CN103913217A - 基于psd激光三角法的提升机主轴振动检测方法 - Google Patents

基于psd激光三角法的提升机主轴振动检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计一种提升机主轴振动检测方法，具体是一种基于PSD激光三角法的提升机主轴振动检测方法。基于PSD激光三角法的提升机主轴振动检测方法，在该提升机主轴的横截面平面内，以该主轴为中心点对称安装两个激光位移传感器，该提升机主轴在水平方向的位移为，该提升机主轴在垂直方向的位移为，，。本发明实现了提升机主轴在水平方向和垂直方向的振动位移进行实时准确的监测。

Description

基于PSD激光三角法的提升机主轴振动检测方法
技术领域
本发明设计一种提升机主轴振动检测方法，具体是一种基于PSD激光三角法的提升机主轴振动检测方法。 
背景技术
矿用提升机在矿山生产中承担着运送人员、物资的任务，其性能的好坏直接影响生产和工作人员的生命安全。而机械设备的故障70%以上都可以由振动表现出来，因此对提升机的主轴振动状况进行监测是很有必要的。目前针对常用的测振技术主要有电测法，光学干涉测振技术，时间计数测振技术，多普勒测振技术等。而以上方法在测量精度，测量速度，测量条件或设备复杂程度等方面不能满足对矿用提升机主轴振动检测的要求。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何对提升机主轴在水平方向和垂直方向的振动位移进行实时准确的监测。 
本发明所采用的技术方案是：基于PSD激光三角法的提升机主轴振动检测方法，在该提升机主轴的横截面平面内，以该主轴为中心点对称安装两个激光位移传感器，该提升机主轴在水平方向的位移为 ，该提升机主轴在垂直方向的位移为，，，其中为第一激光位移传感器的测量的该提升机主轴的位移值，为第二激光位移传感器的测量的该提升机主轴的位移值，为该提升机主轴所述横截面平面内该提升机主轴截面圆的半径，为减去所述横截面平面内该提升机主轴截面到两个激光传感器构成的直线的最远距离。 
作为一种优选方式：第二激光位移传感器和第一激光位移传感器相同，都包括激光器、准直透镜、接收透镜、滤光片、光敏元件，由激光器发出激光，经准直透镜后，激光照射在该提升机主轴表面上，再由接收透镜接收主轴表面的漫反射激光，通过滤光片后汇焦到光敏元件上。 
本发明的有益效果是：本发明利用激光三角法和PSD相结合而设计的单一测振传感器，再由两个单一的测振传感器组合成矿用提升机主轴振动检测智能传感器系统，可以更快更精确的测量矿井提升机主轴的水平振动和垂直振动。 
附图说明
图1是本发明的示意图； 
图2 是本发明激光三角法光路系统；
其中，1、第一传感器，2、第二传感器，3、提升机主轴振动前位置，4、提升机主轴水平振动应在的位置，5、提升机主轴同时水平和垂直振动后所在位置，6、激光器，7、准直透镜，8、接收透镜，9、滤光片，10、光敏元件，11、参考面，12实际面。
具体实施方式
本发明是一种矿用提升机主轴振动检测方法，利用激光的单色性好，方向性好，亮度高的特点，提出了具有对矿井提升机主轴振动检测功能的智能型传感器的设计方案，该传感器通过激光三角法和位敏探测器PSD相结合，对矿井提升机主轴在水平方向和垂直方向的振动位移进行实时准确的监测。 
如图1和图2所示，单一传感器（第一传感器或者第二传感器）光路系统由激光器，准直透镜，接收透镜，滤光片，PSD位敏传感器（光敏元件），信号处理电路组成（信号处理电路是接在PSD上的，最后输出的是电压，光点在PSD上移动的距离不同，信号处理电路输出的电压就会不同，反过来，根据信号处理电路输出的电压大小，就可以得到光点在PSD上移动的距离，知道了光点在PSD上移动的距离，就可以根据激光三角法知道主轴位移。在光学系统中，由激光器发出激光，经准直透镜后，激光照射在提升机主轴表面上，再由接收透镜接收主轴表面的漫反射激光，经滤光片聚光在PSD上。 
信号处理电路依据PSD位置公式进行设计，且PSD两极输出的光电流仅在几百nA左右，经过信号处理电路，可将光电流转换成几百mV的电压。并且信号处理电路的输出与PSD的光点位移近似呈线性关系，因此由信号处理电路可得光点在PSD上的移动距离，从而得到提升机主轴的振动位移。 
单一的测振传感器适合单方向的且表面为平面的振动测量，对于提升机主轴，在水平振动的同时，也会在垂直方向以及轴向发生偏移。由于提升机主轴在测量处的表面是圆柱面，当对提升机主轴水平方向振动进行测量时，其轴向方向偏移不会影响测量结果，而其垂直方向的偏移会使测量结果产生误差，并且误差不能忽略，为了在测水平方向的振动时消除误差，同时利用误差得到垂直方向的振动，需要在主轴两侧同一水平方向上安装两个相同的测振传感器，且两个测振传感器连线与提升机主轴垂直。 
提升机主轴水平振动位移确定 
（1）PSD位置确定
      本发明采用一维PSD，其位置公式为
                           公式1
上式中，为入射光点相对与PSD中心线的偏移量，为PSD光敏面的长度，为PSD两个输出电极的光电流。
信号处理电路就是根据公式1进行设计，从而找出光点偏移量与信号处理电路输出的关系，由信号处理电路输出的变化量求得PSD光点位置的变化量。 
（2）单一测振传感器中测得主轴振动位移与光斑在光敏单元上的移动距离的关系 
        设测振传感器测得的振动位移为，相应的光点在光敏单元上的移动距离为，则可得与的关系式为
                           公式2
式中，为反射光束与法线夹角，为经接收透镜后的光线与PSD夹角，为入射光点到接受透镜的距离，为接收透镜的焦距，当系统光路确定之后，公式2中，，，均为已知参数。
（3）两个单一的测振传感器对提升机主轴水平位移的确定 
根据信号处理电路的输出，可以求得由于振动而引起的入射光点在PSD上的偏移量，将带入公式2便可求得单一传感器测得的振动偏移量。
提升机主轴在振动时，同一时刻在水平方向，垂直方向，以及轴向都会发生偏移，当测量提升机主轴在水平方向上的偏移时，其轴向的振动不会影响测量结果，但是其垂直方向的振动会使附图1中所示的参考面发生变化，从而是测量结果产生误差，为了消除误差，同时利用误差计算得到主轴在垂直方向的振动，本发明利用两个单一测振传感器测振，然后取其平均值为水平方向振动位移。两个单一的传感器在同一水平方向上安装，测量时产生的误差正好互为相反数，将其测量结果相加，便可完全消除由参考面改变带来的误差，相加后再取平均值便可得到准确的主轴振动位移值，具体证明如下： 
在附图中，两个单一测振传感器在CH所在直线上，圆1为主轴振动前的位置，其圆心为O，圆2为假设主轴未发生垂直方向偏移应在的位置，其圆心为A，圆3为主轴振动后的位置，其圆心为B。不失一般性，设主轴水平位移为，第一传感器测的数据为，第二传感器测的数据为，第一和第二传感器所在水平直线到主轴最近的那个顶部距离为（也就是提升机主轴截面圆到两个激光传感器构成的直线的最长距离减去），主轴在垂直方向振动位移为，提升机主轴测量处圆柱截面半径为R。可得：
,,；
；
；
                     公式3
下面计算
,,；
；
；
；
                    公式4
由以上计算可得
                                             公式5
   所以由两个单一测振传感器的测振数据取其平均值即可得提升机水平方向振动位移。
（4）提升机主轴在垂直方向上振动位移的确定 
      根据公式3，公式4可得
          
      变换可得主轴在垂直方向的振动位移为
      公式6
对于单一的测振传感器，PSD上的光斑位移大小由信号处理电路得到，由于信号处理电路的设计不同，得到方法将不同，这里设PSD上的光斑位移为。根据凸透镜成像规律：物距的倒数与像距的倒数之和等于焦距的倒数，可得公式
                                                      公式8
其中为入射光点到接收透镜的距离，为接收透镜到PSD位敏探测器的距离，为接收透镜的焦距。
当系统光路确定之后，公式2中，，，可结合公式7、公式8确定，由信号处理电路输出与PSD光点位置关系可以确定光点在PSD上的移动量，从而可以确定主轴振动量，即两个单一测振传感器测振数据由此得到。 
设传感器1测的数据为，传感器2测的数据为，测量处圆柱底面半径为（主轴截面圆的半径）,两个单一传感器所在直线距提升机较近的顶部距离为，由公式5，公式6可得主轴水平方向的振动位移以及垂直方向的振动位移。 
设测量处圆柱底面半径（主轴截面圆的半径）为200，传感器距离主轴顶部距离为100，即，。 
当，时，带入公式5，得到水平方向振动位移为，带入公式6得垂直方向振动位移为。 
基于PSD激光三角法的矿用提升机主轴振动检测方法其优点在于：同时启用两个单一测振传感器，解决了由提升机主轴表面为圆柱面和主轴垂直方向振动而给水平方向测量带来的误差，同时另一方面，又利用了垂直方向振动给水平方向测量带来的误差，求出了垂直方向的振动，而且整个系统测量精度高，实时性好，灵敏度高，具有很好的实用价值。 

Claims (2)

1.基于PSD激光三角法的提升机主轴振动检测方法，其特征在于：在该提升机主轴的横截面平面内，以该主轴为中心点对称安装两个激光位移传感器，该提升机主轴在水平方向的位移为                                               ，该提升机主轴在垂直方向的位移为，，，其中为第一激光位移传感器的测量的该提升机主轴的位移值，为第二激光位移传感器的测量的该提升机主轴的位移值，为该提升机主轴所述横截面平面内该提升机主轴截面圆的半径， 为减去所述横截面平面内该提升机主轴截面到两个激光传感器构成的直线的最远距离。
2.根据权利要求1所述的基于PSD激光三角法的提升机主轴振动检测方法，其特征在于：第二激光位移传感器和第一激光位移传感器相同，都包括激光器、准直透镜、接收透镜、滤光片、光敏元件，由激光器发出激光，经准直透镜后，激光照射在该提升机主轴表面上，再由接收透镜接收主轴表面的漫反射激光，通过滤光片后汇焦到光敏元件上。
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