旋转机械转子系统转速非接触式电量测量技术研究薛江涛++彭辉DOI：10.16661/jki.1672-3791.2017.22.092摘要：旋转机械转子的转速是反映其工作状态的重要基础参数，非接触式电量测量方法是目前的主流方法。该文对转速的物理意义、非接触式电量转速测量方法的系统组成、转速敏感原件输出特性、常用的转速提取算法进行了研究，在此基础上对算法的机理、误差、响应时间、存储数据量大小等方面进行了分析。关键词：旋转机械转速非接触式测量：TG506.1：A：1672-3791（2017）08（a）-0092-04汽轮机、泵及风机等大型高速旋转机械中转子系统的转速是反映其工作状态的重要参数，不仅直接影响转子各部件的离心力、转子振动等安全性能[1]，也能用于评估调速系统特性[2-3]、现场转动惯量测量[4-5]等工作中，其测量方法是相关研究的重点。目前转速测量基本为非接触式电量测量方法，即利用与转子同轴安装的码盘、齿轮等结构与安装于固定对应位置的光、电、磁等非接触式传感器配合产生相应的对转速敏感的电脉冲信号，经A/D采集、滤波、整形后从中提取转速信号[6-8]。该文对转速的物理意义、非接触式电量转速测量方法的系统组成、转速敏感原件输出特性、转速提取算法进行了研究，在此基础上对算法的机理、误差、响应时间、存储数据量大小等方面进行了分析。1转速物理意义及测量方法1.1转速的物理意义在理论层面，旋转机械转子系统的转速具有平均与瞬时两层含义：平均转速是指一定时间间隔内转子转过的角位移；瞬时转速为时间间隔趋近于无穷小时平均转速的极限。其中瞬时转速能体现出高速旋转的转子中细微的转速变化过程，包含有反映转子转动状态的综合信息，但严格的瞬时转速概念只存在于理论层面，实际方法实质上是以一定测量时间间隔内的平均速度来表征瞬时速度。1.2转速的测量方法分类在实际测量方法中，根据测量时间间隔与轴系旋转周期的关系可分为：（1）测量时间间隔小于一个周期的亚周期法；（2）测量时间间隔为一个周期的同步法；（3）时间间隔大于一个周期的超周期法。其中，超周期法逐渐被淘汰，应用最多的为亚周期及同步法。同步法主要用于测定质量不平衡位置，便于確定转子动平衡方案，但对于描述转速的急剧变化则存在有一定局限。而亚周期方法测量时间段较短，可视为实际中可操作的瞬时转速测量方法。目前现场实际转速测量方法基本为非接触式电量测量方法，测试系统主要包括：（1）转速敏感部件；（2）数据采集与整理系统；（3）转速信号提取算法。1.3转速敏感元件及其输出特性转速敏感元件主要为在轴承箱固定支架等基础上安装的电涡流传感器与在转子上同轴安装的测速齿轮，如图1所示。电涡流传感器是目前普遍应用的高精度位移传感器[9]，头部感应线圈通上高频电流后，在线圈周围产生高频电磁场，在待测的金属表面产生次生电磁场，与线圈的原生电磁场叠加，改变了线圈的阻抗，为线圈与金属导体之间距离的单值函数。将信号处理后，即可得到一个与距离成正比的输出电压Vout，如式（1）所示。（1）其中，h为传感器到被测物体间的距离；S为传感器的灵敏度，单位通常为V/mm，一般输出为负电压。根据电涡流传感器的特性，被测物体表面垂直方向上的投影圆面积为有效敏感面积，其直径要大于传感器头部直径的两倍。如有效面积太小，会使涡流传感器输出信号的幅值减小。在转速测量系统中，有效敏感面积即为测速齿轮齿顶和齿槽的面积，因为齿轮的轴向宽度B一般大于传感器的直径De，即齿与槽切向宽度Lt、Lc的比值，直接影响传感器的有效敏感面积，一般测速齿轮齿、槽平均分布。为衡量Lt与传感器头部直径De的相对大小，定义Lt与De的比值为γ，如测速齿轮齿或槽宽度太小，即几何形状一定的齿轮，齿数过多，会导致有效敏感面积太小，导致齿高不能引起足够的电压差，传感器输出脉冲高度较低。分别对3种不同齿数的齿轮输出信号进行实验研究。齿轮的β=1，ng分别为15、30、60，对应的γ分别为0.25、0.5、1，为体现时域信号的特点，试验转速为600rpm，电涡流传感器的原始输出信号如图2所示。对应的频谱如图3所示，其对应的工频为10Hz，对应于齿轮γ为1、0.5、0.25的基准脉冲频率应为150、300、600Hz。以上...