一种基于光栅式双向位移传感器的风机主轴轴承监测系统的制作方法

1.本发明涉及风机主轴轴承监测技术领域，尤其涉及一种光栅式双向位移传感器及基于光栅式双向位移传感器的风机主轴轴承监测系统。


背景技术：

2.风电机组主轴轴承是承载风机转动发电的重要部件，一旦主轴轴承出现问题，将会直接影响风机的正常运行，甚至会出现整个发电转子脱落的严重后果，因此主轴轴承的健康状态监测显得尤为必要。目前市场大部分采用主轴轴承温度变化监测来确定主轴轴承健康状态，例如专利cn201911355993.3公开了一种基于温度变化趋势判断风电机组主轴轴承健康状况的方法，判断规定时间内两个主轴轴承的温度变化趋势，若该段时间内两个主轴轴承温度的变化趋势不一致，则将该段时间的结果记为1，表明主轴轴承可能存在异常，若两个主轴轴承温度变化趋势一致，则将该段时间变化趋势计为0，表明主轴轴承不存在异常，通过对两个主轴轴承温度变化趋势的连续监测，当主轴轴承在一个长的时间周期内出现多次温度变化趋势不一致的情况时，则认定主轴轴承健康状况出现异常，应安排停机检查并缩短主轴轴承的维护周期，以延长主轴轴承的使用寿命，该发明可以准确判断主轴轴承健康状况，发现主轴轴承的早期故障，利于延长主轴轴承的使用寿命，但是此手段受环境影响较大，且无法对主轴轴承的实际工作状态进行便捷有效的直观监测。
3.还可以采用较多的传感器监测风机的运行，采用统计分析来预测主轴轴承的健康状态，例如专利cn201910788602.0公开了一种风电机组主轴轴承故障预测方法，该方法是基于风机主轴轴承的历史故障维修数据，结合统计学和机器学习方法，以风机的多个监测指标作为输入变量，主轴轴承状态作为预测输出变量，并对输出变量的预测值进行统计分析，设定阈值进行故障预测，本方法具有较高的准确性及稳定性，可以实现提前一周预测主轴轴承故障，尽早发现早期异常，但是此手段成本较高，预测准确度较低，无法在主轴轴承出现问题的前期进行有效预警。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种光栅式双向位移传感器以及基于光栅式双向位移传感器的风机主轴轴承监测系统，该位移传感器能够实现双向位移量的同时监测且监测精度高，该监测系统能够对主轴轴承的状态进行实时监测，并对主轴轴承状态异常进行有效报警，且结构简单，成本较低。
5.实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
6.一种光栅式双向位移传感器，包括与被测物固定连接的壳体以及位于壳体内的传感模块和电路模块，电路模块与传感模块连接，所述传感模块包括两组传感探测单元以及位于两组传感探测单元中间的pcb组件，三者上下平行设置，两组传感探测单元在空间内相互垂直，pcb组件固定于壳体内；所述传感探测单元包括滑动基体、导杆和双轨道光栅尺，其中导杆固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆的中间位置并沿导杆滑动，滑动基体的外
端从壳体内伸出并与被测物连接固定，所述双轨道光栅尺沿滑动基体的滑动方向固定于滑动基体上靠近pcb组件的一面，双轨道光栅尺随滑动基体滑动；所述pcb组件中包括光电转换芯片和数据处理芯片，光电转换芯片和数据处理芯片连接，光电转换芯片上嵌设有led发光管，当滑动基体相对壳体发生滑动时，光电转换芯片持续捕捉双轨道光栅尺反射的正余弦光信号的变化，并转换为电信号的变化，数据处理芯片处理电信号并输出滑动基体滑动方向的位移值。
7.所述滑动基体的内端的两侧设置有滑道孔，导杆对应设置有两根，导杆穿过滑道孔并通过导杆两端设置的压块固定于壳体内，导杆的两端均套设有辅助弹簧，使滑动基体在自由状态下处于移动行程的中间位置，滑动基体的外端固定连接有连接杆。
8.所述连接杆与被测物直接连接或者通过固定座连接，连接杆与固定座通过永磁体连接固定。
9.所述双轨道光栅尺包括均匀间距细分的增量轨道和呈一定规律、非规则的绝对轨道。
10.所述壳体内布置有温度传感器、振动传感器和防电磁干扰电路，温度传感器和振动传感器均与数据处理芯片连接。
11.所述滑动基体从壳体伸出处套设有密封护套，壳体包括安装底座和后盖，安装底座和后盖通过螺钉连接，所述后盖位于安装底座的一面设置有密封垫。
12.所述led发光管为蓝光led发光管。
13.本发明还提供了一种基于光栅式双向位移传感器的风机主轴轴承监测系统，所述风机主轴轴承包括由内至外的轴承内圈、轴承外圈和固定底架，轴承内圈从轴承外圈伸出并相对轴承外圈转动，轴承外圈与固定底架固定连接，其特征在于：所述监测系统包括光栅式双向位移传感器、数据处理模块和上位机，光栅式双向位移传感器的壳体固定连接于轴承外圈上靠近轴承内圈伸出一侧的侧面上，并使其中一组传感探测单元沿竖直方向，该组传感探测单元的连接杆的底端贴合在轴承内圈的外圆面上，且其滑动基体处于移动行程的中间位置，监测轴承外圈与轴承内圈的径向跳动位移值；另一组传感探测单元的固定座连接于固定底架上，其连接杆与固定座连接，使该组传感探测单元安装于轴承内圈和固定底架上，其滑动基体水平并处于移动行程的中间位置，监测轴承外圈与固定底架之间的切向相对位移值；
14.所述数据处理模块安装于风机的机舱内，光栅式双向位移传感器与数据处理模块连接，数据处理模块与上位机连接，光栅式双向位移传感器将采集的数据传至数据处理模块，数据处理模块对接收的数据处理，当光栅式双向位移传感器采集到的径向跳动位移值或切向相对位移值中任意一个超过一定阈值，上位机上发出风机主轴轴承安全报警。
15.所述连接杆与轴承内圈的外圆面相贴合的一端为耐磨材料制成的圆面。
16.所述光栅式双向位移传感器的数据处理芯片连接有无线发射模块，无线发射模块对应设置有无线接收模块，数据处理模块通过无线网关与无线接收模块连接，实现光栅式双向位移传感器采集数据的发射和接收。
17.与现有技术相比，本发明提供的技术方案有以下优点：1、本发明中提供的光栅式双向位移传感器采用高分辨率反射式光电原理来监测一定距离内产品的位移量，即利用高可靠性的嵌入式蓝光led发光管不间断发射短波长蓝光束，提高了信号对比度，并且具有出
色的防抖动性能，经过pcb上的光电转换芯片对高精度双轨道光栅尺反射的正余弦光信号进行采集，转换为电信号的变化，经过产品内部数据处理芯片mcu对信号的处理，最终输出产品测量的位移量，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快的特点，可满足各种恶劣环境长期使用。
18.2、本发明中提供的光栅式双向位移传感器可同时监测被测物两个方向上的位移量。
19.3、本发明中滑动基体固定连接有连接杆，连接杆直接与被测物固定连接或者通过固定座与被测物固定连接，通过固定座的设置能够满足不同的安装面高度差要求，同时连接杆的设置能够实现传感器根据实际使用进行监测量程的调整。
20.4、本发明中提供的监测风机主轴状态的系统，该系统基于光栅式双向位移传感器，通过光栅式双向位移传感器同时监测风机主轴轴承外圈相对于轴承内圈的径向跳动位移和轴承外圈相对于固定底架之间的切向相对位移，从而对风机主轴轴承的状态进行实时监测，并对主轴轴承状态异常进行有效报警，结构简单，成本较低，可以直接有效的识别风机主轴轴承的实时运行状态。
附图说明
21.图1为本发明中光栅式双向位移传感器的内部结构示意图；
22.图2为本发明中光栅式双向位移传感器的外部结构示意图；
23.图3为本发明中光栅式双向位移传感器的俯视图；
24.图4为本发明中光栅式双向位移传感器的工作原理图；
25.图5为本发明中光栅式双向位移传感器在风机主轴轴承上的安装剖面示意图；
26.图6为本发明中光栅式双向位移传感器在风机主轴轴承上的安装立体示意图；
27.图7为本发明中光栅式双向位移传感器在风机主轴轴承上的安装侧视图；
28.图8为本发明中光栅式双向位移传感器在风机主轴轴承上的安装正视图；
29.图9为图8中局部c的放大图；
30.图10为本发明中风机主轴轴承监测系统的工作原理框图；
31.图中：1-壳体，11-安装底座，12-后盖，2-pcb组件，21-光电转换芯片，3-第一传感探测单元，31-第一滑动基体，32-第一导杆，33-第一双轨道光栅尺，34-第一压块，35-第一辅助弹簧，36-第一连接杆，37-第一固定座，4-第二传感探测单元，41-第二滑动基体，42-第二导杆，43-第二双轨道光栅尺，44-第二压块，45-第二辅助弹簧，46-第二连接杆，47-第二固定座，48-支撑板，5-永磁体，6-密封垫，7-第一密封护套，8-第二密封护套，9-插孔，100-轴承内圈，200-轴承外圈，300-固定底架，400-紧固螺栓，500-转子轴承，600-光栅式双向位移传感器。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
33.本实施例中提供的光栅式双向位移传感器的结构如图1～图3所示，包括与被测物固定连接的壳体1以及位于壳体内的传感模块和电路模块，电路模块与传感模块连接。壳体
上设置有用于连接传感模块和电路模块的插孔9。
34.传感模块包括两组传感探测单元以及位于两组传感探测单元中间的pcb组件2，三者上下平行设置，两组传感探测单元在空间内相互垂直；具体地，由下到上依次为第一传感探测单元3、pcb组件和第二传感探测单元4。将光栅式双向位移传感器固定在被测物表面，监测方向分别与第一传感探测单元、第二传感探测单元的方向平行，当被测物受到外力作用发生相对位移时，光栅式双向位移传感器可同时采集被测物受到外力作用时在两个方向上的纳米级位移量，实现同时监测两个方向的位移量。
35.具体地，第一传感探测单元包括第一滑动基体31、第一导杆32和第一双轨道光栅尺33，本实施例中第一滑动基体的内端的两侧设置有滑道孔，第一导杆对应设置有两根，第一导杆穿过滑道孔并通过第一导杆两端设置的第一压块34固定于壳体内，第一滑动基体的内端沿第一导杆滑动，第一导杆的两端均套设有第一辅助弹簧35，使第一滑动基体在自由状态下处于移动行程的中间位置。第一滑动基体的外端从壳体内伸出并与被测物连接固定。为了克服监测目标的安装面不平整，难以安装的难题，具体地，第一滑动基体的外端固定连接有第一连接杆36，第一连接杆与被测物直接连接或者通过第一固定座37连接。第一双轨道光栅尺沿第一滑动基体的滑动方向固定于第一滑动基体上靠近pcb组件的一面(即本实施例中第一滑动基体的上表面)，第一双轨道光栅尺随第一滑动基体滑动。
36.第二传感探测单元也包括第二滑动基体41、第二导杆42和第二双轨道光栅尺43，其与第一传感探测单元的连接关系一样，只是整体朝向垂直于第一传感探测单元的方向安装，具体地，第二传感探测单元安装时也用到第二压块44、支撑板48、第二辅助弹簧45和第二连接杆46。第二双轨道光栅尺沿第二滑动基体的滑动方向固定于第二滑动基体上靠近pcb组件的一面(即本实施例中第二滑动基体的下表面)，第二双轨道光栅尺随第二滑动基体滑动。第二连接杆与被测物直接连接或者通过第二固定座47连接。
37.本实施例中，通过第一传感探测单元和第二传感探测单元可同时监测两个方向上的位移量，并可以根据实际安装需求取消或者调整第一固定座和第二固定座的结构，满足不同的安装面高度差要求。当第一连接杆与被测物通过第一固定座连接，第二连接杆与被测物通过第二固定座连接时，第一连接杆、第二连接杆、第一固定座和第二固定座上均连接有永磁体5并通过永磁体的强磁性稳定吸附固定在一起，避免因环境温度、振动造成测试结果失真。通过调整第一固定座和第二固定座的结构，使光栅式双向位移传感器能够满足安装面不平整时的安装。
38.本实施例中，第一双轨道光栅尺和第二双轨道光栅尺一样，均包括均匀间距细分的增量轨道a和呈一定规律、非规则的绝对轨道b。pcb组件中包括光电转换芯片21和数据处理芯片，光电转换芯片和数据处理芯片连接，光电转换芯片上嵌设有蓝光led发光管，led发光管不间断发射短波长蓝光束，提高了信号对比度，并且具有出色的防抖动性能。当短波长的蓝光束照射到第一双轨道光栅尺上时，增量轨道a反射出规则均匀的正弦光波，绝对轨道b反射出呈一定规律、非规则的余弦光波，两组反射光波强度叠加(其中增量轨道a反射的光波强度是固定变化规律，绝对轨道b反射的光波强度是已知的非固定变化规律)，光电转换芯片持续捕捉第一双轨道光栅尺反射的正余弦光信号并对信号进行处理，输出一定规律的电信号。当第一滑动基体相对壳体发生滑动时，光电转换芯片持续捕捉双轨道光栅尺反射的正余弦光信号的变化，并转换为电信号的变化，数据处理芯片处理电信号并输出第一滑
动基体滑动方向的位移值，其工作原理如图4所示。第二滑动基体监测方向上的被测物发生相对位移时，光电转换芯片相应的持续捕捉第二双轨道光栅尺反射的正余弦光信号的变化，并转换为电信号的变化，数据处理芯片输出该方向对应的相对位移值。具体地，数据处理芯片可以采用mcu电子控制芯片。本实施例提供的光栅式双向位移传感器分辨力最高可达1nm，具有高精度位移测量，量程可根据实际使用进行调整。
39.当周围环境变化时(温度变化、振动环境变化)，产品自身的精度受温度变形、振动影响必然会发生变化。为克服此缺陷，本实施例中壳体内布置有温度传感器、振动传感器和防电磁干扰电路，温度传感器和振动传感器均与数据处理芯片连接。具体地，温度传感器为一款精密集成数字温度传感器，具有高分辨率的特性，测量精度为
±
0.1℃，可实时采集外部环境的温度数据，把采样值传给数据处理芯片。振动传感器采用业界领先的芯片，具有高分辨率、极低功耗和长期稳定的特性；振动传感器的分辨率为0.5mg，测量范围为
±
10g，可同时采集x轴、y轴、z轴的振动量。温度传感器和振动传感器将采集到的环境温度和振动数据转化为电平信号传给数据处理芯片；数据处理芯片把采集过来的环境温度和振动数据通过产品内部预先设定的校正程序对测量结果位移量进行校正，从而自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度。
40.光栅式双向位移传感器误差校正：模拟光栅式双向位移传感器实际安装使用环境，通过大量模拟环境温度变化、振动变化的试验，统计计算得出产品因受温度形变和振动影响造成的测量值偏移，从而根据统计结果设定校正程序。防电磁干扰电路可屏蔽外界对光栅式双向位移传感器的干扰，产品稳定性极强。
41.本实施例中壳体包括安装底座11和后盖12。安装底座和后盖通过螺钉连接，便于光栅式双向位移传感器的组装。壳体为金属材料制成，当壳体内的传感模块和电路模块均组装完成后，在壳体和后盖之间铺设密封垫6，再盖上后盖，拧紧螺钉；第一滑动基体和第二滑动基体从壳体伸出处分别套设有第一密封护套7和第二密封护套8。壳体的四周采用密封垫和密封护套进行密封，防护等级可达ip67，满足各种严酷环境长期使用。
42.基于本发明提供的光栅式双向位移传感器，本发明中还提供了一种风机主轴轴承监测系统。风机主轴轴承包括由内至外的轴承内圈100、轴承外圈200和固定底架300，见图5，轴承内圈从轴承外圈伸出并相对轴承外圈转动，轴承外圈与固定底架固定连接，具体地，轴承外圈与固定底架通过紧固螺栓400连接，轴承外圈与轴承内圈间有转子轴承500，风机运行时，轴承外圈持续承受轴承内圈的径向载荷和轴承内圈转动带来的切向扭力。
43.风机主轴轴承监测系统的安装示意图如图5～图8所示，包括光栅式双向位移传感器600、数据处理模块和上位机(数据处理模块和上位机图中未画出)，光栅式双向位移传感器的壳体固定连接于轴承外圈上靠近轴承内圈伸出一侧的侧面上，并使其中一组传感探测单元(即上述第一传感探测单元)沿竖直方向，该组传感探测单元的连接杆的底端直接贴合在轴承内圈的外圆面上(传感探测单元不包括固定座)，通过光栅式双向位移传感器内部的辅助弹簧限位，使其连接杆可以稳定的贴合在轴承内圈的外圆面上，且初始状态时，其滑动基体处于移动行程的中间位置，从而监测轴承外圈与轴承内圈的径向跳动位移值。具体地，连接杆与轴承内圈的外圆面相贴合的一端为耐磨材料制成的圆面，如图9所示。
44.同时，另一组传感探测单元(即上述第二传感探测单元)的固定座连接于固定底架上，其连接杆与固定座连接，使该组传感探测单元安装于轴承内圈和固定底架上，初始状态
时，其滑动基体水平并处于移动行程的中间位置，从而监测轴承外圈与固定底架之间的切向相对位移值。此时该组传感探测单元包括固定座，从而满足不同安装面上高度差要求。
45.数据处理模块安装于风机的机舱内，光栅式双向位移传感器与数据处理模块连接，具体地，光栅式双向位移传感器的数据处理芯片连接有无线发射模块，无线发射模块对应设置有无线接收模块，数据处理模块通过无线网关与无线接收模块连接，实现光栅式双向位移传感器采集数据的发射和接收，如图10所示。数据处理模块与上位机连接，光栅式双向位移传感器将采集的数据经过无线发射传至数据处理模块，数据处理模块对接收的数据实时处理，可以准确的判断出当前风机主轴轴承的工作状态，当光栅式双向位移传感器采集到的径向跳动位移值或切向相对位移值中任意一个超过一定阈值，上位机上发出风机主轴轴承安全报警。
46.具体阈值报警逻辑为：当主轴轴承状态正常时，光栅式双向位移传感器监测的径向跳动位移值和切向相对位移值均在一定安全区间范围内；当主轴轴承磨损影响到轴承安全时，轴承外圈与轴承内圈的同心度会发生一定程度的偏移，光栅式双向位移传感器监测到的径向跳动位移值会相应的变大；当轴承外圈与固定底架的连接螺栓出现松动或断裂时，轴承外圈与固定底架之间的切向相对位置会发生一定程度的偏置，光栅式双向位移传感器监测到的切向相对位移值会相应的变大。当上位机发生报警时，维护人员可以根据报警提示便捷的查找问题点迅速进行处理，避免风机出现更大的不可逆的安全隐患。
47.具体阈值设置逻辑：经过三维受力模拟分析主轴轴承正常、主轴轴承不同程度的磨损、不同数量的轴承外圈与固定底架的连接螺栓松动状态的数据分析，计算出轴承外圈与轴承内圈的相对径向跳动位移值变化和轴承外圈与固定底架之间的切向相对位移值变化，并经过大量的实验测试进行验证，最终确定主轴轴承正常时的安全阈值范围。