專利名稱：一種從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法及其傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法及其傳感器，屬于傳感器技術(shù)和間隙或位移測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在一些對高速旋轉(zhuǎn)軸的振動進(jìn)行測量的場合，或為了避免傳感器探頭損害被測體表面，常常要求進(jìn)行非接觸測量。目前，轉(zhuǎn)動軸軸向位移非接觸測量通常采用電渦流位移傳感器或電容位移傳感器。使用這些傳感器測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移時，通常需要將傳感器安裝在轉(zhuǎn)動軸軸端。圖1是已有技術(shù)中，用電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的結(jié)構(gòu)示意圖，傳感器探頭3通過固定支架2安裝在轉(zhuǎn)動軸1的軸端。當(dāng)轉(zhuǎn)動軸1的位置發(fā)生變化時，由于電渦流效應(yīng)，傳感器探頭3將感應(yīng)到轉(zhuǎn)動軸1的位置變化，實現(xiàn)位移測量。顯然采用這種方式的傳感器結(jié)構(gòu)將增加軸向長度，并使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。而且將測量探頭安置在軸端，還可能由于轉(zhuǎn)動軸的徑向位置變化或熱脹冷縮影響，使測量結(jié)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，因此增大了位移測量誤差，甚至有可能危及機(jī)組的安全運行。常規(guī)的電渦流位移傳感器和電容傳感器的另一個缺點是，容易受電磁干擾，在惡劣環(huán)境中抗干擾能力較差。隨著磁懸浮軸承的愈來愈廣泛的應(yīng)用，迫切需要新的軸向位移測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法及其傳感器，改變已有測量裝置的結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)簡單可靠，并提高抗干擾能力，在惡劣環(huán)境中能長期可靠地工作。
本發(fā)明提出的從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法，首先在被測轉(zhuǎn)動軸上設(shè)置非導(dǎo)磁壓環(huán)，非導(dǎo)磁壓環(huán)中鑲嵌轉(zhuǎn)子，在被測轉(zhuǎn)動軸外套裝一個定子外殼，在定子外殼內(nèi)并行設(shè)置第一定子和第二定子，兩個定子之間設(shè)有墊片，墊片與所述的轉(zhuǎn)子的中心位置相對，定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成位移測量傳感器；所述的第一定子和第二定子分別為一內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭的圓環(huán)鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿片狀圓環(huán)的圓周鐵芯均布，一組探頭為一繞組，繞組上的線圈總匝數(shù)為N，每組探頭中有2個探頭，2個探頭中的線圈按自感式繞制，4組探頭線圈依次串聯(lián)，第一和第二定子之間的線圈按差動方式連接，則轉(zhuǎn)動軸的軸向位移為Δz=a0ΔL4μ0N2b,]]>其中ΔL為第一定子和第二定子的線圈差動連接后電感的總變化量(Lx++Lx-+Ly++Ly-)-(Lx+′+Lx-′+Ly+′+Ly-′)，Δz為轉(zhuǎn)動軸移動時的軸向位移，μ0為定子的齒形探頭與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁導(dǎo)率，N為每組探頭的線圈總匝數(shù)，b為定子內(nèi)環(huán)齒狀探頭的齒寬，即探頭磁極寬度，a0為轉(zhuǎn)動軸在初始位置時與傳感器定子徑向間隙。
上述方法中的非導(dǎo)磁壓環(huán)由鋁或銅制成。
上述方法中的第一定子和第二定子的圓環(huán)鐵芯由硅鋼或坡莫合金制成。
本發(fā)明提出的從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的傳感器，包括非導(dǎo)磁壓環(huán)、轉(zhuǎn)子、第一定子和第二定子。非導(dǎo)磁壓環(huán)安置在被測轉(zhuǎn)動軸上，轉(zhuǎn)子鑲嵌在非導(dǎo)磁壓環(huán)中。第一定子和第二定子并行安置在傳感器定子外殼內(nèi)，兩個定子之間設(shè)有墊片，墊片與所述的轉(zhuǎn)子的中心相對。第一定子和第二定子分別為一內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭的圓環(huán)鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有多組，多組探頭沿片狀圓環(huán)的圓周鐵芯均布，每組探頭中有多個探頭，每組探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，多組探頭線圈依次串聯(lián)，第一和第二定子之間的線圈按差動方式連接。
上述傳感器中的探頭可以有四組，每組探頭中有2個探頭。
本發(fā)明提出的從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法及其傳感器，通過徑向布置的電感線圈對位移信號進(jìn)行測量和處理，消除了徑向間隙發(fā)生變化對軸向位移測量的影響，從而實現(xiàn)用徑向測量方法對軸向位移進(jìn)行測量。本發(fā)明的測量方法及測量用傳感器，能有效地簡化軸向位移傳感器的安裝，減少測量空間，而且該傳感器的第一和第二定子之間的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(dǎo)等外部因素對測量的共模干擾，大大提高了測量的精度和抗干擾能力，可以實現(xiàn)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余米。因此，本發(fā)明提出的傳感器適用于一些惡劣的工作環(huán)境，例如磁懸浮軸承中。


圖1是已有的電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的傳感器中定子的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明方法的測量原理圖，其中(a)是初始位置，(b)是轉(zhuǎn)動軸移動后位置。
圖1～圖4中，1是轉(zhuǎn)軸，2是安裝架，3是測量電感，4是非導(dǎo)磁壓環(huán)，5是第一傳感器定子，6是第二傳感器定子，7是非導(dǎo)磁壓環(huán)，8是傳感器轉(zhuǎn)子，9是墊片，10是傳感器定子外殼，11是定子鐵芯，由硅鋼或坡莫合金等導(dǎo)磁材料制成，12是在定子內(nèi)環(huán)齒狀探頭上繞制的線圈，μ0為探頭與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁導(dǎo)率，N為每組探頭的線圈匝數(shù)，b為傳感器定子內(nèi)環(huán)齒狀探頭的齒寬，即探頭的磁極寬度，a0為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動軸上的兩個交界面至傳感器定子(5，6)內(nèi)側(cè)端面的距離。Δx為轉(zhuǎn)軸移動時X方向的徑向間隙變化，即徑向位移，Δz為Z方向移動的距離，即Z方向的位移。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法，首先在被測轉(zhuǎn)動軸上設(shè)置非導(dǎo)磁壓環(huán)，非導(dǎo)磁壓環(huán)中鑲嵌轉(zhuǎn)子，在被測轉(zhuǎn)動軸外套裝一個定子外殼，在定子外殼內(nèi)并行設(shè)置第一定子和第二定子，兩個定子之間設(shè)有墊片，墊片與所述的轉(zhuǎn)子的中心位置相對，定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成位移測量傳感器。第一定子和第二定子分別為一內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭的圓環(huán)鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿片狀圓環(huán)的內(nèi)環(huán)圓周均布，一組探頭為一繞組，繞組上的線圈總匝數(shù)為N，每組探頭中有2個探頭，2個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(lián)，第一和第二定子之間的線圈按差動方式連接，則轉(zhuǎn)動軸的軸向位移為Δz=a0ΔL4μ0N2b,]]>其中ΔL為第一定子和第二定子的線圈差動連接后電感的總變化量(Lx++Lx-+Ly++Ly-)-(Lx+′+Lx-′+Ly+′+Ly-′)，Δz為轉(zhuǎn)動軸移動時的軸向位移，μ0為定子的齒形探頭與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁導(dǎo)率，N為每組探頭的線圈總匝數(shù)，b為定子內(nèi)環(huán)齒狀探頭的齒寬，即探頭磁極寬度，a0為轉(zhuǎn)動軸在初始位置時與傳感器定子的徑向間隙。
本發(fā)明提出的從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括非導(dǎo)磁壓環(huán)4、轉(zhuǎn)子8、第一定子5和第二定子6。非導(dǎo)磁壓環(huán)4安置在被測轉(zhuǎn)動軸1上，轉(zhuǎn)子8鑲嵌在非導(dǎo)磁壓環(huán)4中。第一定子5和第二定子6并行安置在傳感器定子外殼10內(nèi)，兩個定子之間設(shè)有墊片9，墊片9與轉(zhuǎn)子8的中心相對。定子5和6的結(jié)構(gòu)如圖3所示，為一內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭的圓環(huán)鐵芯11，齒狀探頭上繞有線圈12，齒狀探頭有多組，多組探頭沿圓環(huán)鐵芯的內(nèi)環(huán)圓周均布，每組探頭中有2～多個探頭。每組探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，多組探頭線圈依次串聯(lián)，第一和第二定子之間的線圈按差動方式連接。
本發(fā)明的一個實施例是探頭有四組，每組探頭中有2個探頭，如圖3所示。
上述傳感器中，構(gòu)成第一定子和第二定子的圓環(huán)鐵芯11，可以用導(dǎo)磁率較高的硅鋼或坡莫合金等導(dǎo)磁材料制成。每組探頭中的線圈12按自感式繞制。每個傳感器定子上的4組探頭線圈依次串聯(lián)，兩個傳感器定子之間將線圈按差動方式連接。
上述傳感器中的非導(dǎo)磁壓環(huán)由磁導(dǎo)率與傳感器轉(zhuǎn)子相差較大的鋁、銅或其他材料制成。
傳感器的第一定子5與第二定子6之間通過墊片9進(jìn)行調(diào)整，使傳感器的轉(zhuǎn)子8和非導(dǎo)磁壓環(huán)4的形成的兩個交界面分別位于第一定子5與第二定子6的鐵芯端面的中心處。
以下結(jié)合附圖4介紹本發(fā)明方法的測量原理圖4中Lx-為第一定子5的-X方向探頭的電感值，Lx+為第一定子5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(zhuǎn)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(zhuǎn)動軸上的兩個交界面至傳感器定子5或內(nèi)側(cè)端面的距離。Δx為轉(zhuǎn)軸移動時X方向向上的徑向間隙變化，即徑向位移，Δz為Z方向向左移動的距離，即Z方向的位移。
當(dāng)轉(zhuǎn)動軸1位于圖4所示的初始位置時，即傳感器轉(zhuǎn)子8的兩個交界面分別位于兩個定子鐵芯端面的中心，并且沒有徑向移動時，由于每個傳感器定子由周向90度均勻分布的4組依次串聯(lián)的電感組成，當(dāng)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)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后輸出為0。
當(dāng)轉(zhuǎn)動軸在徑向x、y和軸向z位置發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)動軸上的兩個交界面與傳感器定子5和6的相對位置發(fā)生變化，使得兩個傳感器定子5和6的電感值均發(fā)生變化。
根據(jù)電感原理，在X方向，設(shè)徑向間隙變化為Δx，轉(zhuǎn)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Lx-=μ0N2b(z0+Δz)2(a0-Δx)]]>第一定子在+X方向探頭的電感值Lx+=μ0N2b(z0+Δz)2(a0+Δx)]]>第二定子在-X方向探頭的電感值Lx-′=μ0N2b(z0-Δz)2(a0-Δx)]]>第二定子在+X方向探頭的電感值Lx+′=μ0N2b(z0-Δz)2(a0+Δx)]]>當(dāng)徑向間隙變化范圍Δx較小時，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得(Lx++Lx-)-(Lx+′+Lx-′)=2μ0N2bΔza0]]>同理，在與X成90度的Y方向，當(dāng)徑向間隙變化范圍Δy較小時，數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得(Ly++Ly-)-(Ly+′+Ly-′)=2μ0N2bΔza0]]>因此，第一定子和第二定子線圈差動連接后電感值的總變化量ΔL=(Lx++Lx-+Ly++Ly-)-(Lx+′+Lx-′+Ly+′+Ly-′)=4μ0N2bΔza0]]>即Δz=a0ΔL4μ0N2b]]>式中ΔL為第一定子和第二定子線圈差動連接后電感值的總變化量，Δz為轉(zhuǎn)動軸移動時Z方向向左移動的距離，μ0為氣隙磁導(dǎo)率，N為每組探頭的線圈總匝數(shù)，b為傳感器定子內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭齒寬，即探頭的磁極寬度，a0為轉(zhuǎn)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，軸向位移Δz與第一、第二定子5和6上線圈差動后的電感輸出成線性關(guān)系，與徑向位移Δx，Δy無關(guān)，即消除了徑向位置發(fā)生變化對軸向位移測量的影響，從而可以通過測量第一、第二定子5和6上線圈差動后的電感輸出，實現(xiàn)軸向位移的徑向測量。
權(quán)利要求
1.一種從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法，其特征在于該方法為在被測轉(zhuǎn)動軸上設(shè)置非導(dǎo)磁壓環(huán)，非導(dǎo)磁壓環(huán)中鑲嵌轉(zhuǎn)子，在被測轉(zhuǎn)動軸外套裝一個定子外殼，在定子外殼內(nèi)并行設(shè)置第一定子和第二定子，兩個定子之間設(shè)有墊片，墊片與所述的轉(zhuǎn)子的中心位置相對，定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成位移測量傳感器；所述的第一定子和第二定子分別為一內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭的圓環(huán)鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有4組，4組探頭沿片狀圓環(huán)的圓周鐵芯均布，一組探頭為一繞組，繞組上的線圈總匝數(shù)為N，每組探頭中有2個探頭，2個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(lián)，第一和第二定子之間的線圈按差動方式連接，則轉(zhuǎn)動軸的軸向位移為Δz=a0ΔL4μ0N2b,]]>其中ΔL為第一定子和第二定子的線圈差動連接后電感的總變化量(Lx++Lx-+Ly++Ly-)-(Lx+′+Lx-′+Ly+′+Ly-′)，Δz為轉(zhuǎn)動軸移動時的軸向位移，μ0為定子的齒形探頭與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁導(dǎo)率，N為每組探頭的線圈總匝數(shù)，b為定子內(nèi)環(huán)齒狀探頭的齒寬，即探頭磁極寬度，a0為轉(zhuǎn)動軸在初始位置時與傳感器定子的徑向間隙。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的非導(dǎo)磁壓環(huán)由鋁或銅制成。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的第一定子和第二定子的圓環(huán)鐵芯由硅鋼或坡莫合金制成。
4.一種從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的傳感器，其特征在于該傳感器包括非導(dǎo)磁壓環(huán)、轉(zhuǎn)子、第一定子和第二定子；所述的非導(dǎo)磁壓環(huán)安置在被測轉(zhuǎn)動軸上，所述的轉(zhuǎn)子鑲嵌在非導(dǎo)磁壓環(huán)中；所述的第一定子和第二定子并行安置在傳感器定子外殼內(nèi)，兩個定子之間設(shè)有墊片，墊片與所述的轉(zhuǎn)子的中心相對；所述的第一定子和第二定子分別為一內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭的圓環(huán)鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，齒狀探頭有多組，多組探頭沿圓環(huán)鐵芯的內(nèi)環(huán)圓周均布，每組探頭中有多個探頭，每組探頭中的線圈按自感式或互感式繞制，多組探頭線圈依次串聯(lián)，第一和第二定子之間的線圈按差動方式連接。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于其中所述的探頭有四組。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于其中所述的每組探頭中有2個探頭。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從徑向測量轉(zhuǎn)動軸軸向位移的方法及其傳感器，屬于傳感器技術(shù)和間隙或位移測量技術(shù)領(lǐng)域。首先在被測轉(zhuǎn)動軸上設(shè)置轉(zhuǎn)子，并套裝兩個定子，定子與轉(zhuǎn)子構(gòu)成位移測量傳感器。定子為一內(nèi)環(huán)帶有齒狀探頭的圓環(huán)鐵芯，齒狀探頭上繞有線圈，轉(zhuǎn)動軸的軸向位移為△Z=a
文檔編號G01D5/12GK1818540SQ20061006494
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者時振剛, 趙晶晶, 趙雷, 周燕, 孫卓, 查美生, 石磊 申請人:清華大學(xué)