CN103335704A - 一种激光干涉转子测振装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光干涉转子测振装置及其测量方法的技术方案，该方案基于激光多普勒效应产生的差拍频率，能够同时探测高速转子的弯曲振动和扭转振动，同时本方案没有使用价格昂贵的移频器件，而实现了振动信号的调频测量，既能明确区分弯曲振动和扭转振动方向，也有很强的抗环境干扰能力，且制造成本低，本方案属于激光非接触测量，对被测转子的运动状态无干扰，测量精度高、响应速度快，动态范围大，并且可以在较远距离处测量。转子的加工误差和其它振动形态对扭转振动和弯曲振动的测量干扰也很小。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种激光测速装置及测量方法，尤其是一种激光干涉转子测振装置及其测量方法。
背景技术
在现有技术中，公知的技术是：转子是机械设备中最为普遍的功能部件，它的性能对设备整机性能有着决定性的影响。随着机械装备向高速度、高精度和高可靠性方向的发展，转子实际运动状态的精密测量，不论是对于新装备中转子性能的研究，还是装备实际运行状态的监测都是十分重要的。
转子振动的测量方法一般可分为接触式测量和非接触式测量两类。在接触式测量中，测量传感器（如应变片等）安装在转子上，并随着转子一起转动，测量信号通过集流环或无线发射方式进行传送；在非接触式测量中，测量传感器（如电容、电感、涡流传感器等）安装在机座上，测量信号可通过引线直接连接至测量仪器。接触式测量除了需要特殊的信号传输装置之外，附加的测量装置对被测转子的运行状态不可避免地存在干扰；常规的非接触测量虽然在一定程度上克服了接触测量的不足之处，但也存在着测量信号并未直接反映装置的真实运动状态，同时要求传感器的固定位置十分靠近被测转子，这也带来了许多不便之处。
激光多普勒振动测速技术是将激光束聚焦照射于运动物体的测量点，其散射激光将发生多普勒频移，与原来激光束发生差拍干涉，通过测量差拍频率获得物体测量点的运动速度。该技术属于激光干涉测量，多普勒频移与测点运动速度成线性关系，且具有空间分辨率高、测量灵敏度高、响应速度快、动态测量的范围大、受环境条件和温度的影响小等优势。此外，该技术属于非接触测量，且测量装置可以在较远的距离上测量测点的运动速度。将其运用到高速转子振动的精密测量是十分合适的。
目前基于激光多普勒频移效应的对转子振动测量装置一般仅能测量单项振动，使用较为普遍的是扭振仪，仅能测量转子指定截面的扭转振动无法测量转子的弯曲振动，这是现有技术所存在的不足之处。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种激光干涉转子测振装置及其测量方法的技术方案，该方案能够能同时测得转子指定截面的弯曲振动、扭转振动；如果采用多路本发明的测量装置并行工作（或者单路本发明测量装置改变测量位置），也可以实现转子运行状态的全面测量。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种激光干涉转子测振装置及其测量方法，包括有安装在固定基座上的激光器，分光镜A，分光镜B，分光镜C，反光镜，透镜A，透镜B，透镜A??、透镜B??，探测器A，探测器B和电子处理部件；所述电子处理部件分别与探测器A和探测器B的输出信号连通；
激光器发出的激光束经过分光镜C等分为两路激光，透射激光束为探测激光A，反射激光束经过反光镜反射，为探测激光B；探测激光A与探测激光B相互平行；
探测激光A穿过分光镜A和透镜A聚焦于转子表面的测量点A，探测测量点A的速度；探测激光B穿过分光镜B和透镜B聚焦于转子表面的测量点B，探测测量点B的速度；
测量点A的散射激光穿过透镜A后经分光镜A反射再穿过透镜A’，作为测量光束聚A焦于探测器A；探测激光B经过分光镜B反射后穿过分光镜A和透镜A??，作为参考光束A也聚焦于探测器A；测量光束A与参考光束A干涉的差拍信号由探测器A转变为电信号输出至电处理部件，差拍频率反映测量点A在探测方向上的速度；
测量点B的散射激光穿过透镜B后经分光镜B反射再穿过透镜B??，作为测量光束聚B焦于探测器B，探测激光A经过分光镜A反射后穿过分光镜B和透镜B??，作为参考光束B也聚焦于探测器B；测量光束B与参考光束B干涉的差拍信号由探测器B转变为电信号输出电处理部件，差拍频率反映测量点B在探测方向上的速度；
量测点A的探测速度与测量点B的探测速度之和再除以2，为探测点转子转动速度在探测方向上的投影，代表了转子的转动速度，转动速度的波动即为转子的扭转振动速度；量测点A的探测速度与测量点B的探测速度之差再除以2，即为转子的水平振动速度。
作为本方案的优选：测量点A和测量点B的位置对称于转子中心和测量方向所决定的平面。
作为本方案的优选：测量光束A与参考光束A平行；所述测量光束B与参考光束B平行。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知：由于在该方案基于激光多普勒效应产生的差拍频率，能够同时探测高速转子的弯曲振动和扭转振动，同时本发明没有使用价格昂贵的移频器件，而实现了振动信号的调频测量，既能明确区分弯曲振动和扭转振动方向，也有很强的抗环境干扰能力，且制造成本低，本发明属于激光非接触测量，对被测转子的运动状态无干扰，测量精度高、响应速度快，动态范围大，并且可以在较远距离处测量。转子的加工误差和其它振动形态对扭转振动和弯曲振动的测量干扰也很小。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的结构示意图。
图中，1为激光器，2为分光镜C，3为反光镜，4为分光镜A，5为分光镜B，6为透镜A，7为透镜B，8为透镜A’，9为透镜B’，10为探测器A，11为探测器B，12为电子处理部件，13为探测激光A，14为探测激光B，15为测量光束A，16为参考光束A，17为测量光束B，18为参考光束B，19为测量点A，20为测量点B。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
通过附图可以看出，本方案包括有安装在固定基座上的激光器，分光镜A，分光镜B，分光镜C，反光镜，透镜A，透镜B，透镜A??、透镜B??，探测器A，探测器B和电子处理部件；电子处理部件分别与探测器A和探测器B数据联通；
激光器发出的激光束经过分光镜C等分为两路激光，透射激光束为探测激光A，反射激光束经过反光镜反射，为探测激光B；探测激光A与探测激光B相互平行；
探测激光A穿过分光镜A和透镜A聚焦于转子表面的测量点A，探测测量点A的速度；探测激光B穿过分光镜B和透镜B聚焦于转子表面的测量点B，探测测量点B的速度；
测量点A的散射激光穿过透镜A后经分光镜A反射再穿过透镜A’，作为测量光束聚A焦于探测器A；探测激光B经过分光镜B反射后穿过分光镜A和透镜A??，作为参考光束A也聚焦于探测器A；测量光束A与参考光束A干涉的差拍信号由探测器A转变为电信号输出至电处理部件，差拍频率反映测量点A在探测方向上的速度；
测量点B的散射激光穿过透镜B后经分光镜B反射再穿过透镜B??，作为测量光束聚B焦于探测器B，探测激光A经过分光镜A反射后穿过分光镜B和透镜B??，作为参考光束B也聚焦于探测器B；测量光束B与参考光束B干涉的差拍信号由探测器B转变为电信号输出电处理部件，差拍频率反映测量点B在探测方向上的速度；
量测点A的探测速度与测量点B的探测速度之和再除以2，为探测点转子转动速度在探测方向上的投影，代表了转子的转动速度，转动速度的波动即为转子的扭转振动速度；量测点A的探测速度与测量点B的探测速度之差再除以2，即为转子的水平振动速度。
测量点A和测量点B的位置对称于转子中心和测量方向所决定的平面。
测量光束A与参考光束A平行；所述测量光束B与参考光束B平行。
光学器件安装要保证探测激光A和探测激光B平行，测量光速和参考光速平行，平行误差要控制在10-4弧度之内。实际测量之前要估算测量点的法线方向与探测方向的夹角，数值应小于150。实际测量时要调整整个测量装置，要使测量点A和测量点B对称于转子中心和测量方向，对称误差应小于0.04l，这里l为探测激光A和探测激光B之间的距离。转子的测量表面应当粘贴增强反向散射作用的反光膜，或涂上厚度均匀的反光漆，以保证能接受到足够强的散射光。
本发明对典型的验证性实验转子进行初步实验数据为：
1. 铝制盘形转子Φ250mm，厚度25mm，转子质量2.7Kg，转子转速200r/min；
2. 激光波长632.8nm，激光器功率10mw，探测激光光束距离25mm；
3. 以实际转速校正测量系统后进行数据处理。测得扭转振动幅值为5.4r/min，为不规则振动，频率大约为0.4Hz；测得弯曲振动幅值13.8mm/s，频率与转动同步也为200r/min，为规则的简谐振动。
本发明的基于激光多普勒频移效应的高速转子弯曲-扭转振动综合测量方法和测量装置，利用高速转子表面散射激光光束所产生的多普勒频移效应，实现高速转子指定断面的弯曲-扭转振动的速度的非接触精确测量，适用于高速转子的动态性能研究和重要高速机械设备的实时状态监控。本发明除了能同时测量高速转子的弯曲和扭转振动之外，还具有探测灵敏度高、动态范围大、抗干扰能力强等优点。
Claims (3)
1.一种激光干涉转子测振装置及其测量方法，其特征是：包括有安装在固定基座上的激光器，分光镜A，分光镜B，分光镜C，反光镜，透镜A，透镜B，透镜A??、透镜B??，探测器A，探测器B和电子处理部件；所述电子处理部件分别与探测器A和探测器B的输出信号连通；
所述激光器发出的激光束经过分光镜C等分为两路激光，透射激光束为探测激光A，反射激光束经过反光镜反射，为探测激光B；所述探测激光A与探测激光B相互平行；
所述探测激光A穿过分光镜A和透镜A聚焦于转子表面的测量点A，探测测量点A的速度；所述探测激光B穿过分光镜B和透镜B聚焦于转子表面的测量点B，探测测量点B的速度；
所述测量点A的散射激光穿过透镜A后经分光镜A反射再穿过透镜A’，作为测量光束聚A焦于探测器A；探测激光B经过分光镜B反射后穿过分光镜A和透镜A??，作为参考光束A也聚焦于探测器A；所述测量光束A与参考光束A干涉的差拍信号由探测器A转变为电信号输出至电处理部件，差拍频率反映测量点A在探测方向上的速度；
所述测量点B的散射激光穿过透镜B后经分光镜B反射再穿过透镜B??，作为测量光束聚B焦于探测器B，探测激光A经过分光镜A反射后穿过分光镜B和透镜B??，作为参考光束B也聚焦于探测器B；所述测量光束B与参考光束B干涉的差拍信号由探测器B转变为电信号输出电处理部件，差拍频率反映测量点B在探测方向上的速度；
所述量测点A的探测速度与测量点B的探测速度之和再除以2，为探测点转子转动速度在探测方向上的投影，代表了转子的转动速度，转动速度的波动即为转子的扭转振动速度；所述量测点A的探测速度与测量点B的探测速度之差再除以2，即为转子的水平振动速度。
2. 根据权利要求1所述的一种激光干涉转子测振装置及其测量方法，其特征是：所述测量点A和测量点B的位置对称于转子中心和测量方向所决定的平面。
3. 根据权利要求1所述的一种激光干涉转子测振装置及其测量方法，其特征是：所述测量光束A与参考光束A平行；所述测量光束B与参考光束B平行。
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