CN103076081A

CN103076081A - 脉冲气体激光器风机振动的测量系统

Info

Publication number: CN103076081A
Application number: CN2012105348835A
Authority: CN
Inventors: 徐勇跃; 杨晨光; 左都罗; 王新兵; 卢宏; 陆培祥; 何崇文; 胡攀攀
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种脉冲气体激光器风机振动的测量系统，该系统包括探测光源，第一反射镜面，第二反射镜面，光电探测器，信号处理电路，数据采集器，处理器和显示器；该系统通过固定支架与脉冲气体激光器刚性连接，风机转动过程产生的振动通过固定支架使反射镜面发生位移。风机工作之前，探测光束通过固定支架中的两面反射镜反射后反向射出，探测光束光斑位于二象限光电探测器光敏面的中心，保证两个象限输出信号相同。风机工作产生离心振动带动固定支架上产生上下移动，探测光束在反射镜上的位置发生变化，出射光束的位置和投射在光电探测器光敏面上的光斑位置发生相应变化；本发明具有测量系统简单、精度高、操作方便的特点，具有很强的实用性。

Description

脉冲气体激光器风机振动的测量系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及的是风机振动的测量系统，该系统特别适用于对脉冲气体激光器风机工作时产生的离心振动测量。

背景技术

采用脉冲放电泵浦的脉冲气体激光器由于具有重复率高、能量大及成本低的特点在工业上获得了广泛的应用，如集成电路光刻，激光医疗和工业加工等。脉冲气体激光器工作时的转换效率一般都较低，剩余的能量以热的形式沉积下来，造成工作介质的均匀性受到影响，即流场的不均匀性增加；激光腔内流场的不均匀性会严重影响光束质量、输出平均功率，甚至抑制激光振荡的产生，因此需要循环流动系统来使工作气体不断更新。脉冲气体激光器中的风机按工作方式不同可以分为横流风机、轴流风机和离心风机等多种形式。风机在工作时，旋转机械的转子由于受到材料质量和加工精度等方面的影响，转子的质量分布相对于旋转中心不可能绝对的对称，因此任何一个转子不可能做到“绝对平衡”，转子质量中心和旋转中心线之间总是有一定的偏心矩存在，这就使得转子旋转时形成周期性的离心力，在轴承上产生动载荷，使机器发生振动。转子在失衡条件下，会导致整套装置振动，破坏脉冲气体激光器的工作稳定性。因此风机在出厂之前需要进行动平衡测试，采取相应的措施使转子达到平衡状态。在现场运转过程中，转子不停地经受磨损等因素影响，会产生失衡故障，转子失衡后，将引发机组强烈振动，影响系统的稳定性。

发明内容

本发明目的在于提供脉冲气体激光器风机振动的测量系统，该装置能够简单而准确地测量风机工作时带来的微小振动，实现对风机工作状态的监测。

本发明提供的一种脉冲气体激光器风机振动的测量系统，其特征在于，该系统包括探测光源，二象限光电探测器，信号处理电路，数据采集器，处理器和显示器；工作时，探测光源出射的光束，在附加风机振动信号后投射在二象限光电探测器的光敏面上，二象限光电探测器、信号处理电路、数据采集器、处理器和显示器依次电信号连接，信号处理电路对光电探测器5的信号进行放大、整形后交由数据采集器进行A/D转换变成数字信号，处理器对数字信号进行滤波和快速傅里叶变换处理，得到光斑上下移动的频率和幅值，确定风机工作时的振动频率和幅值，并在显示器上显示。

作为上述技术方案的改进，该系统还包括第一反射镜面和第二反射镜面；探测光源水平放置，第一反射位于探测光源的出射光路上，并与探测光束成45°角，第二反射镜面与第一反射镜面垂直放置，两反射面之间的夹角成90°，第一反射镜面和第二反射镜面均通过反射镜固定支架进行固定，反射镜固定支架用于与被测风机刚性相连。

本发明的脉冲气体激光器风机振动的测量系统，通过固定支架与脉冲气体激光器刚性连接，风机转动过程产生的振动通过固定支架使反射镜面发生位移。风机工作之前，探测光束通过固定支架中的两面反射镜反射后反向射出，探测光束光斑位于二象限光电探测器光敏面的中心，保证两个象限输出信号相同。风机工作产生离心振动带动固定支架上产生上下移动，探测光束在反射镜上的位置发生变化，出射光束的位置和投射在二象限光电探测器光敏面上的光斑位置发生相应变化；光敏面上光斑的移动使得光电探测器两个象限的信号输出发生变化，输出的变化量ΔU同光斑中心的位移量η之间的关系可以通过标定曲线获得。因此通过记录二象限光电探测器两个象限的信号输出变化量ΔU，就可以获得风机工作时产生的振动频率和振幅大小。

本发明通过激光测量的方式获得脉冲气体激光器风机工作时的振动信息，具有测量系统简单、精度高、操作方便的特点，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明系统的原理框图；

图2为风机工作带动镜子向上位移d时，探测光束的光路变化示意图；

图3为风机工作带动镜子向上位移d时，探测光束光斑在光电探测器光敏面上的移动示意图；

图4为另一种测量脉冲气体激光器风机振动的实验装置框图；

图5为风机工作时的实时信号输出；

图6(a)为经滤波处理后的信号；(b)为经快速傅里叶变换(FFT)后的信号；

图7为为二象限光电探测器两象限输出差ΔU同探测光斑在光敏面上的位移η的标定曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的一种脉冲气体激光器风机振动的测量系统，主要包括探测光源101，第一反射镜面102，第二反射镜面104，光电探测器105，信号处理电路106，数据采集器107，处理器108和显示器109。

探测光源101水平放置，第一反射镜面102位于探测光源101的出射光路上，并与探测光束成45°角，第二反射镜面104与第一反射镜面102垂直放置，两反射面之间的夹角成90°，第一反射镜面102和第二反射镜面104通过反射镜固定支架103进行固定，反射镜固定支架103与被测振动装置刚性相连；探测光源101出射的光束经过第一反射镜面102和第二反射镜面104反射后反向出射，投射在光电探测器105的光敏面上，光电探测器105为采用PIN二象限光电探测器或APD二象限光电探测器，它具有两个对称的光敏面。二象限光电探测器105、信号处理电路106、数据采集器107、处理器108和显示器109依次电信号连接。

探测激光光源101发射的光束依次经过第一反射镜面102和第二反射镜面104反射后反向出射，投射在二象限光电探测器105的光敏面上。如图2所示，风机未工作时，探测光束101发出的光束光路轨迹如图2中实线所示；风机工作时产生离心振动，带动反射镜固定支架103一起上下振动，当固定支架向上位移d，探测光束101在第一反射镜面102上的反射点位置发生变化，光路轨迹如图2中虚线所示，此时反射光束中心向上位移量为2d，即投射在二象限光电探测器105光敏面上的光斑中心向上移动量为2d。二象限光电探测器105的剖面图如图3所示，由两个象限组成。工作之前，投射于二象限光电探测器105光敏面上的光斑位于探测器的中心，两个象限输出的光强相等；风机工作振动带动反射镜固定支架103向上运动位移d时，相应光斑在光敏面上位移2d，两个象限输出的信号发生变化，两个象限输出的信号差值ΔU与光斑的位移量η的对应关系可以通过标定曲线获得，其中η＝2d。信号处理电路106对光电探测器105的信号进行放大、整形后交由数据采集器107进行A/D转换变成数字信号，处理器108对信号进行滤波和快速傅里叶变换(FFT)等数字信号处理，得到光斑上下移动的频率和幅值，进而确定风机工作时的振动频率和幅值，并在显示器109上予以显示。

如图4所示为另一种测量脉冲气体激光器风机振动的实验装置简化图，主要包括探测光源401，探测光源固定支架403，光电探测器105。探测光源固定支架403用来固定探测光源401，并且与风机直接刚性连接。探测光源401发出的光束直接由光电探测器105进行接收，信号处理电路部分同图3(这里省略)。风机工作时带动探测光源固定支架403和探测光源401一起上下振动，相应的光斑在光敏面上发生位移，导致两个象限输出的信号发生变化，此时风机振动振幅与光斑在光敏面上的位移量η相等，即η＝d。后续信号处理同图3。

以下结合准分子激光器为例，采用本发明装置对准分子激光器风机工作时产生的振动进行测量，通过该实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述：

风机未工作时，投射在二象限光电探测器105光敏面上的光斑位于探测器的中心，两象限的输出信号相等，两个象限输出的信号差值保持为零。当风机工作产生振动时，光斑在光电探测器光敏上的位置相应发生变化，两个象限输出的信号发生变化，两个象限输出的信号差值ΔU如图5所示。处理器108对信号进行滤波和快速傅里叶变换(FFT)处理后的信号分别如图6(a)和图6(b)所示，从图6(b)中可以得到探测光束光斑在探测器光敏面上往复运动的频率f和两个象限输出的信号差值(振幅)ΔU，该频率与风机振动的频率相等。二象限光电探测器两象限输出差ΔU同探测光斑在光敏面上的位移的关系可以通过曲线标定获得，从图7中可以根据标定曲线获得光斑位移量η的大小，可知光斑位移量η等于两倍的振动位移d，即η＝2d。从图中可得光斑位移量η为0.02mm，则风机振动的振幅大小为0.01mm。

综上所述，本发明能很好的对脉冲气体激光器风机工作时的微小扰动进行测量，具有较好的准确性和较高的精度，并具有测量系统简单、方法简便等一系列优点。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种脉冲气体激光器风机振动的测量系统，其特征在于，该系统包括探测光源，二象限光电探测器，信号处理电路，数据采集器，处理器和显示器；

工作时，探测光源出射的光束，在附加风机振动信号后投射在二象限光电探测器的光敏面上，二象限光电探测器、信号处理电路、数据采集器、处理器和显示器依次电信号连接，信号处理电路对光电探测器5的信号进行放大、整形后交由数据采集器进行A/D转换变成数字信号，处理器对数字信号进行滤波和快速傅里叶变换处理，得到光斑上下移动的频率和幅值，确定风机工作时的振动频率和幅值，并在显示器上显示。

2.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器风机振动的测量系统，其特征在于，该系统还包括第一反射镜面和第二反射镜面；

探测光源水平放置，第一反射位于探测光源的出射光路上，并与探测光束成45°角，第二反射镜面与第一反射镜面垂直放置，两反射面之间的夹角成90°，第一反射镜面和第二反射镜面均通过反射镜固定支架进行固定，反射镜固定支架用于与被测风机刚性相连。

3.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器风机振动的测量系统，其特征在于，探测光源安装在用于与被测风机刚性相连的探测光源固定支架上。