专利名称：一种转速测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及仪器仪表及自动化测试技术领域，特别涉及一种转速测量装置及其测
量方法。
背景技术：
现有技术中自动测量旋转体转速的方法总体上可分成四类(I)光电方法，即在旋转体上装光电码盘或粘贴反光贴纸，通过与旋转体的光束接触和光电传感器将转速信息转换成脉冲式的光学信息，再进一步转换成电信号来测量中、 高速旋转体的转速；(2)电磁方法，即在旋转体上装电磁刻度码盘，通过与旋转体的电磁接触和电磁码盘，将旋转体的转速信息转换成脉冲式的磁信息，再传到外部电磁感应传感器上来测量中速旋转体的转速；(3)无线传输方法，即直接在旋转体上固定加速度传感器、信号处理�？楹臀尴叻⑸淠？椋ü苯佑胄褰哟サ募铀俣却衅鞑馐院臀尴叽浞⑺筒饬孔俚酵獠拷邮掌魃侠床饬恐�、低速旋转体的转速；(4)机械啮合法，即通过直接与旋转体接触的齿轮、齿带的啮合或者同步轮的耦合传动，并配备相应的计时装置，计算出中、低速旋转体的转速。本发明的发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中至少存在以下的缺点和不足上述四类方法有一个共同的要求，就是必须与旋转体有直接接触的信号转换装置，即光电码盘、磁刻度盘、加速度计、啮合传动机构等信号变换、传递装置；基于光电码盘和啮合传动的测速装置(机构)可做成便携式测速仪，但要求被测旋转体有外伸端，以便安装光电码盘或啮合机构。因此，上述四类方法在工程应用、科学研究的很多场合，使用起来极为不便。因为这些场合中往往需要一种既能直接测量旋转体转速，又不必被测旋转体有外伸端的测速装置或系统，尤其是，与封闭于箱体内的旋转体没有直接接触，而在封闭箱体外就能直接测量旋转体转速的装置或系统。
发明内容
本发明提供了一种转速测量装置及其测量方法，本发明实现了在封闭箱体外直接测量旋转体的转速，不需被测旋转体有外伸端，详见下文描述一种转速测量装置，所述装置包括振动信号拾取传感器、信号传输导线和信号分析处理�？椋稣穸藕攀叭〈衅鞴潭ㄉ柚迷诖庑逅诘目翘�、支撑座、刚性地基或者与所述待测旋转体有直接接触的邻近旋转体的刚性物体上；所述振动信号拾取传感器采集待测旋转体激发的振动信号，通过所述信号传输导线将所述振动信号传输到所述信号分析处理�？椋鲂藕欧治龃砟？槎运稣穸藕沤蟹治龃恚崛〕鏊龃庑宓淖�。所述振动信号拾取传感器具体为加速度传感器、速度传感器、位移传感器或力传感器中的任意一种。所述信号分析处理�？榘ㄐ藕挪杉肼瞬ǖ缏返ピ�、运算控制电路单元、按键及数据显示单元、时钟电路单元和电源单元，所述时钟电路单元为所述运算控制电路单元提供控制时钟；所述电源单元分别为所述信号采集与滤波电路单元、所述运算控制电路单元、所述按键及数据显示单元和所述时钟电路单元提供工作电源；通过所述按键及数据显示单元输入测量参数，所述信号采集与滤波电路单元采集所述待测旋转体的振动信号，对所述振动信号进行滤波，将滤波后信号传输到所述运算控制电路单元；所述运算控制电路单元对滤波后信号进行处理，提取出所述待测旋转体的转速并在所述按键及数据显示单元上显示。所述装置还包括数据传输接口单元，所述数据传输接口单元用于与外部装置之间的通讯，所述电源单元为所述数据传输接口单元提供工作电源；所述数据传输接口单元具体为RS232、RS485、USB或CAN中的任意一种。一种转速测量装置的测量方法，所述方法包括以下步骤步骤(I)布置所述转速测量装置，估算所述待测旋转体的转速范围和变化速率， 根据所述转速范围和所述变化速率设置所述转速测量装置的采样频率和数据截断长度；步骤(2)根据所述待测旋转体的传动关系估算振动阶次0 ;步骤(3)根据所述采样频率、所述数据截断长度和所述振动阶次0，对所述振动信号拾取、滤波、数据截断、数据加窗、数据变换、特征数据提取、特征数据校验、转速计算、转速校验、振动阶次校验和转速实时测量获取所述待测旋转体的转速。步骤(3)中所述的根据所述采样频率、所述数据截断长度和所述振动阶次0，对所述振动信号拾取、滤波、数据截断、数据加窗、数据变换、特征数据提取、特征数据校验、转速计算、转速校验、振动阶次校验和转速实时测量获取所述待测旋转体的转速具体为I)以所述采样频率，对所述振动信号进行拾�。袢∷龃庑寮し⒌恼穸藕牛灰运霾裳德实脑ど璞妒允叭『笳穸藕沤械屯瞬ǎ袢÷瞬ê笮藕牛欢月瞬ê蟮氖萁邢推登魇葡畲恚�2)对处理后信号进行数据截断和加窗处理，获取k组数据，k的取值为正整数；3)采用快速傅立叶变换对所述k组数据进行变换处理；4)对所述快速傅立叶变换处理后的数据提取特征数据，即提取各列数据峰值所在的序列位置，获取第一预设个数特征数据，并组成的转置矩阵；5)对所述转置矩阵进行特征数据校验调整，即首先进行列调整，再进行行调整，获取第二预设个数的振动主频率值；6)通过关系式5 = ，依次代入所述第二预设个数的振动主频值，计算得到第二预设个数转速；7)通过实测转速，对所述第二预设个数转速进行校验，并对所述待测旋转体激发的振动阶次进行校验，得到实际振动阶次O ;8)对所述待测旋转体进行连续采样，通过关系式n = fs/0,计算出所述待测旋转体的转速。
本发明提供的技术方案的有益效果是本发明提供了一种转速测量装置及其测量方法，本发明通过对待测旋转体引发的 振动进行测量，并对振动信号进行阶次分析，通过阶次分析从振动信号中提取待测旋转体 的转速信息；并且测量装置的布置不受空间和结构的限制，依据测试现场需要，任意布置； 测量装置不必与待测旋转体有直接接触，不需被测旋转体有外伸端；对于封闭于箱体内的 旋转体，在封闭箱体外就能直接测量其转速，使用方便，满足了实际应用中的需要。
图1为本发明提供的一种转速测量装置的结构示意图；图2为本发明提供的信号分析处理模块的结构示意图；图3为本发明提供的信号分析处理�？榈牧硪唤峁故疽馔迹煌�4为本发明提供的信号分析处理�？榈牡缏吩硗迹煌�5为本发明提供的一种转速测量方法的流程图。附图中，各标号所代表的部件列表如下
1壳体；2:支撑座；
3待测旋转体；4:振动信号拾取传感器；
5信号传输导线；6:信号分析处理�？椋�
61信号釆集与滤波电路单元；62:运算控制电路单元；
63按键及数据显示单元；64:时钟电路单元；
65电源单兀；66:数据传输接口单兀。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。为了在封闭箱体外直接测量旋转体的转速，不需被测旋转体有外伸端，本发明实 施例提供了一种转速测量装置及其测量方法，详见下文描述振动阶次理论是振动信号分析中的一种对应关系理论，即用于描述旋转机械中某 振动信号及其谐波与旋转体旋转频率(工频)的对应关系，该关系式表示为0 = fs/n。
其中，0是振动信号的阶次；fs是旋转体激发的振动信号S的频率，振动信号S是振 动加速度信号、振动速度信号、振动位移信号和振动力信号等四类振动信号中的任意一种， n是旋转体的转速，转速以赫兹(Hz)计，即旋转工频。这里，振动的阶次关系是由以下原因 引起的(1)测试的振动信号S直接由待测旋转体3(参见图1)的转动所激发，即振动信号 S由转速n引起，此时，振动阶次0为自然阶次1。(2)振动信号S由转速n的谐波引起，此时，振动阶次0为自然阶次，即自然数，且 振动信号S的阶次为转速n的倍数关系。(3)振动信号S由转速n或n的谐波,经过传动机构变速引起,此时,振动阶次0为自然阶次乘以传动比，即可能为非整数，但严格对应为传动比的分数乘以某一自然数，这一自然数即为原因(2)中的倍数。(4)振动信号S由转速η经螺栓松动、轴安装不对中、轴带不规则裂纹、高速转子的油膜涡动、油膜振荡、密封和间隙动力失稳等原因引起，此时，振动阶次O为非整数，而且振动信号测得信号表现出较为模糊的阶次关系。上述阶次关系产生的原因中，原因(I)是所有单轴的旋转体旋转过程中必然表现出来的振动阶次关系。例如电机轴、风扇主轴、发动机曲轴和各种单体传动轴等必然存在 I阶振动关系。原因(2)是所有附带有叶片、滚珠和电枢的单轴旋转体在旋转过程中必然表现出来的阶次关系。如，电机转子(轴)带有17对电枢，则必然存在相对于其它阶强烈得多的17阶振动；带有3片风扇叶片的风机主轴，必然存在相对于其它阶强烈得多的3阶振动； 带有13颗滚珠的轴承，必然存在相对于其它阶强烈得多的13阶振动。原因(3)是所有多旋转轴的轴系旋转过程中必然表现出来的振动阶次关系。比如，分布于多根轴上的齿轮，其齿轮副传动的齿数比引起的阶次关系；链传动、齿带传动、同步带传动亦存在类似的数比阶次关系。原因(4)则是本发明实施例应避免或排除的。避免就是在起动旋转体测试其转速之前，检查其安装、润滑、固定螺栓、以及轴上的裂纹，检查轴旋转失稳情况，使其不要出现该类旋转缺陷或故障；排除就是在测得的振动信号中已经有了该类旋转缺陷，通过信号滤波的方式将其虑除。于是，通过加速度传感器、速度传感器、位移传感器和力传感器测得旋转体旋转引起的振动信号S，计数出相应的振动阶次0，即可计算旋转体转速η。而且，所测得的振动信号S不限于在旋转体上测得，既可在旋转体的支撑座上测得，亦可在旋转体的封闭壳体上测得，或者安装地基上、邻近物体上测得。一种转速测量装置，参见图1，该装置包括振动信号拾取传感器4、信号传输导线 5和信号分析处理�？�6,将振动信号拾取传感器4固定设置在待测旋转体3所在的壳体I、支撑座2、刚性地基或者与待测旋转体3有直接接触的邻近旋转体的刚性物体上；振动信号拾取传感器4 采集待测旋转体3激发的振动信号S，通过信号传输导线5将振动信号S传输到信号分析处理�？�6，信号分析处理模块6对振动信号S进行分析处理，提取出待测旋转体3的转速。其中，在采集待测旋转体3的振动信号S之前，本发明实施例还包括信号分析处理�？�6提取出待测旋转体3的转速后并显示或者传输给其它系统、装置或�？椋咛迨迪质保痉⒚魇凳├源瞬蛔鱿拗�。具体实现时，振动信号拾取传感器4具体为加速度传感器、速度传感器、位移传感器或力传感器等四类传感器中的任一种，优先选用加速度传感器，尤其是加速度MEMS传感器，该传感器固定在待测旋转体3所在的壳体I、支撑座2、刚性地基或者与待测旋转体3 有直接接触的邻近旋转体的刚性物体上，并且该传感器不得固定在待测旋转体3上。进一步地，参见图2，信号分析处理�？�6包括信号采集与滤波电路单元61、运算控制电路单元62、按键及数据显示单元63、时钟电路单元64和电源单元65,时钟电路单元64为运算控制电路单元62提供控制时钟；电源单元65分别为信号采集与滤波电路单元61、运算控制电路单元62、按键及数据显示单元63和时钟电路单元64 提供工作电源；通过按键及数据显示单元63为运算控制电路单元62输入测量参数，运算控制电路单元62控制信号采集与滤波电路单元61采集待测旋转体3 (参见图I)的振动信号S，对振动信号S进行滤波，将滤波后信号传输到运算控制电路单元62 ;运算控制电路单元62对滤波后信号进行处理，提取出待测旋转体3的转速并在按键及数据显示单元63上显不O进一步地，参见图3，为了实现本装置与其它系统、装置或�？橹涞氖萁换唬貌饬啃遄俚淖爸没拱ㄊ荽浣涌诘ピ�66，数据传输接口单元66用于与外部装置之间的通讯，电源单元65为数据传输接口单元66提供工作电源，数据传输接口单元66 具体为RS232、RS485、USB或CAN等通用的标准接口之一。参见图4(图中时钟电路单元64及电源单元65未标示)，本发明实施例以信号采集与滤波电路单元61采用二阶双通道低通滤波电路；运算控制电路单元62中的数据采集及AD转换电路，主芯片采用AD7641 ;运算控制电路单元62中的控制电路采用微控制器或 DSP芯片及其外围电路，DSP芯片优选用ADSP219X系列芯片；按键及数据显示单元63优选用基于DMC20261的IXD控制显示电路模块和4x4通用按键电路；数据传输接口单元66优选用基于SLll的USB数据接口电路进行说明，具体实现时，根据实际应用中的需要还可采用其他型号的器件，本发明实施例对器件选用不做限制。一种转速测量方法，参见图I和图5，该方法包括以下步骤101 :布置转速测量装置，估算待测旋转体3的转速范围和变化速率，根据转速范围和变化速率设置转速测量装置的采样频率和数据截断长度；其中，通过通用转速测试装置估算待测旋转体3的转速范围和变化速率，通用转速测试装置可以为手持式RM-1000光电式转速计等，具体实现时，根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。其中，采样频率通常设置为5. 12kHz，数据截断长度通常设置为512个数据，具体实现时，根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。102 :根据待测旋转体3的传动关系估算振动阶次(5 ;其中，传动关系根据待测旋转体3的具体位置和振动信号拾取传感器4的具体位置决定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。103 :根据采样频率、数据截断长度和振动阶次0，对振动信号S拾取、滤波、数据截断、数据加窗、数据变换、特征数据提取、特征数据校验、转速计算、转速校验、振动阶次校验和转速实时测量获取待测旋转体3的转速。其中，信号拾取的采样频率依据转速范围和变化速率而定。当待测旋转体3为恒转速系统时，转速范围在O. 6rpm至1200rpm的某一值时，采样频率设置为转动工频的100 倍，并优先设置为2kHz ;转速范围在大于1200rpm至4680rpm的某一值时，采样频率设置为转动工频的25. 6倍，并优先设置为2kHz ;转速范围在大于4680rpm至12000rpm某一值时， 采样频率设置为转动工频的25. 6倍，并优先设置为5. 12kHz ;转速范围在大于12000rpm至 60000rpm的某一值时，采样频率设置为不低于转动工频的5. 12倍，并优先设置为5. 12kHz ； 转速大于60000rpm时，采样频率至少设置为转动工频的5. 12倍。当待测旋转体3为变转速系统时，转速不超过1200rpm时，采样频率设置为2kHz ;转速大于1200rpm且不超过12000rpm时，采样频率设置为5. 12kHz ;转速大于12000rpm时，采样频率设置为不低于最高转速频率的10倍。对于待测旋转体3每一转内有转速波动的旋转系统，采样频率应设置两个交替变化的值，即采用变频率采样，其中一值为上述倍数关系的采样频率值，另一值为上述倍数关系的采样频率值的I. 3倍或I. 7倍。其中，步骤103具体包括I)以采样频率，对振动信号S进行拾�。袢〈庑�3激发的振动信号；以采样频率的预设倍数，对拾取后振动信号S进行低通滤波，获取滤波后信号S,;对滤波后的数据进行消除低频趋势项处理；其中，预设倍数值为Vi至2的某一值。2)对上述处理后的信号再进行数据截断和加窗处理，获取k组数据，k的取值为正整数；其中，加窗处理采用汉宁窗或海明窗等。其中，数据截断长度为2的指数次幂个数据，优选512与1024，将一次测量的数据截断为k组，最后一组数据不足2的指数次幂个数据时，采用补零法补齐。其中，k的取值由采集的总数据量与数据截断长度的比值确定，数据截断长度本发明实施例以512为例进行说明，当数据量为10000时，k的取值为20，第20组的数据采用补零法补齐(即补240个零)。3)采用快速傅立叶变换对k组数据进行分析；其中，分析数据长度采用I列1024个数据，即上述截断数据的k组，每连续两组为一列，依次往后轮换一组，将一次测量的k组数据分为k-Ι列来进行快速傅立叶变换。4)对快速傅立叶变换处理后的数据提取特征数据，即提取各列数据峰值所在的序列位置，获取第一预设个数特征数据，并组成的转置矩阵；其中，特征数据提取是提取上述FFT分析各列数据的峰值所在的序列位置。具体为每一列数据进行FFT变换后得到的各列1024个数据，每列去除后512个数据，取前512 个数据的绝对值，然后从绝对值中提取第一预设个数(本发明实施例以第一预设个数为6 为例进行说明，具体实现时根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制) 个最高峰值的最大值，记录第一预设个数最大值对应的序列位置，再根据采样速率，计算出每一列数据对应的第一预设个数振动频率值(f\、f2> f3> f4> f5和f6)，作为每一列数据的特征数据。对k-Ι列进行提取，每列6个即6k-6个特征数据的转置矩阵表述为5)对转置矩阵进行特征数据校验调整，即首先进行列调整，再进行行调整，获取第二预设个数的振动主频率值；其中，本发明实施例由于在步骤4)中提取到6个最大值，这里，依据统计规则实施调整，得到第二预设个数(本发明实施例以4为例进行说明，具体实现时根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制)个振动主频值f\、f2> f3和f4。其中，列调整具体方法为，取上述转置矩阵中的每一列
权利要求
1.一种转速测量装置，其特征在于，所述装置包括振动信号拾取传感器、信号传输导线和信号分析处理�？椋稣穸藕攀叭〈衅鞴潭ㄉ柚迷诖庑逅诘目翘�、支撑座、刚性地基或者与所述待测旋转体有直接接触的邻近旋转体的刚性物体上；所述振动信号拾取传感器采集待测旋转体激发的振动信号，通过所述信号传输导线将所述振动信号传输到所述信号分析处理�？椋鲂藕欧治龃砟？槎运稣穸藕沤蟹治龃恚崛〕鏊龃庑宓淖�。
2.根据权利要求I所述的一种转速测量装置，其特征在于，所述振动信号拾取传感器具体为加速度传感器、速度传感器、位移传感器或力传感器中的任意一种。
3.根据权利要求I所述的一种转速测量装置，其特征在于，所述信号分析处理�？榘ㄐ藕挪杉肼瞬ǖ缏返ピ�、运算控制电路单元、按键及数据显示单元、时钟电路单元和电源单元，所述时钟电路单元为所述运算控制电路提供控制时钟；所述电源单元分别为所述信号采集与滤波电路、所述运算控制电路单元、所述按键及数据显示单元和所述时钟电路单元提供工作电源；通过所述按键及数据显示单元输入测量参数，所述信号采集与滤波电路单元采集所述待测旋转体的振动信号，对所述振动信号进行滤波，将滤波后信号传输到所述运算控制电路单元；所述运算控制电路单元对滤波后信号进行处理，提取出所述待测旋转体的转速并在所述按键及数据显示单元上显示。
4.根据权利要求3所述的一种转速测量装置，其特征在于，所述装置还包括数据传输接口单元，所述数据传输接口单元用于与外部装置之间的通讯，所述电源单元为所述数据传输接口单元提供工作电源；所述数据传输接口单元具体为RS232、RS485、USB或CAN中的任意一种。
5.一种用于权利要求I所述的一种转速测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤步骤(I)布置所述转速测量装置，估算所述待测旋转体的转速范围和变化速率，根据所述转速范围和所述变化速率，设置所述转速测量装置的采样频率和数据截断长度；步骤(2)根据所述待测旋转体的传动关系估算振动阶次0;步骤(3)根据所述采样频率、所述数据截断长度和所述振动阶次0，对所述振动信号拾取、滤波、数据截断、数据加窗、数据变换、特征数据提取、特征数据校验、转速计算、转速校验、振动阶次校验和转速实时测量获取所述待测旋转体的转速。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤(3)中所述的根据所述采样频率、所述数据截断长度和所述振动阶次0，对所述振动信号拾取、滤波、数据截断、数据加窗、 数据变换、特征数据提取、特征数据校验、转速计算、转速校验、振动阶次校验和转速实时测量获取所述待测旋转体的转速具体为1)以所述采样频率，对所述振动信号进行拾�。袢∷龃庑寮し⒌恼穸藕牛� 以所述采样频率的预设倍数，对拾取后振动信号进行低通滤波，获取滤波后信号；对滤波后的数据进行消除低频趋势项处理；2)对处理后信号进行数据截断和加窗处理，获取k组数据，k的取值为正整数；3)采用快速傅立叶变换对所述k组数据进行变换处理；4)对所述快速傅立叶变换处理后的数据提取特征数据，即提取各列数据峰值所在的序列位置，获取第一预设个数特征数据，并组成的转置矩阵；5)对所述转置矩阵进行特征数据校验调整，即首先进行列调整，再进行行调整，获取第二预设个数的振动主频率值；6)通过关系式5= Λ/0，依次代入所述第二预设个数的振动主频值，计算得到第二预设个数转速；7)通过实测转速，对所述第二预设个数转速进行校验，并对所述待测旋转体激发的振动阶次进行校验，得到实际振动阶次O ;8)对所述待测旋转体进行连续采样，通过关系式n= fs/0，计算出所述待测旋转体的转速。
全文摘要
本发明公开了一种转速测量装置及其测量方法，装置包括将振动信号拾取传感器固定设置在待测旋转体所在的壳体、支撑座、刚性地基或者与待测旋转体有直接接触的邻近旋转体的刚性物体上，振动信号拾取传感器采集待测旋转体激发的振动信号，通过信号传输导线将振动信号传输到信号分析处理�？椋藕欧治龃砟？槎哉穸藕沤蟹治龃恚崛〕龃庑宓淖伲环椒òㄉ柚貌裳德�、数据截断长度和振动阶次，对振动信号进行拾取、滤波、数据加窗、数据截断、数据变换、特征数据提取、特征数据校验、转速计算、转速校验、振动阶次校验和转速实时测量，依据振动阶次关系计算获取待测旋转体的转速。本发明测量转速，不必与待测旋转体有直接接触，不需被测旋转体有外伸端，使用方便。
文档编号G01P3/481GK102590543SQ20121004405
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者于镒隆, 刘双喜, 杨建军, 栗国, 牟连嵩 申请人:中国汽车技术研究中心
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