本發(fā)明涉及材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電時間反演技術(shù)的主動式自傳感推力滾動軸承型傳感器及其使用方法。

背景技術(shù)：

軸承的功能是支承回轉(zhuǎn)體，保證其在固定位置，又可順利旋轉(zhuǎn)。它是所有機械設(shè)備不可缺少的通用零部件之一。

推力滾動軸承作為軸承的一種，主要用于承受轉(zhuǎn)速較低的軸向載荷。推力滾動軸承的工作狀態(tài)對機械結(jié)構(gòu)的性能及壽命都有重大的影響，因此對推力滾動軸承的健康狀態(tài)監(jiān)測具有重大意義。

壓電主動式傳感技術(shù)是目前應(yīng)用較多的一種新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)集驅(qū)動和傳感功能為一體從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的健康實時在線監(jiān)測。

但是，目前將壓電主動式傳感技術(shù)運用到實用機械上的研究很少，將壓電主動式傳感技術(shù)運用到推力滾動軸承中的應(yīng)用更為少見。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是要提供一種基于壓電時間反演技術(shù)的主動式自傳感推力滾動軸承型傳感器及其使用方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、低成本，其使用方法結(jié)合時間反演法、壓電主動傳感技術(shù)，可以有效地監(jiān)測推力滾動軸承及類似軸承軸向力狀態(tài)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的一種基于壓電時間反演技術(shù)的主動式自傳感推力滾動軸承型傳感器，包括軸承，所述軸承包括軸圈、座圈、滾動體和保持架，所述軸圈通過滾動體和保持架與座圈聯(lián)接，所述軸圈上設(shè)有第一壓電材料，所述座圈上設(shè)有第二壓電材料，所述第一壓電材料與信號發(fā)生裝置連通，所述第二壓電材料與信號接收處理裝置連通。

進一步地，所述軸圈上表面設(shè)有第一凹槽，所述座圈下表面設(shè)有第二凹槽，所述第一壓電材料設(shè)置在第一凹槽內(nèi)，所述第二壓電材料設(shè)置在第二凹槽內(nèi)。

進一步地，所述軸圈上還設(shè)有導電滑環(huán)，所述第一壓電材料通過導電滑環(huán)與信號發(fā)生裝置連通。

更進一步地，所述軸圈與座圈上分別設(shè)置有引線口。

作為優(yōu)選項，所述第一凹槽和第二凹槽中均設(shè)有絕緣涂層，所述絕緣涂層設(shè)置在第一壓電材料與第一凹槽、第二壓電材料與第二凹槽之間。

本發(fā)明所設(shè)計的一種基于壓電時間反演技術(shù)的主動式自傳感推力滾動軸承型傳感器的使用方法，該方法包括以下步驟：

1)將軸圈中的第一壓電材料作為激發(fā)器，通過信號發(fā)生裝置對其供給50～150KHz高斯調(diào)制脈沖電壓信號產(chǎn)生超聲波脈沖；第一壓電材料產(chǎn)生的超聲波通過軸圈與滾動體之間的接觸界面后傳入滾動體，再通過座圈與滾動體之間的接觸界面，傳遞給座圈中的第二壓電材料，座圈中的第二壓電材料作為傳感器接收超聲響應(yīng)信號并由信號接收處理裝置存儲；

2)在信號接收處理裝置對響應(yīng)信號進行時域上的反演后，再輸送給軸圈中的第一壓電材料激發(fā)產(chǎn)生反演后的超聲波信號，該信號通過軸圈與滾動體之間的接觸界面后傳入滾動體，再通過座圈與滾動體之間的接觸界面，傳遞給座圈中的第二壓電材料，再次由座圈中的第二壓電材料接收該時間反演聚焦信號；

3)通過信號分析處理裝置分析第二壓電材料的聚焦信號幅值，建立接收聚焦信號幅值等特征量與軸承的軸向力之間的關(guān)系，通過事先標定的聚焦信號峰值與軸承軸向力之間的關(guān)系，可確定軸承軸向力的狀態(tài)，實現(xiàn)對軸承的健康監(jiān)測。

進一步地，步驟3中：所述第一壓電材料作用50～150KHz高斯調(diào)制脈沖信號，通過分析第二壓電材料的響應(yīng)信號能量和聚焦信號幅值，建立接收信號能量等特征量與軸承所受軸向力之間的關(guān)系，實現(xiàn)對軸承軸向力狀態(tài)的監(jiān)測：

響應(yīng)信號的能量與聚焦信號幅值的關(guān)系：

E∝C₁S (2)

式中：y_F(t)為聚焦信號的幅值

y(t)為響應(yīng)信號

A為常數(shù)

E為信號能量

S為軸圈、座圈與滾動體間的接觸面積

F為軸承的軸向力

C₁、C₂為常數(shù)。

如式(1)、(2)和(3)，當軸承軸向力F增加時，軸圈及座圈與滾動體的接觸面積S增加，相應(yīng)地通過接觸面的信號能量E隨之增加，聚焦信號的幅值y_F(t)增大；

反之，當軸承軸向力F減少時，軸圈及座圈與滾動體的接觸面積S減少，相應(yīng)地通過接觸面的信號能量E隨之減少，聚焦信號的幅值y_F(t)減小。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：與現(xiàn)有技術(shù)相比，其通用性強、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、低成本，適用于監(jiān)測推力滾動軸承軸向力狀態(tài)。

附圖說明

圖1為軸承的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為軸承另一方向的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為軸承正視示意圖；

圖4為軸承后視示意圖；

圖5為軸承俯視示意圖；

圖6為圖5中A-A向剖視示意圖；

圖7為本發(fā)明的連接示意圖；

圖8為采用推力滾動軸承的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)表。

圖中：軸承1(其中：軸圈1.1、座圈1.2、滾動體1.3、保持架1.4)、第一壓電材料2(其中：第一凹槽2.1)、第二壓電材料3(其中：第二凹槽3.1)、信號發(fā)生裝置4、信號接收處理裝置5、導電滑環(huán)6、引線口7。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述：

如圖1～6所示的一種基于壓電時間反演技術(shù)的主動式自傳感推力滾動軸承型傳感器，包括軸承1，所述軸承1包括軸圈1.1、座圈1.2、滾動體1.3和保持架1.4，所述軸圈1.1通過滾動體1.3和保持架1.4與座圈1.2連接，所述軸圈1.1上設(shè)有第一壓電材料2，所述座圈1.2上設(shè)有第二壓電材料3，所述軸圈1.1上表面設(shè)有第一凹槽2.1，所述座圈1.2下表面設(shè)有第二凹槽3.1，所述第一壓電材料2設(shè)置在第一凹槽2.1內(nèi)，所述第二壓電材料3設(shè)置在第二凹槽3.1內(nèi)。所述第一凹槽2.1和第二凹槽3.1中均設(shè)有絕緣涂層，所述絕緣涂層設(shè)置在第一壓電材料2與第一凹槽2.1、第二壓電材料3與第二凹槽3.1之間。所述第一壓電材料2與信號發(fā)生裝置4連通，所述軸圈1.1上還設(shè)有導電滑環(huán)6，所述第一壓電材料2通過導電滑環(huán)6與信號發(fā)生裝置4連通。所述第二壓電材料3與信號接收處理裝置5連通。所述軸圈1.1與座圈1.2上分別設(shè)置有引線口7。

一種基于壓電時間反演技術(shù)的主動式自傳感推力滾動軸承型傳感器的使用方法，該方法包括以下步驟：

1)將軸圈1.1中的第一壓電材料2作為激發(fā)器，通過信號發(fā)生裝置4對其供給50～150KHz高斯調(diào)制脈沖電壓信號產(chǎn)生超聲波脈沖；第一壓電材料2 產(chǎn)生的超聲波通過軸圈1.1與滾動體1.3之間的接觸界面后傳入滾動體1.3，再通過座圈1.2與滾動體1.3之間的接觸界面，傳遞給座圈1.2中的第二壓電材料3，座圈1.2中的第二壓電材料3作為傳感器接收超聲響應(yīng)信號并由信號接收處理5裝置存儲；

2)在信號接收處理裝置5對響應(yīng)信號進行時域上的反演后，再輸送給軸圈1.1中的第一壓電材料2激發(fā)產(chǎn)生反演后的超聲波信號，該信號通過軸圈1.1與滾動體1.3之間的接觸界面后傳入滾動體1.3，再通過座圈1.2與滾動體1.3之間的接觸界面，傳遞給座圈1.2中的第二壓電材料3，再次由座圈1.2中的第二壓電材料3接收該時間反演聚焦信號；

3)通過信號分析處理裝置5分析第二壓電材料3的聚焦信號幅值，建立接收聚焦信號幅值等特征量與軸承1的軸向力之間的關(guān)系，通過事先標定的聚焦信號峰值與軸承1軸向力之間的關(guān)系，可確定軸承1軸向力的狀態(tài)，實現(xiàn)對軸承1的健康監(jiān)測；

所述第一壓電材料2作用50～150KHz高斯調(diào)制脈沖信號，通過分析第二壓電材料3的響應(yīng)信號能量和聚焦信號幅值，建立接收信號能量等特征量與軸承1所受軸向力之間的關(guān)系，實現(xiàn)對軸承1軸向力狀態(tài)的監(jiān)測：

響應(yīng)信號的能量與聚焦信號幅值的關(guān)系：

E∝C₁S (2)

式中：y_F(t)為聚焦信號的幅值

y(t)為響應(yīng)信號

A為常數(shù)

E為信號能量

S為軸圈1.1、座圈1.2與滾動體1.3間的接觸面積

F為軸承1的軸向力

C₁、C₂為常數(shù)。

如式(1)、(2)和(3)，當軸承1軸向力F增加時，軸圈1.1及座圈1.2與滾動體1.3的接觸面積S增加，相應(yīng)地通過接觸面的信號能量E隨之增加，聚焦信號的幅值y_F(t)增大；

反之，當軸承1軸向力F減少時，軸圈1.1及座圈1.2與滾動體1.3的接觸面積S減少，相應(yīng)地通過接觸面的信號能量E隨之減少，聚焦信號的幅值y_F(t)減小。

實際使用時：

如圖3的測試系統(tǒng)流程圖，所述通過信號發(fā)生裝置4發(fā)射50～150KHz高斯調(diào)制脈沖電壓信號，通過導電滑環(huán)6傳遞給軸圈1.1的第一壓電材料2，第一壓電材料2作為激發(fā)器，產(chǎn)生超聲波信號；第一壓電材料2產(chǎn)生的超聲波通過軸圈1.1與滾動體1.3之間的接觸界面后傳入滾動體1.3，再通過座圈1.2與滾動體1.3之間的接觸界面，傳遞給座圈1.2中的第二壓電材料3，座圈1.2中的第二壓電材料3作為傳感器接收超聲響應(yīng)信號并由信號接收處理5裝置存儲；在信號接收處理裝置5對響應(yīng)信號進行時域上的反演后，再輸送給軸圈1.1中的第一壓電材料2激發(fā)產(chǎn)生反演后的超聲波信號，該信號通過軸圈1.1與滾動體1.3之間的接觸界面后傳入滾動體1.3，再通過座圈1.2與滾動體1.3之間的接觸界面，傳遞給座圈1.2中的第二壓電材料3，再次由座圈1.2中的第二壓電材料3接收該時間反演聚焦信號；

將接收的聚焦信號進行存儲、分析，當軸承1軸向力發(fā)生變化時，軸圈1.1、座圈1.2與滾動體1.3之間接觸界面的實際接觸面積會發(fā)生變化，通過軸圈1.1、座圈1.2與滾動體1.3的接觸界面的超聲波聚焦信號的幅值，即超聲波信號能量，等特征量會發(fā)生相應(yīng)的變化，通過事先標定的聚焦信號峰值與軸承1軸向力之間的關(guān)系，可確定軸承1軸向力的狀態(tài)，實現(xiàn)對軸承1的健康監(jiān)測。

實施例：

采用推力滾動軸承(型號：51204)作為實驗試樣，進行初步實驗。對第一壓電材料2施加150kHz的高斯調(diào)制脈沖信號，壓電常數(shù)d33和d31分別為400×10-12CN、-150×10-12CN。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)見圖8.

由圖8可得出，聚焦信號的幅值隨著軸承1軸向力的增大而增加，這一結(jié)論與上述公式(1)和公式(3)所表明的聚焦信號幅值與軸承1軸向力之間的關(guān)系相吻合。

最后，應(yīng)當指出，以上實施例僅是本發(fā)明較有代表性的例子。顯然，本發(fā)明不限于上述實施例，還可以有許多變形。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)認為屬于本發(fā)明的保護范圍。