[发明专利]基于微波的转静子轴向间隙在线测量方法和装置

权利要求书

1.一种基于微波的转静子轴向间隙在线测量装置，其特征是，包括微波信号产生模块、信号功率放大模块、信号接收和混频模块、信号调理采集模块、环形器、微波传感器，微波信号产生模块产生的载波信号经过信号功率放大模块放大后，进入环形器的第一个端口，并从环形器的第二个端口输出；环形器的第二个端口与微波传感器连接，微波传感器发射载波信号到被测的转子轴向端面，同时接收转子轴向端面的载波反射信号，输回到环形器的第二个端口，并从环形器的第三个端口输出；

微波信号产生模块产生参考信号经过信号功率放大模块的放大作为信号接收和混频模块的本振输入信号Y₂；同时，微波信号产生模块产生的载波信号经过信号功率放大模块的放大后作为信号接收和混频模块的射频输入信号X₁；信号接收和混频模块输出一路解调信号，该信号通过信号调理采集模块预处理后输出到计算机；

环形器的第三个端口输出的载波信号作为信号接收和混频模块的射频输入信号Y₁；同时，微波信号产生模块输出的参考信号经过信号功率放大模块的放大后作为信号接收和混频模块的本振输入信号X₂；信号接收和混频模块输出两路正交解调信号，这两路信号通过信号调理采集模块后进行输出到计算机。

2.如权利要求1所述的基于微波的转静子轴向间隙在线测量装置，其特征是，信号接收和混频模块输出的一路解调信号形成信号Z_I1，信号接收和混频模块输出两路正交解调信号分别形成信号Z_I2和Z_Q2，计算机中，将传输上来的Z_I2与Z_I1进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_I(d)，将Z_Q2与Z_I1进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_Q(d)，通过空间距离扫描，即等间隔的进行转静子轴向间隙采样，由V_I(d)和V_Q(d)最终计算获得转静子轴向间隙变化值。

3.如权利要求1所述的基于微波的转静子轴向间隙在线测量装置，其特征是，微波信号产生模块主要包括：时钟基准、控制器、载波路锁相环、载波路压控振荡器、载波路环路滤波器、参考路锁相环、参考路压控振荡器、参考路环路滤波器；

信号功率放大模块包括：载波路功率放大器、载波路中等功率放大器、参考路功率放大器、参考路中等功率放大器；

信号接收和混频模块包括：参考路混频器、参考路射频低噪声放大器、载波路混频器、载波路射频低噪声放大器、第一个低通滤波器、第二个低通滤波器、第三个低通滤波器；

时钟基准为系统提供稳定的频率参考；

控制器设置载波路锁相环工作在载波频率ω_r模式下；载波路锁相环通过内部的电荷泵输出脉冲电流信号，经过载波路环路滤波器带通滤波后，使载波路压控振荡器输出载波频率为ω_r的载波信号，同时通过内部的鉴相器，实时监测时钟基准的倍频信号与载波路压控振荡器的载波反馈信号的相位差，并使二者相位差为零；

载波路压控振荡器输出的载波信号经过载波路功率放大器的功率放大后，进入环形器的第一个端口，并从环形器的第二个端口输出；环形器的第二个端口与微波传感器连接，微波传感器发射载波信号到被测的转子轴向端面，同时接收转子轴向端面的载波反射信号，输回到环形器的第二个端口，并从环形器的第三个端口输出；

控制器设置参考路锁相环工作在参考频率ω_s模式下；参考路锁相环通过内部的电荷泵输出脉冲电流信号，经过参考路环路滤波器带通滤波后，使参考路压控振荡器输出参考频率为ω_s的参考信号，同时通过内部的鉴相器，实时监测时钟基准的倍频信号与参考路压控振荡器的参考反馈信号的相位差，并使二者相位差为零；

参考路压控振荡器输出的参考信号经过参考路功率放大器的功率放大以及参考路射频低噪声放大器的放大后作为参考路混频器的本振输入信号Y₂；同时，载波路压控振荡器输出的载波信号经过载波路中等功率放大器的中等增益功率放大后作为参考路混频器的射频输入信号X₁；参考路混频器输出一路解调信号，经过第一个低通滤波器后为Z_I1，该信号通过信号调理采集模块预处理后，传送至计算机；

环形器的第三个端口输出的载波信号经过载波路射频低噪声放大器的放大后作为载波路混频器的射频输入信号Y₁；同时，参考路压控振荡器输出的参考信号经过参考路中等功率放大器的中等增益放大后作为载波路混频器的本振输入信号X₂；载波路混频器输出两路正交解调信号，分别经过第二个低通滤波器和第三个低通滤波器后，为Z_I2和Z_Q2，这两路信号也通过信号调理采集模块预处理后，传送至计算机；

参考路混频器输入的本振输入信号Y₂和射频输入信号X₁分别用式(1)和式(2)表示：

其中，A₁为射频输入信号X₁的幅值，A₆为本振输入信号Y₂的幅值，ω_s为参考频率，ω_r为载波频率，为射频输入信号X₁的相位，为本振输入信号Y₂的相位；

参考路混频器输出的一路解调信号，经过第一个低通滤波器滤除频率为ω_r+ω_s的频率成分后，得到的信号Z_I1用式(3)表示：

其中，ω_IF＝ω_s-ω_r为中频频率；

载波路混频器输入的射频输入信号Y₁和本振输入信号X₂分别用式(4)和式(5)表示：

其中，A₂为本振输入信号X₂的幅值，A₃为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分的幅值，A₄为射频输入信号Y₁中传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分的幅值，A₅为射频输入信号Y₁中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分的幅值，为本振输入信号X₂的相位，为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分、传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分在传输线缆上延迟的相位，为射频输入信号Y₁中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分在传输路径上延迟的相位，为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分受转静子轴向间隙变化产生的待测相位；

载波路混频器输出的两路正交解调信号分别经过第二个低通滤波器和第三个低通滤波器滤除频率为ω_r+ω_s的频率成分后，得到的信号Z_I2和Z_Q2，用式(6)和式(7)分别表示：

Z_I2＝S_{I_IF}(t)+S_{I_tip}(t)+S_{I_le}(t) (6)

Z_Q2＝S_{Q_IF}(t)+S_{Q_tip}(t)+S_{Q_le}(t) (7)

其中，是Z_I2中的载波反射信号部分；

是Z_I2中的传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分；

是Z_I2中的由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分；

是Z_Q2中的载波反射信号部分；

是Z_Q2中的传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分；

是Z_Q2中的由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分；

k为幅度不平衡因子，为相位不平衡因子；

在计算机中，将传输上来的Z_I2与Z_I1进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_I(d)，将Z_Q2与Z_I1进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_Q(d)，V_I(d)和V_Q(d)用式(8)和(9)分别表示：

其中，当工作环境的温度稳定不变、传感器安装环境振动状态稳定不变时，A_tip、A_le均为定值，不随转静子轴向间隙改变而变化，而A_IF仅与转静子轴向间隙有关，与转静子轴向间隙d的二次幂成反比关系；

由微波相位测距原理：

其中ω₁为发射微波射频信号的空间角频率；

由式(8)、(9)、(10)得到：

其中，j为虚数单位；

利用V(d)信号频谱主要在主频ω₁、镜频-ω₁和直流频率三个部分这一特点，通过空间距离扫描，即等间隔的进行转静子轴向间隙采样，获得这三个频率处的幅值，分别为A(ω₁)、A(-ω₁)、A(0)；幅相不平衡度矫正因子用式(12)、式(13)、式(14)和式(15)表示：

建立抑制同频干扰信号的模型如式(17)所示：

因此，抑制同频干扰信号后的转静子轴向间隙d用式(18)表示：

其中，不随待测转静子轴向间隙变化，通过标定获得这一常数值。

4.一种基于微波的转静子轴向间隙在线测量方法，其特征是，借助于权利要求1所述的装置实现，其中：参考路混频器输入的本振输入信号Y₂和射频输入信号X₁分别用式(1)和式(2)表示：

其中，A₁为射频输入信号X₁的幅值，A₆为本振输入信号Y₂的幅值，ω_s为参考频率，ω_r为载波频率，为射频输入信号X₁的相位，为本振输入信号Y₂的相位；

参考路混频器输出的一路解调信号，经过第一个低通滤波器滤除频率为ω_r+ω_s的频率成分后，得到的信号Z_I1用式(3)表示：

其中，ω_IF＝ω_s-ω_r为中频频率；

载波路混频器输入的射频输入信号Y₁和本振输入信号X₂分别用式(4)和式(5)表示：

其中，A₂为本振输入信号X₂的幅值，A₃为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分的幅值，A₄为射频输入信号Y₁中传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分的幅值，A₅为射频输入信号Y₁中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分的幅值，为本振输入信号X₂的相位，为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分、传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分在传输线缆上延迟的相位，为射频输入信号Y₁中由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分在传输路径上延迟的相位，为射频输入信号Y₁中载波反射信号部分受转静子轴向间隙变化产生的待测相位；

载波路混频器输出的两路正交解调信号分别经过第二个低通滤波器和第三个低通滤波器滤除频率为ω_r+ω_s的频率成分后，得到的信号Z_I2和Z_Q2，用式(6)和式(7)分别表示：

Z_I2＝S_{I_IF}(t)+S_{I_tip}(t)+S_{I_le}(t) (6)

Z_Q2＝S_{Q_IF}(t)+S_{Q_tip}(t)+S_{Q_le}(t) (7)

其中，是Z_I2中的载波反射信号部分；

是Z_I2中的传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分；

是Z_I2中的由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分；

是Z_Q2中的载波反射信号部分；

是Z_Q2中的传感器端面反射部分和待测转子周围静子件杂散反射部分；

是Z_Q2中的由于射频芯片或环形器隔离度不高造成的射频同频串扰部分；

k为幅度不平衡因子，为相位不平衡因子；

在计算机中，将传输上来的Z_I2与Z_I1进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_I(d)，将Z_Q2与Z_I1进行混频运算和低通滤波处理，得到信号V_Q(d)，V_I(d)和V_Q(d)用式(8)和(9)分别表示：

其中，当工作环境的温度稳定不变、传感器安装环境振动状态稳定不变时，A_tip、A_le均为定值，不随转静子轴向间隙改变而变化，而A_IF仅与转静子轴向间隙有关，与转静子轴向间隙d的二次幂成反比关系；

由微波相位测距原理：

其中ω₁为发射微波射频信号的空间角频率；

由式(8)、(9)、(10)得到：

其中，j为虚数单位；

利用V(d)信号频谱主要在主频ω₁、镜频-ω₁和直流频率三个部分这一特点，通过空间距离扫描，即等间隔的进行转静子轴向间隙采样，获得这三个频率处的幅值，分别为A(ω₁)、A(-ω₁)、A(0)；幅相不平衡度矫正因子用式(12)、式(13)、式(14)和式(15)表示：

建立抑制同频干扰信号的模型如式(17)所示：

因此，抑制同频干扰信号后的转静子轴向间隙d用式(18)表示：

其中，不随待测转静子轴向间隙变化，通过标定获得这一常数值。