CN100383488C - 一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器，属于传感器技术和间隙或位移测量技术领域。首先在被测转动轴上设置定子和转子，以构成位移测量传感器。定子为内环带有齿状探头的圆环铁芯，探头上绕有线圈，每组探头中的线圈按自感式绕制，根据气隙磁导率、线圈总匝数、探头磁极宽度等参数，即可计算转动轴的轴向位移X方向及Y方向的径向位移。本发明的方法及传感器，有效地简化了位移传感器的安装，减少测量空间，并能抵消温度变化、电磁辐射、地线传导等外部因素对测量的共模干扰，提高了测量的精度和抗干扰能力。本发明提出的传感器适用于一些恶劣的工作环境，例如磁悬浮轴承中。

Description

一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器

技术领域

本发明涉及一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器，属于传感器技术和间隙或位移测量技术领域。

背景技术

在一些对高速旋转轴的振动进行测量的场合，常常要求进行非接触测量，以避免传感器探头损害被测体表面。目前，转动轴非接触测量通常采用电涡流位移传感器或电容位移传感器。图6是已有技术中，用电涡流传感器测量转动轴轴向和径向位移的结构示意图。传感器探头15安装在转动轴1的轴端，用于测量转动轴轴向位移。传感器探头14、16对称安装在转动轴1的径向表面附近，用于测量转动轴的一个径向方向的位移。如果要测另外一个径向方向的位移，还需要安装两个与探头2、4成90度夹角的传感器探头。显然采用这种方式的传感器结构将增加轴向长度，安装结构非常复杂。而且轴向测量的传感器探头还可能由于转动轴的径向位置变化或热胀冷缩影响，使测量结果不仅反映了轴向位移的变化，还受径向位移变化等因素的影响，同样，径向测量的传感器探头也会受安装位置偏差的影响。这些因素都增大了位移测量误差，甚至有可能危及机组的安全运行。常规的电涡流位移传感器和电容传感器的另一个缺点是，容易受电磁干扰，在恶劣环境中抗干扰能力较差。随着磁悬浮轴承的愈来愈广泛的应用，迫切需要新的轴向位移测量方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器，改变已有测量装置的结构，使结构简单可靠，并提高抗干扰能力，在恶劣环境中能长期可靠地工作。

本发明提出的同步测量转动轴径向和轴向位移的方法，首先在被测转动轴的衬套上设置非导磁压环，非导磁压环中镶嵌转子，在被测转动轴的衬套外套装一个定子外壳，在定子外壳内并行设置第一定子、第二定子和第三定子，三个定子之间设有垫片，第二定子与所述的转子的中心位置相对，定子与转子构成位移测量传感器。第一定子和第三定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组齿状探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2个探头，每组探头中的线圈按自感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第三定子之间的线圈按差动方式连接；第二定子为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有4个齿状探头，4个齿状探头中的线圈按自感式或互感式绕制，位置以轴心相对的两组探头之间的线圈按差动方式连接。第二定子的齿状探头与第一、第三定子的齿状探头沿圆周相差45°。则转动轴的轴向位移为： $\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔLz}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b},$ 转动轴X方向的径向位移为： $\mathrm{\Δx}=-\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLx}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}},$ Y方向的径向位移为： $\mathrm{\Δy}=-\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLy}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}},$ 其中ΔLz为第一定子和第三定子的线圈差动连接后电感的总变化量(L_z1+L_z2+L_z3+L_z4)-(L_z1′+L_z2′+L_z3′+L_z4′)，ΔLx为第二定子在X方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量(L_x+-L_x-)，ΔLy为第二定子在Y方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量(L_y+-L_y-)，Δx为转动轴移动时X方向的径向位移，Δy为转动轴移动时Y方向的径向位移，Δz为转动轴移动时的轴向位移，μ₀为第一、第二、第三定子齿状探头与转子之间的气隙磁导率，N₁为第一、第三定子每组探头的线圈总匝数，N₂为第二定子每组探头的线圈总匝数，b为第一、第二、第三定子齿状探头的齿宽，即探头磁极宽度，c为第一、第二、第三定子的厚度，a₀为初始位置时转动轴与传感器定子的径向间隙。

上述方法中的非导磁压环由铝或铜制成。第一定子、第二定子和第三定子的圆环铁芯由硅钢或坡莫合金制成。

本发明提出的同步测量转动轴径向和轴向位移的传感器，包括非导磁压环、转子、第一定子、第二定子和第三定子。非导磁压环安置在被测转动轴的衬套上，所述的转子镶嵌在非导磁压环中。第一定子、第二定子和第三定子依次并行安置在传感器定子外壳内，由定位螺钉固定，定子之间设有垫片，第二定子与所述的转子的中心相对。第一定子和第三定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组齿状探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2～10个探头，每组探头中的线圈按自感式或互感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第三定子之间的线圈按差动方式连接；第二定子为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2～10个齿状探头，齿状探头中的线圈按自感式或互感式绕制，位置以轴心相对的两组探头之间的线圈按差动方式连接；所述的第二定子的齿状探头与第一、第三定子的齿状探头沿圆周相差45°。

上述传感器中，第一定子和第三定子每组探头中有2个探头，第二定子每组探头中有4个探头。

本发明提出的一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器，通过径向布置的电感线圈对两个径向和一个轴向位移信号进行同步测量和处理，能有效地简化位移传感器的安装，减少测量空间，而且该传感器线圈按差动方式连接，可以有效地抵消温度变化、电磁辐射、地线传导等外部因素对测量的共模干扰，大大提高了测量的精度和抗干扰能力，可以实现100米以上的长距离传输，而电涡流传感器的信号直接传输距离一般不超过10余米。因此，本发明提出的传感器适用于一些恶劣的工作环境，例如磁悬浮轴承中。

附图说明

图1是本发明传感器的结构示意图。

图2是本发明的传感器中第一和第三定子的结构示意图。

图3是本发明的传感器中第二定子的结构示意图。

图4是图1的A-A剖视图，以显示第一定子、第二定子和第三定子的装配关系。

图5是本发明方法的测量原理图，其中(a)是初始位置，(b)是转动轴移动后位置。

图6是已有的电涡流传感器测量转动轴轴向和径向位移的结构示意图。

图1～图6中，1转轴是衬套，2是定位螺钉，3是传感器定子外壳，4是第一定子，5是垫片，6是第二定子，7是垫片，8是第三定子，9是非导磁压环，10是转子，11是转轴，12是定子铁芯，由硅钢或坡莫合金等导磁材料制成，13是在定子内环齿状探头上绕制的线圈，14、15、16分别是已有测量装置中的电涡流传感器探头。b为第一、第二、第三定子铁芯内环上的齿状探头的齿宽，即探头的磁极宽度，c为第一、第二、第三定子铁芯内环上的齿状探头的齿厚，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙，z₀为初始位置时转动轴上的两个交界面至第一和第三定子内侧端面的距离，Δx为转轴移动时X方向的径向间隙变化，Δy为转轴移动时Y方向的径向间隙变化，Δz为Z方向移动的位移。

具体实施方式

本发明提出的同步测量转动轴径向和轴向位移的方法，首先在被测转动轴上设置非导磁压环，非导磁压环中镶嵌转子，在被测转动轴的衬套外套装一个定子外壳，在定子外壳内并行设置第一定子、第二定子和第三定子，三个定子之间设有垫片，第二定子与所述的转子的中心位置相对，定子与转子构成位移测量传感器。第一定子和第三定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组齿状探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2个探头，每组探头中的线圈按自感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第三定子之间的线圈按差动方式连接；第二定子为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有4个齿状探头，4个齿状探头中的线圈按自感式或互感式绕制，位置以轴心相对的两组探头之间的线圈按差动方式连接。第二定子的齿状探头与第一、第三定子的齿状探头沿圆周相差45°。则转动轴的轴向位移为： $\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔLz}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b},$ 转动轴X方向的径向位移为： $\mathrm{\Δx}=-\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLx}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}},$ Y方向的径向位移为： $\mathrm{\Δy}=-\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLy}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}},$ 其中ΔLz为第一定子和第三定子的线圈差动连接后电感的总变化量(L_z1+L_z2+L_z3+L_z4)-(L_z1′+L_z2′+L_z3′+L_z4′)，ΔLx为第二定子在X方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量(L_x+-L_x-)，ΔLy为第二定子在Y方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量(L_y+-L_y-)，Δx为转动轴移动时X方向的径向位移，Δy为转动轴移动时Y方向的径向位移，Δz为转动轴移动时的轴向位移，μ₀为第一、第二、第三定子齿状探头与转子之间的气隙磁导率，N₁为第一、第三定子每组探头的线圈总匝数，N_z为第二定子每组探头的线圈总匝数，b为第一、第二、第三定子齿状探头的齿宽，即探头磁极宽度，c为第一、第二、第三定子的厚度，a₀为初始位置时转动轴与传感器定子的径向间隙。

上述方法中的非导磁压环由铝或铜制成。第一定子、第二定子和第三定子的圆环铁芯由硅钢或坡莫合金制成。

本发明提出的同步测量转动轴径向和轴向位移的传感器，其结构如图1所示，包括非导磁压环9、转子10、第一定子4、第二定子6和第三定子8。非导磁压环9安置在被测转动轴的衬套1上，所述的转子10镶嵌在非导磁压环9中。第一定子4、第二定子6和第三定子8依次并行安置在传感器定子外壳3内，由定位螺钉2固定，定子之间设有垫片5和7，第二定子6与所述的转子10的中心相对。第一定子4和第三定子6的结构如图2所示，分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯12，齿状探头上绕有线圈13，齿状探头有4组，4组齿状探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2～10个探头，每组探头中的线圈按自感式或互感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第三定子之间的线圈按差动方式连接。第二定子6的结构如图3所示，为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2～10个齿状探头，齿状探头中的线圈按自感式或互感式绕制，位置以轴心相对的两组探头之间的线圈按差动方式连接。第二定子的齿状探头与第一、第三定子的齿状探头沿圆周相差45°，如图4所示。

本发明的一个实施例中，第一定子和第三定子每组探头中有2个探头，如图2所示，第二定子每组探头中有4个探头，如图3所示。

上述传感器中，构成第一定子、第二定子和第三定子的圆环铁芯12，可以用导磁率较高的硅钢或坡莫合金等导磁材料制成。每组探头中的线圈13按自感式绕制。第一和第三定子上的4组探头线圈分别依次串联，两个定子之间将线圈按差动方式连接。第二定子上的4组探头线圈中，相对的两组探头之间的线圈分别按差动方式连接。

图5是本发明方法的测量原理图，图中只标明了径向的X方向和轴向的Z方向，而径向的Y方向与X、Z方向夹角各为90度，未能在图5中标出。以下结合附图5介绍本发明方法的测量原理：

图5中Lz1为第一定子4的+X方向探头的电感值，Lz₃为第一定子4的-X方向探头的电感值，Lz₁’为第三定子8的+X方向探头的电感值，Lz₃’为第三定子8的-X方向探头的电感值，Lx-为第二定子6的-X方向探头的电感值，Lx+为第二定子6的+X方向探头的电感值。a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙，z₀为初始位置时转动轴上的两个交界面至第一、第三传感器定子(4，8)内侧端面的距离。Δx为转轴移动时X方向向上的径向间隙变化，即X径向位移，Δy为转轴移动时Y方向向上的径向间隙变化，即Y径向位移，Δz为Z方向向左移动的距离，即Z方向的位移。

当转动轴1位于图5所示的初始位置时，即传感器转子10的两个交界面分别位于两个定子铁芯端面的中心。没有径向移动时，由于第一和第三两个定子分别由周向90度均匀分布的4组依次串联的电感组成，当转轴产生径向间隙变化而无轴向移动时，总电感值保持不变，因而两个传感器定子线圈差动后输出为0。同时，第二定子上的4组探头线圈中，相对的两组探头之间的线圈分别按差动方式连接，因而输出也为0。

当转动轴的径向和轴向位置发生变化时，转动轴上的两个交界面与三个传感器定子的相对位置发生变化，使得三个传感器定子4、6和8的电感值均发生变化。

根据电感原理，在X方向，若径向间隙变化为Δx，转轴向左移动距离为Δz，则有：

第一定子在+X方向探头的电感值： $L_{z1}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b(z_0+\mathrm{\Δz})}{2(a_0+\mathrm{\Δx}/\sqrt{2})}$

第一定子在-X方向探头的电感值： $L_{z3}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b(z_0+\mathrm{\Δz})}{2(a_0-\mathrm{\Δx}/\sqrt{2})}$

第二定子在+X方向探头的电感值： ${L_{z1}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b(z_0-\mathrm{\Δz})}{2(a_0+\mathrm{\Δx}/\sqrt{2})}$

第二定子在-X方向探头的电感值： ${L_{z3}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b(z_0-\mathrm{\Δz})}{2(a_0-\mathrm{\Δx}/\sqrt{2})}$

当径向间隙变化范围Δx较小时，可得：

$(L_{z1}+L_{z3})-(L_{z1}\′+L_{z3}\′)=\frac{2{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^2\mathrm{b\Δz}}{a_0}$

同理，在与X成90度的Y方向，当径向间隙变化范围Δy较小时，数学推导可得：

$(L_{z2}+L_{z4})-({L_{z2}}^{\′}+{L_{z4}}^{\′})=\frac{2{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^2\mathrm{b\Δz}}{a_0}$

因此，第一定子和第二定子线圈差动连接后电感值的总变化量：

$\mathrm{\ΔL}=(L_{z1}+L_{z2}+L_{z3}+L_{z4})-({L_{z1}}^{\′}+{L_{z2}}^{\′}+{L_{z3}}^{\′}+{L_{z4}}^{\′})=\frac{4{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^2\mathrm{b\Δz}}{a_0}$ 即：

$\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔL}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b}$

式中ΔL为第一定子和第三定子线圈差动连接后电感值的总变化量，Δz为转动轴移动时Z方向向左移动的距离，μ₀为气隙磁导率，N₁为第一定子和第三定子每组探头的线圈总匝数，b为传感器定子内环带有齿状探头齿宽，即探头的磁极宽度，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙。

同理，第二定子在+X方向探头的电感值： $L_{x+}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}}{2(a_0+\mathrm{\Δx})}$

第二定子在-X方向探头的电感值： $L_{x-}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}}{2(a_0-\mathrm{\Δx})}$

第二定子在+Y方向探头的电感值： $L_{y+}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}}{2(a_0+\mathrm{\Δy})}$

第二定子在-Y方向探头的电感值： $L_{x+}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}}{2(a_0-\mathrm{\Δy})}$

当径向间隙变化范围Δx和Δy较小时，可得：

$\mathrm{\Δx}=\frac{{a_0}^2(L_{x+}-L_{x-})}{{\mathrm{\μ}}_0{N}^2\mathrm{bc}}=-\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLx}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}}$

$\mathrm{\Δy}=\frac{{a_0}^2(L_{y+}-L_{y-})}{{\mathrm{\μ}}_0{N}^2\mathrm{bc}}=\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLy}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}},$

式中ΔLx为第二定子的在X方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量(L_x+-L_x-)，ΔLy为第二定子的在Y方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量(L_y+-L_y-)，Δx为转动轴移动时X方向的径向位移，Δy为转动轴移动时Y方向的径向位移，μ₀为定子的齿形探头与转子之间的气隙磁导率，N₂为第二定子每组探头的线圈总匝数，b为定子内环齿状探头的齿宽，即探头磁极宽度，c为定子的厚度，a₀为转动轴在初始位置时与传感器定子的径向间隙。

上式清楚地表明，径向位移Δx与第二定子上X方向相对的两组探头线圈差动后的电感输出成线形关系，与Δy，Δz无关。径向位移Δy与第二定子上Y方向相对的两组探头线圈差动后的电感输出成线形关系，与Δx，Δz无关。轴向位移Δz与第一、第三定子4和8上线圈差动后的电感输出成线性关系，与径向位移Δx，Δy无关，从而实现了径轴向位移的同步测量。

Claims (5)

1.一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法，其特征在于该方法在被测转动轴上设置非导磁压环，非导磁压环中镶嵌转子，在被测转动轴的衬套外套装一个定子外壳，在定子外壳内并行设置第一定子、第二定子和第三定子，三个定子之间设有垫片，第二定子与所述的转子的中心位置相对，定子与转子构成位移测量传感器；所述的第一定子和第三定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组齿状探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2个探头，每组探头中的线圈按自感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第三定子之间的线圈按差动方式连接；第二定子为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有4个齿状探头，4个齿状探头中的线圈按自感式绕制，位置以轴心相对的两组探头之间的线圈按差动方式连接；所述的第二定子的齿状探头组的中心与第一、第三定子的齿状探头组的中心沿圆周相差45°，则转动轴的轴向位移为： $\mathrm{\Δz}=\frac{a_0\mathrm{\ΔLz}}{4{\mathrm{\μ}}_0{N_1}^{2}b},$ 转动轴X方向的径向位移为： $\mathrm{\Δx}=-\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLx}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}},$ Y方向的径向位移为： $\mathrm{\Δy}=-\frac{{a_0}^2\mathrm{\ΔLy}}{{\mathrm{\μ}}_0{N_2}^2\mathrm{bc}},$ 其中ΔLz为第一定子和第三定子的线圈差动连接后电感的总变化量，ΔLx为第二定子在·X方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量，ΔLy为第二定子在Y方向相对的两组探头线圈差动连接后电感的变化量，Δx为转动轴移动时X方向的径向位移，Δy为转动轴移动时Y方向的径向位移，Δz为转动轴移动时的轴向位移，μ₀为第一、第二、第三定子齿状探头与转子之间的气隙磁导率，N₁为第一、第三定子每组探头的线圈总匝数，N₂为第二定子每组探头的线圈总匝数，b为第一、第二、第三定子齿状探头的齿宽，即探头磁极宽度，c为第一、第二、第三定子的厚度，a₀为初始位置时转动轴与传感器定子的径向间隙。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的非导磁压环由铝或铜制成。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的第一定子、第二定子和第三定子的圆环铁芯由硅钢或坡莫合金制成。

4.一种同步测量转动轴径向和轴向位移的传感器，其特征在于该传感器包括非导磁压环、转子、第一定子、第二定子和第三定子；所述的非导磁压环安置在被测转动轴的衬套上，所述的转子镶嵌在非导磁压环中；所述的第一定子、第二定子和第三定子依次并行安置在传感器定子外壳内，由定位螺钉固定，定子之间设有垫片，第二定子与所述的转子的中心相对；所述的第一定子和第三定子分别为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组齿状探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2～10个探头，每组探头中的线圈按自感式或互感式绕制，4组探头线圈依次串联，第一和第三定子之间的线圈按差动方式连接；第二定子为一内环带有齿状探头的圆环铁芯，齿状探头上绕有线圈，齿状探头有4组，4组探头沿圆环铁芯的内环圆周均布，每组探头中有2～10个齿状探头，齿状探头中的线圈按自感式或互感式绕制，位置以轴心相对的两组探头之间的线圈按差动方式连接；所述的第二定子的齿状探头组的中心与第一、第三定子的齿状探头组的中心沿圆周相差45°。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于其中所述的第一定子和第三定子每组探头中有2个探头，第二定子每组探头中有4个探头。

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