CN104251668A - 基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置及方法，涉及一种动压马达气膜间隙测量装置及方法。解决了目前电容传感器测量工作距离小、激光三角传感器测量精度受限的问题。本发明装置主要包括干涉系统、正交光栅分光以及移相装置、图像采集系统；该装置分别用圆光斑与条形光斑作轴/径向测量光斑，正交龙基光栅实现分光，四象限偏振片实现移相，CCD进行图像采集。本发明方案：将该装置探头相对待测动压马达轴/径向测量面保持一定距离垂直固定，利用同步移相干涉原理、光栅衍射分光理论、偏振移相特性以及图像采集原理，测量出动压马达气膜刚度变化相对应的轴向、径向位移变化值。本发明稳定性好，能实现共光路、大工作距、高分辨力测量。

Description

基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种动压马达气膜间隙测量装置及方法，特别是涉及一种基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置及方法，属于光学检测测量技术领域。

背景技术

动压马达由于其体积小、振动噪音小、可靠性高、温升和摩擦损耗小以及寿命长等优点，被广泛应用于各种高精度、高可靠性陀螺仪表，并且在航空、航天、航海等导航设备上也被广泛应用。动压马达为陀螺仪表提供稳定可靠的转动惯量，其性能的好坏直接影响仪器仪表、平台乃至导弹、飞船的导航精度与可靠性，而气膜刚度是动压马达的重要特性指标，目前国内外主要用自重法来测量气膜刚度。马达在平稳工作时，采用微位移传感器直接测量与动压马达转子相对于定子的下沉量，再经过计算获得气膜刚度，其中检测的关键是对位移变化的准确测量。

气膜厚度的测量属于微位移非接触式测量，其测量方法主要分为电学法与光学法，其中电学法又包含以涡流式传感器为位移传感器的电感测微法和电容测微法。虽然瑞士TESA公司生产的高精密电感测微测头最高精度可达0.01um，配备相应的测量电路也可以实现微位移的测量，但通常电感测微测量频响低，不适用于快速动态测量。所以目前国内主要是运用电容传感器(专利公告号CN201242426，发明创造名称为外转子动压气浮轴承马达姿态角及轴承刚度测试装置)来测量动压马达气膜刚度，其特点是抗干扰能力强，能有效抑制动压马达表面缺陷以及粗糙度引起的测量误差。在使用电容传感器时，要求被测面的面积大于传感器工作面的面积，而动压马达轴向被测量端面一般非常小，从而导致其测量精度下降；此外，电容传感器工作距离小，在马达高速旋转的时，容易与马达发生摩擦，造成传感器或者马达表面受损。为了克服电容法气膜刚度测量的不足，刘俭等提出采用激光三角光法测量动压马达的气膜刚度(刘俭,谭久彬,赵晨光.基于特征谱信号抑制的气膜刚度测量技术.光电子.激光.2008,19(7):938--941)，以及单明广等提出激光三角传感器(专利公开号CN102590292A，发明创造名称为基于双测头的动压马达气膜刚度测量方法与装置)来测量动压马达轴向气膜刚度。但激光三角光传感器测量光斑小，易受被测表面反射率变化的影响，从而降低了示值稳定性和测量重复性，并且测量的工作距离越大其测量精度反而降低。

发明内容

本发明为了解决激光三角光传感器测量光斑小，易受被测表面反射率变化的影响，从而降低了示值稳定性和测量重复性，并且测量的工作距离越大其测量精度反而降低的问题，进而提供一种基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置及方法，其具有测量工作距离大、抗干扰能力强和分辨力高的特点；测量光斑可根据被测面的形状和尺寸进行整形，可消除被测表面反射率对传感器的影响；采用共光路设计，不仅有利于装置的小型化，而且可有效克服周围环境对传感器的影响。该装置既可以用来测量动压马达径向气膜刚度相对应的位移变化值，也可以用来测量轴向位移变化值。

本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：

本发明的基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置，包括激光器、线偏振片与准直扩束镜组成光源部分，1/2波片、偏振分光棱镜、第一1/4波片、平面反射镜同第二1/4波片、待测面一起构成泰曼格林干涉装置，再次合并的参考光与测量光通过第三1/4波片以及龙基光栅实现等光强分光，分出的光由光阑选取所需的四路光经四象限偏振片实现移相，最后由第一透镜、CCD与计算机采集干涉图，并对图像进行处理。

上述装置可以用来测量动压马达转子下沉量的位移变化，同时为了保证测量精度，在上述装置的在光源部分的激光器和线偏振片之间引入两个相对设置的平凸柱面镜，将测量光斑整形成条形光斑。针对马达相对较小的轴向测量面进行测量时，可实现大光斑测量，有效滤除动态测量中反射率对测量结果的影响。

基于同步移相干涉的气膜间隙测量装置，其测量方法如下：

1、依据自重法，将该装置探头与动压马达测量面保持一定距离垂直固定；

2、根据同步移相干涉原理，利用龙基光栅与四象限偏振片实现参考光与测量光共光路，并且同步完成分光、相移；

3、由以下公式：

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-2θ_i)]

$\mathrm{\Δs}(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\left[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\right]$

测得待测物表面的相对位移变化；(a²+b²)表示背景光强，φ表示测量面引入的相位值，θ_i表示四象限偏振片每个象限引入的相位值，λ表示激光器发出的光源波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值，△s表示马达测量面的相对位移值。

测量方法还可以优化为：He-Ne单频激光器发出的光经过光源部分后变成偏振方向与光轴成45°的线偏振光，随后经过泰曼格林干涉装置分成偏振方向相互垂直的参考光与测量光；汇合后的参考光与测量光首先通过龙基光栅分光装置分光形成四路子光束，每路子光束包含参考子光束与测量子光束，根据光栅衍射理论可以实现等光强分光，为同步移相获取四路特性完全一致的子光束组；运用四象限偏振片作为移相器，让分出的四路子光束组分别通过偏振方向依次相差45°的移相器，实现四路光的相移分别为0°、90°、180°、270°；

由公式：

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-2θ_i)]  i＝1、2、3、4

分别计算得到四路移相干涉光强关系式，式中，a、b分别为参考光与测量光幅值，φ为含有测量表面位移信息的相位值，θ_i为移相器的偏振方向与光轴的夹角，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值；

利用CCD瞬时采集四路子光束组的干涉图，一幅干涉图像上可以呈现四路干涉信息，利用计算机处理以及移相算法对干涉信息进行处理；

由公式：

$\mathrm{\Δs}(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\left[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\right]$

可以得到马达测量面的相对位移值△s，式中，λ为入射光波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明利用共光路同步干涉测量技术，测量光通过龙基光栅和四象限偏振片组，将四路测量光分离，并利用同一CCD完成四路移相干涉图的采集。如此不仅易于集成，同时消除环境振动对测量结果造成的影响，可以实现快速高精度测量。

2、本发明采用柱面镜对光源进行扩束，并且将测量光束整形为条形光束，可完成对小测量面的大光斑探测，从而滤出表面反射率对测量结果的不良影响。

3、本发明利用同步移相干涉原理，具有测量工作距离大和分辨力高的特点，解决了电容传感器工作距离小，使用中受限于被测面的面积，以及激光三角测量法精度低的问题，可同时完成对马达轴、径向刚度测量。

附图说明

附图1为基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置的结构示意图；

附图1中件号说明：1-激光器、2-线偏振片、3-准直扩束镜、4-1/2波片、5-偏振分光棱镜、6-第一1/4波片、7-平面反射镜、8-第二1/4波片、9-待测面、10-第三1/4波片、11-龙基光栅、12-光阑、13-四象限偏振片、14-第一透镜、15-CCD、16-计算机；

附图2为马达径向测量轴视图；

附图3为条形光斑简易获取图；

附图2、3中件号说明：19-圆形光斑、20-平凸柱面镜、22-条形光斑、23-动压马达；

附图4为四路移相干涉光光强与位移关系图；

附图5为相对位移与探测相位关系图；

附图6为测量相位值与被测位移之间的关系图；

附图7为龙基光栅的示意图；

附图8为光阑的示意图；

附图9为四象限偏振片示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合附图进行说明，本实施方式的基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置，由激光器1、线偏振片2与准直扩束镜3组成光源部分，1/2波片4、偏振分光棱镜5、第一1/4波片6、平面反射镜7同第二1/4波片8、待测面9一起构成泰曼格林干涉装置，再次合并的参考光与测量光通过第三1/4波片10与龙基光栅11实现等光强分光，分出的光由光阑12选取所需的四路光经由四象限偏振片13实现移相，最后由第一透镜14、CCD15和计算机16采集干涉图，并对图像进行处理。

具体实施方式二：结合附图进行说明，本实施方式的测量方法，利用上述同步移相干涉测量装置即可实现对马达气膜厚度的高精度测量，其具体实现过程是：首先激光器1、线偏振片2与准直扩束镜3组成光源部分产生大光斑的线偏振光，线偏振光经过1/2波片4转换为与原来的振动方向相差45°的线偏振光，并由偏振分光棱镜5分成偏振方向相互垂直的等光强的两束光；其次第一束光经过第一1/4波片6、平面反射镜7，第二束光经过第二1/4波片8、待测马达9，然后再由偏振分光棱镜合并在一起分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；然后这合成光通过第三1/4波片10与龙基光栅11实现等光强分光，分出的光由光阑12选取所需的四路光经由四象限偏振片13实现移相；最后由第一透镜14与CCD15采集干涉图，利用计算机16结合移相算法对采集的图像进行处理还原，可以得到马达被测面的相对位移变化值。

在这个测量装置中，参考光与测量光经过由光栅分光组与偏振移相组构成的共光路结构，让整个装置更小型化，同时避免了环境干扰对实验测量造成的影响。

下面结合附图2至附图6对实施方式具体阐述。

在对动压马达23轴向相对位移测量时，为了获取大的测量光斑，利用平凸柱面镜来构成整形扩束装置，从He-Ne激光器出射的单一波长的圆形光束19经过两个平凸柱面镜20后，变成条形光斑22出射，作为测量动压马达轴向被测面的入射光。

在对获取的被测面信息进行处理的过程中，该实施装置采用的是四步移相算法，由偏振移相结构实现移相，得到四路相移依次为90°的干涉光强分布图如图4所示，其光强分布公式为

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-2θ_i)]  i＝1、2、3、4。

利用算法公式 $\mathrm{\φ}=\arctan \left[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\right]$ 与位移-移相关系式 $2\×\mathrm{\ΔS}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\×\mathrm{\φ},$ 得到动压马达气膜刚度相对位移值与相位的理论关系如图4所示；从图5可以看出，这是个周期性变化的曲线，对于任意大的工作距测量而言，都满足这一关系式。由于动压马达下沉量的测量是相对测量，只需要截取其中的一个周期进行计算就可以精确得到下沉量的值，其测量相位值与最后测得的相对位移值得变化关系图如图6所示。

此实施实例满足大工作距、大范围、高分辨力测量；同时避免了马达表面加工痕迹、粗糙度对测量的影响，能够避免环境振动的影响，测量精度高。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置，其特征在于：包括激光器、线偏振片与准直扩束镜组成光源部分，1/2波片、偏振分光棱镜、第一1/4波片、平面反射镜同第二1/4波片、待测面一起构成泰曼格林干涉装置，再次合并的参考光与测量光通过第三1/4波片以及龙基光栅实现等光强分光，分出的光由光阑选取所需的四路光经四象限偏振片实现移相，最后由第一透镜、CCD与计算机采集干涉图，并对图像进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置，其特征在于：在光源部分的激光器和线偏振片之间引入两个相对设置的平凸柱面镜，用于将测量光斑整形成条形光斑。

3.根据权利要求1或2所述的基于同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置，其特征在于：激光器为He-Ne单频激光器。

4.基于权利要求1所述的同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置实现的测量方法，其特征在于：其测量方法如下：

步骤1、依据自重法，将该装置探头与动压马达测量面保持一定距离垂直固定；

步骤2、根据同步移相干涉原理，利用龙基光栅与四象限偏振片实现参考光与测量光共光路，并且同步完成分光、相移；

步骤3、由以下公式：

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-2θ_i)]

$\mathrm{\Δs}(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\arctan \left[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\right]$

测得待测物表面的相对位移变化；(a²+b²)表示背景光强，φ表示测量面引入的相位值，θ_i表示四象限偏振片每个象限引入的相位值，λ表示激光器发出的光源波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值，Δs表示马达测量面的相对位移值。

5.基于权利要求3所述的同步移相干涉的动压马达气膜间隙测量装置实现的测量方法，其特征在于：其测量方法如下：

He-Ne单频激光器发出的光经过光源部分后变成偏振方向与光轴成45°的线偏振光，随后经过泰曼格林干涉装置分成偏振方向相互垂直的参考光与测量光；汇合后的参考光与测量光首先通过龙基光栅分光装置分光形成四路子光束，每路子光束包含参考子光束与测量子光束，根据光栅衍射理论可以实现等光强分光，为同步移相获取四路特性完全一致的子光束组；运用四象限偏振片作为移相器，让分出的四路子光束组分别通过偏振方向依次相差45°的移相器，实现四路光的相移分别为0°、90°、180°、270°；

由公式：

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-2θ_i)]  i＝1、2、3、4

分别计算得到四路移相干涉光强关系式，式中，a、b分别为参考光与测量光幅值，φ为含有测量表面位移信息的相位值，θ_i为移相器的偏振方向与光轴的夹角，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值；

利用CCD瞬时采集四路子光束组的干涉图，一幅干涉图像上可以呈现四路干涉信息，利用计算机处理以及移相算法对干涉信息进行处理；

由公式：

$\mathrm{\Δs}=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\arctan \left[\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_2(x,y)-I_4(x,y)}\right]$

可以得到马达测量面的相对位移值Δs，式中，λ为入射光波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值。