為第三定子8的+X方向探頭的電感值，Lz3』為第三定子8的-X方向探頭的電感值，Lx-為第二定子6的-X方向探頭的電感值，Lx+為第二定子6的+X方向探頭的電感值。a0為轉動軸在初始位置時與傳感器定子的徑向間隙，z0為初始位置時轉動軸上的兩個交界面至第一、第三傳感器定子(4，8)內側端面的距離。Δx為轉軸移動時X方向向上的徑向間隙變化，即X徑向位移，Δy為轉軸移動時Y方向向上的徑向間隙變化，即Y徑向位移，Δz為Z方向向左移動的距離，即Z方向的位移。
當轉動軸1位於圖5所示的初始位置時，即傳感器轉子10的兩個交界面分別位於兩個定子鐵芯端面的中心。沒有徑向移動時，由於第一和第三兩個定子分別由周向90度均勻分布的4組依次串聯的電感組成，當轉軸產生徑向間隙變化而無軸向移動時，總電感值保持不變，因而兩個傳感器定子線圈差動後輸出為0。同時，第二定子上的4組探頭線圈中，相對的兩組探頭之間的線圈分別按差動方式連接，因而輸出也為0。
當轉動軸的徑向和軸向位置發生變化時，轉動軸上的兩個交界面與三個傳感器定子的相對位置發生變化，使得三個傳感器定子4、6和8的電感值均發生變化。
根據電感原理，在X方向，若徑向間隙變化為Δx，轉軸向左移動距離為Δz，則有第一定子在+X方向探頭的電感值Lz1=0N12b(z0+z)2(a0+x/2)]]>第一定子在-X方向探頭的電感值Lz3=0N12b(z0+z)2(a0-x/2)]]>第二定子在+X方向探頭的電感值Lz1=0N12b(z0+z)2(a0+x/2)]]>第二定子在-X方向探頭的電感值Lz3=0N12b(z0-z)2(a0-x/2)]]>當徑向間隙變化範圍Δx較小時，可得(Lz1+Lz3)-(Lz1+Lz3)=20N12bza0]]>同理，在與X成90度的Y方向，當徑向間隙變化範圍Δy較小時，數學推導可得(Lz2+Lz4)-(Lz2+Lz4)=20N12bza0]]>因此，第一定子和第二定子線圈差動連接後電感值的總變化量L=(Lz1+Lz2+Lz3+Lz4)-(Lz1+Lz2+Lz3+Lz4)=40N12bza0]]>即z=a0L40N12b]]>式中ΔL為第一定子和第三定子線圈差動連接後電感值的總變化量，Δz為轉動軸移動時Z方向向左移動的距離，μ0為氣隙磁導率，N1為第一定子和第三定子每組探頭的線圈總匝數，b為傳感器定子內環帶有齒狀探頭齒寬，即探頭的磁極寬度，a0為轉動軸在初始位置時與傳感器定子的徑向間隙。
同理，第二定子在+X方向探頭的電感值Lx+=0N22bc2(a0+x)]]>第二定子在-X方向探頭的電感值Lx-=0N22bc2(a0-x)]]>
第二定子在+Y方向探頭的電感值Ly+=0N22bc2(a0+y)]]>第二定子在-Y方向探頭的電感值Lx+=0N22bc2(a0-y)]]>當徑向間隙變化範圍Δx和Δy較小時，可得x=a02(Lx+-Lx-)0N2bc=-a02Lx0N22bc]]>y=a02(Ly+-Ly-)0N2bc=a02Ly0N22bc,]]>式中ΔLx為第二定子的在X方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Lx+-Lx-)，ΔLy為第二定子的在Y方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Ly+-Ly-)，Δx為轉動軸移動時X方向的徑向位移，Δy為轉動軸移動時Y方向的徑向位移，μ0為定子的齒形探頭與轉子之間的氣隙磁導率，N2為第二定子每組探頭的線圈總匝數，b為定子內環齒狀探頭的齒寬，即探頭磁極寬度，c為定子的厚度，a0為轉動軸在初始位置時與傳感器定子的徑向間隙。
上式清楚地表明，徑向位移Δx與第二定子上X方向相對的兩組探頭線圈差動後的電感輸出成線形關係，與Δy，Δz無關。徑向位移Δy與第二定子上Y方向相對的兩組探頭線圈差動後的電感輸出成線形關係，與Δx，Δz無關。軸向位移Δz與第一、第三定子4和8上線圈差動後的電感輸出成線性關係，與徑向位移Δx，Δy無關，從而實現了徑軸向位移的同步測量。
權利要求
1.一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法，其特徵在於該方法在被測轉動軸上設置非導磁壓環，非導磁壓環中鑲嵌轉子，在被測轉動軸的襯套外套裝一個定子外殼，在定子外殼內並行設置第一定子、第二定子和第三定子，三個定子之間設有墊片，第二定子與所述的轉子的中心位置相對，定子與轉子構成位移測量傳感器；所述的第一定子和第三定子分別為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組齒狀探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2個探頭，每組探頭中的線圈按自感式繞制，4組探頭線圈依次串聯，第一和第三定子之間的線圈按差動方式連接；第二定子為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有4個齒狀探頭，4個齒狀探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，位置以軸心相對的兩組探頭之間的線圈按差動方式連接；所述的第二定子的齒狀探頭與第一、第三定子的齒狀探頭沿圓周相差45°，則轉動軸的軸向位移為z=a0Lz40N12b,]]>轉動軸X方向的徑向位移為x=-a02Lx0N22bc,]]>Y方向的徑向位移為y=-a02Ly0N22bc,]]>其中ΔLz為第一定子和第三定子的線圈差動連接後電感的總變化量(Lz1+Lz2+Lz3+Lz4)-(Lz1′+Lz2′+Lz3′+Lz4′)，ΔLx為第二定子在X方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Lx+-Lx-)，ΔLy為第二定子在Y方向相對的兩組探頭線圈差動連接後電感的變化量(Ly+-Ly-)，Δx為轉動軸移動時X方向的徑向位移，Δy為轉動軸移動時Y方向的徑向位移，Δz為轉動軸移動時的軸向位移，μ0為第一、第二、第三定子齒狀探頭與轉子之間的氣隙磁導率，N1為第一、第三定子每組探頭的線圈總匝數，N2為第二定子每組探頭的線圈總匝數，b為第一、第二、第三定子齒狀探頭的齒寬，即探頭磁極寬度，c為第一、第二、第三定子的厚度，a0為初始位置時轉動軸與傳感器定子的徑向間隙。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於其中所述的非導磁壓環由鋁或銅製成。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於其中所述的第一定子、第二定子和第三定子的圓環鐵芯由矽鋼或坡莫合金製成。
4.一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的傳感器，其特徵在於該傳感器包括非導磁壓環、轉子、第一定子、第二定子和第三定子；所述的非導磁壓環安置在被測轉動軸的襯套上，所述的轉子鑲嵌在非導磁壓環中；所述的第一定子、第二定子和第三定子依次並行安置在傳感器定子外殼內，由定位螺釘固定，定子之間設有墊片，第二定子與所述的轉子的中心相對；所述的第一定子和第三定子分別為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組齒狀探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2～10個探頭，每組探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，4組探頭線圈依次串聯，第一和第三定子之間的線圈按差動方式連接；第二定子為一內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿圓環鐵芯的內環圓周均布，每組探頭中有2～10個齒狀探頭，齒狀探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，位置以軸心相對的兩組探頭之間的線圈按差動方式連接；所述的第二定子的齒狀探頭與第一、第三定子的齒狀探頭沿圓周相差45°。
5.如權利要求4所述的傳感器，其特徵在於其中所述的第一定子和第三定子每組探頭中有2個探頭，第二定子每組探頭中有4個探頭。
全文摘要
本發明涉及一種同步測量轉動軸徑向和軸向位移的方法及其傳感器，屬於傳感器技術和間隙或位移測量技術領域。首先在被測轉動軸上設置定子和轉子，以構成位移測量傳感器。定子為內環帶有齒狀探頭的圓環鐵芯，探頭上繞有線圈，每組探頭中的線圈按自感式繞制，根據氣隙磁導率、線圈總匝數、探頭磁極寬度等參數，即可計算轉動軸的軸向位移X方向及Y方向的徑向位移。本發明的方法及傳感器，有效地簡化了位移傳感器的安裝，減少測量空間，並能抵消溫度變化、電磁輻射、地線傳導等外部因素對測量的共模幹擾，提高了測量的精度和抗幹擾能力。本發明提出的傳感器適用於一些惡劣的工作環境，例如磁懸浮軸承中。
文檔編號G01D5/12GK1818539SQ200610064940
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月17日 優先權日2006年3月17日
發明者時振剛, 周燕, 趙雷, 趙晶晶, 孫卓, 石磊, 查美生 申請人:清華大學