基于静电传感器的旋转机械转速测量方法研究

摘要

转速是表征旋转机械健康状况、进行故障诊断、制定必要维修策略的重要参数之一。旋转机械在能源、化工、电力、冶金等行业的机械设备中占有举足轻重的地位，转速的实时、准确测量对保证旋转机械的正常运行具有重要的现实意义。然而，现有的转速测量仪表在精度、价格、可靠性等方面均存在一定的局限性，特别是在复杂、恶劣的工业环境下难以达到长期、稳定、准确的测量，因此，有必要利用新原理、新方法研制更加优良的测量仪表。同时，静电检测技术在气固两相流参数检测及航空发动机尾气监测等领域的成功应用，促进了这项技术的迅速发展。
　　本文创新性地探索了基于静电感应原理的转速测量新方法，通过检测运动部件表面的静电荷，获取旋转机械的转速信息。针对传感器感应机理建模、传感器优化设计、转速测量系统开发、测量系统性能评估等方面进行了较为深入的研究:
　　(1)首次将静电检测技术应用于转速测量领域，提出了基于静电传感器的转速测量方法。根据被测转轴和安装环境的限制，具体分为三种测量方式:基于单传感器和信号自相关技术的转速测量;基于双传感器和信号互相关技术的转速测量;基于多传感器和数据融合技术的转速测量。
　　(2)针对静电传感器转速测量系统的物理模型，基于点电荷的思想建立了条形静电传感器的数学模型。深入研究了传感器的空间灵敏度、频率响应、空间滤波长度、带宽等感应特性，为静电传感器的性能分析和优化设计提供了坚实的理论基础。通过实验模拟点电荷在旋转过程中产生的三维空间静电场，分析了条形静电传感器的输出特性，并与模型结果对比，从而验证了测量方法的正确性和数学模型的有效性。
　　(3)基于静电传感器转速测量原理，设计传感器感应单元、微弱信号检测电路、相关信号处理算法以及多数据融合算法，实现转速测量系统的集成。该系统不仅能够实时显示旋转速度、信号的静电强度和相关系数，而且能够记录这些测量参数信息，有助于进一步分析系统的可靠性和稳定性。
　　(4)针对静电传感器转速测量系统的三种组态（单传感器、双传感器和多传感器）进行性能评估。通过一系列的实验研究，分别确定测量系统在每种组态下的测量范围、精确度、重复性、稳定性。并逐一对静电电极到转轴表面的距离、旋转速度、被测转轴材料、转轴大小、表面粗糙度等因素对测量系统性能的影响进行量化分析。最终形成精确、快速、经济、可靠的新型旋转机械转速测量系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 转速测量方法

1．2．2 静电检测技术

1．2．3 静电传感器理论模型

1．3 本论文研究的主要内容及方法

1．4 论文的组织结构

第2章 基于静电传感器的转速测量原理

2．1 旋转机械静电现象

2．1．1 静电起电机理

2．1．2 静电产生的影响因素

2．2 相关测速原理

2．3 基于静电传感器的转速测量原理

2．3．1 基于单传感器的转速测量原理

2．3．2 基于双传感器的转速测量原理

2．3．3 基于多传感器的转速测量原理

2．4 本章小结

第3章 静电传感器数学模型与优化设计

3．1 静电传感器物理模型

3．2 静电传感器数学模型

3．3 静电传感器感应特性分析

3．3．1 静电传感器空间灵敏度分析

3．3．2 静电传感器空间滤波特性分析

3．4 静电电极宽度优化

3．5 实验验证

3．5．1 实验条件与结果分析

3．5．2 静电传感器的优化设计与安装

3．6 双传感器电极间距的确定

3．7 本章小结

第4章 转速测量系统设计与集成

4．1 系统结构概述

4．2 系统硬件设计

4．2．1 静电感应单元

4．2．2 信号调理单元

4．2．3 信号处理单元

4．2．4 上位机通讯

4．3 系统软件设计

4．3．1 嵌入式电路控制程序

4．3．2 上位机控制软件

4．4 本章小结

第5章 实验测试与性能评价

5．1 四传感器转速测量试验

5．1．1 实验装置

5．1．2 实验条件

5．1．3 实验结果与分析

5．1．4 性能评价

5．2 单传感器及双传感器转速测量试验

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验条件

5．2．3 材料特性

5．2．4 实验结果与分析

5．2．5 性能评价

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介