CN104360095A - 一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统，涉及转速测量技术领域，解决现有的激光转速测量仪光路系统复杂、离焦对测量精度的影响大以及装调繁琐等问题，主要技术方案是：采用无衍射光束照射在回转件表面，利用被照射表面散射激光束在转速作用下产生的多普勒效应，进行外差干涉测量回转件瞬时转速。本发明不仅能实现回转件瞬时转速非接触动态高精测量，同时其装调方便，适用于回转件的动态扭转特性研究与实时监控。

Description

一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及转速测量技术领域，尤其是涉及一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统。

背景技术

激光转速测量技术是通过照射在被测件表面上的激光斑点因转动速度所引起的多普勒效应来测量转速的。在针对回转件的转速测量中，影响测量的因素主要有激光光斑聚焦的大小与回转件的振动偏离所引起的离焦。被测回转件在相同转速的情况下，提高光学系统的景深和缩小激光光斑大小可以保证测量精度、降低装夹要求。

目前的激光转速测量仪，其光学系统一般都是采用高斯激光束照射在被测回转件的表面，将被测件的表面近似作为朗伯反射体，再经光学系统接收漫反射干涉光束的多普勒效应实现对转速的测量。这种高斯光束照射转速测量的方式光路系统复杂、离焦对测量精度的影响大以及装调繁琐等局限。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统，解决现有的激光转速测量仪光路系统复杂、离焦对测量精度的影响大以及装调繁琐等问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法，用于测量回转件的瞬时转速，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将单波长激光束进行准直扩束，然后分成相互垂直的第一激光束和第二激光束，其中第一激光束光路不变；

(2)改变第二激光束的光路，使其与第一激光束的光路平行；

(3)分别将第一激光束和第二激光束处理成无衍射光束，并各自照射到被测回转件上；

(4)将第一激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第一无衍射光束，并使其沿原入射光路返回；将第二激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第二无衍射光束，并使其沿原入射光路返回；

(5)将返回的第一无衍射光束和第二无衍射光束重新汇合到一起，并使其汇聚产生干涉光，探测出干涉光的光强变化频率Δf，然后根据公式计算出回转件的瞬时旋转速度N，公式中：λ为单波长激光束的波长， 为回转件轴线方向上的单位向量，为第一激光束在回转件上照射点的径向方向，为第二激光束在回转件上照射点的径向方向。

优选的，回转件放置在第一激光束处理成的无衍射光束和第二激光束处理成的无衍射光束的无衍射范围之内。

优选的，在第一无衍射光束和第二无衍射光束的无衍射范围之内，汇聚第一无衍射光束和第二无衍射光束产生干涉光。

优选的，第一激光束和第二激光束与回转件中心轴之间的异面直线距离相等，且第一激光束在回转件上照射点和第一激光束在回转件上照射点位于回转件的一个径向截面的圆周上。

一种实施权利要求1所述方法的基于无衍射光束的瞬时转速测量装置，其特征在于，该装置包括：

激光器，用于发射单波长激光束；

准直扩束器，用于对单波长激光束进行准直扩束；

分束镜，用于将单波长激光束分成相互垂直的第一激光束和第二激光束，其中第一激光束光路不变，同时用于将返回的第一无衍射光束和第二无衍射光束重新汇合到一起；

平面反射镜，用于改变第二激光束的光路，使其与第一激光束的光路平行，同时用于改变第二无衍射光束的光路，使其与第一无衍射光束垂直相交；

第一圆锥透镜，用于将第一激光束处理成无衍射光束，同时用于将第一激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第一无衍射光束；

第二圆锥透镜，用于将第二激光束处理成无衍射光束，同时用于将第二激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第二无衍射光束；

聚焦透镜，用于汇聚第一无衍射光束和第二无衍射光束，并使其产生干涉光；

光电探测器，用于探测出干涉光的光强变化频率Δf；

数据处理模块，根据公式计算出回转件的瞬时旋转速度。

优选的，聚焦透镜与第二圆锥透镜之间的距离值小于第二圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围，聚焦透镜与第一圆锥透镜之间的距离值小于第一圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围。

优选的，第二圆锥透镜和第一圆锥透镜的产品参数一致。

优选的，光电探测器的光敏面位于聚焦透镜的焦平面处。

一种根据权利要求5所述装置制成的测量系统，其特征在于，该测量系统包括权利要求5所述的装置和回转件，该回转件与第二圆锥透镜之间的距离值小于第二圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围，该回转件与第一圆锥透镜之间的距离值小于第一圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围。

优选的，所述回转件上被第一激光束和第二激光束所照射的侧壁上贴有漫反射薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用无衍射光束直接照射在被测件回转的表面，避免了离焦、畸变等引起的测量误差，确保了测量精度；

2、用无衍射光束产生的实现方式光路简洁，仅需一片光学器便可实现，简化了照射被测回转件的光路系统；

3、由于无衍射光束空间传播的不变特性，降低了调试与应用时的装夹要求，更具工程实用价值。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

附图标注说明：

1为激光器、2为准直扩束器、3为平面反射镜、4为分束镜、5为聚焦透镜、6为光电探测器、7为第二圆锥透镜、8为第一圆锥透镜、9为数据处理模块、10为回转件。

实线箭头表示入射激光传播方向，虚线箭头表示散射激光传播方向。

A表示第二激光束在回转件上的照射点，B表示第一激光束在回转件上的照射点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明涉及一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法，采用无衍射光束照射在回转件表面，利用被照射表面散射激光束在转速作用下产生的多普勒效应，进行外差干涉测量回转件瞬时转速，该方法具体包括以下步骤：

(1)将单波长激光束进行准直扩束，然后分成相互垂直的第一激光束和第二激光束，其中第一激光束光路不变。

(2)改变第二激光束的光路，使其与第一激光束的光路平行。

(3)分别将第一激光束和第二激光束处理成无衍射光束，并各自照射到被测回转件上。本实例的回转件需放置在第一激光束处理成的无衍射光束和第二激光束处理成的无衍射光束的无衍射范围之内，其作用是消除离焦和球差影响，并且装调方便。此外，本实例的第一激光束和第二激光束与回转件中心轴之间的异面直线距离相等，且第一激光束在回转件上照射点和第一激光束在回转件上照射点位于回转件的一个径向截面的圆周上，采用这样的对称结构，测量数据最精确；两照射点呈其他位置也可以，只是测量数据误差要大些。

(4)将第一激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第一无衍射光束，并使其沿原入射光路返回；将第二激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第二无衍射光束，并使其沿原入射光路返回。

(5)将返回的第一无衍射光束和第二无衍射光束重新汇合到一起，并使其汇聚产生干涉光，探测出干涉光的光强变化频率Δf，然后根据公式计算出回转件的瞬时旋转速度N，公式中：λ为单波长激光束的波长， 为回转件轴线方向上的单位向量，为第一激光束在回转件上照射点的径向方向，为第二激光束在回转件上照射点的径向方向。本实施例在第一无衍射光束和第二无衍射光束的无衍射范围之内，汇聚第一无衍射光束和第二无衍射光束产生干涉光。

为了实施前述方法，本发明还提供一种基于无衍射光束的瞬时转速测量装置，如图1所示，该装置包括：

激光器1，用于发射单波长激光束。激光器1的出射光路上装有准直扩束器2和分束镜4：准直扩束器2用于对单波长激光束进行准直扩束；分束镜4用于将单波长激光束分成相互垂直的第一激光束和第二激光束，其中第一激光束光路不变，同时用于将返回的第一无衍射光束和第二无衍射光束重新汇合到一起。分束镜4的入射激光的反射光路上装有平面反射镜3，其用于改变第二激光束的光路，使其与第一激光束的光路平行，同时用于改变第二无衍射光束的光路，使其与第一无衍射光束垂直相交。平面反射镜3的反射光路上装有第二圆锥透镜7，用于将第二激光束处理成无衍射光束，同时用于将第二激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第二无衍射光束。分束镜4的透射光路上装有第一圆锥透镜8，用于将第一激光束处理成无衍射光束，同时用于将第一激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第一无衍射光束。分束镜4的散射激光的反射光路上装有聚焦透镜5和光电探测器6：聚焦透镜5用于汇聚第一无衍射光束和第二无衍射光束，并使其产生干涉光；光电探测器6用于探测出干涉光的光强变化频率Δf。光电探测器6的后端接有数据处理模块9，用于根据公式计算出回转件的瞬时旋转速度。

本装置在安装时，聚焦透镜5与第二圆锥透镜7之间的距离值小于第二圆锥透镜7所产生的最大无衍射传播范围，聚焦透镜5与第一圆锥透镜8之间的距离值小于第一圆锥透镜8所产生的最大无衍射传播范围。为了使装置更加简单，其第二圆锥透镜7和第一圆锥透镜8的产品参数一致。另外，光电探测器6的光敏面位于聚焦透镜5的焦平面处，以确保足够的光强照射在光电探测器6的光敏面上。

在使用本发明装置时，还涉及一种测量系统，如图1所示，该测量系统包括前述装置和被测用的回转件10。该回转件10与第二圆锥透镜7之间的距离值小于第二圆锥透镜7所产生的最大无衍射传播范围，同时该回转件10与第一圆锥透镜8之间的距离值小于第一圆锥透镜8所产生的最大无衍射传播范围，这样的目的是其作用是消除离焦和球差影响，并且装调方便。为了增强光斑漫反射，确保两反射光束所产生的干涉能被光电探测器6感应，回转件10上被第一激光束和第二激光束所照射的侧壁上贴有漫反射薄膜。漫反射薄膜是涂有玻璃微珠的薄膜，主要作用是增强光斑漫反射，使散射光尽可能为定向散射，保证足够的散射光与参考光发生干涉，从而确保两反射光束所产生的干涉能被光电探测器感应。

本系统还包括信号系统以及光学隔振平台、各种支撑附属杆件等。

本发明的工作原理是：

A.激光器1发出单波长激光束经准直扩束器2再经分束镜4分成两激光束，其中反射光束经平面反射镜3后与透射光束平行，再经第二圆锥透镜7产生成无衍射光束照射在回转件A点上；另外透射的光束经第一圆锥透镜8后生成无衍射光束照射在回转件的B点上，其中被照射的A、B两点上下对称；

B.经第二圆锥透镜7和第一圆锥透镜8的光轴平行，其作用是确保产生的无衍射光束光轴平行；另外被照射点A与B分别到第二圆锥透镜7和第一圆锥透镜8的顶点的距离须小于第二圆锥透镜7和第一圆锥透镜8的无衍射传播距离，以确保无衍射光束照射在A与B点，其作用是消除离焦和球差影响，并且装调方便；

C.经平面反射镜3与第二圆锥透镜7产生的这束无衍射光束照射在回转件10的A处后，由于表面的漫反射，可将A点作为点光源向第二圆锥透镜7以球面波的传播光束，点光源经第二圆锥透镜7后，生成无衍射光束，透射过分束镜4；类似的无衍射光束B点也将漫反射回光束经第一圆锥透镜8生成无衍射光束经分束镜4反射；经聚焦透镜5将A、B两点漫反射回的光束产生干涉，在转速的作用下形成多普勒效应，其频率随转速波动而变化；

D.两路平行照射的无衍射光束经回转件10的表面漫反射后，按入射光路原向返回，并经聚焦透镜5将散射光束汇聚到光电探测器6的光敏面上，光电探测器6的光敏面处与聚焦透镜5的焦平面处，以确保足够的光强照射在光电探测器6的光敏面上；

E.一个光电探测器6，将干涉信号转换为电信号，经数据处理模块9滤波、放大并隔直之后输出，供进一步采集、分析和显示。

根据圆锥透镜生成无衍射光束的原理，平行光束正照射至圆锥透镜后(平行光束的光轴与圆锥透镜的旋转对称轴重合)，在无衍射传播距离范围内(z≤R/[(n-1)θ])，回转件上A、B两点的光强分布为：

I₀≈J² ₀[k(n-1)θ·r]   (1)

上式中I₀为截面上的光强分布，J₀为第一类零阶贝塞尔函数，λ为照射激光束的波长k＝2π/λ为波数，θ为圆锥透镜底面与侧面的夹角；r为截面上的点到无衍射光斑中心的距离；R、n分别为圆锥透镜底面的半径与折射率；z为无衍射光束的空间传播距离，当传播距离z_max＝R/[(n-1)θ]范围内，由圆锥透镜生成的无衍射光束在空间截面上的光强分布恒定不变，因此回转件上被照射的A、B两点分别到第二圆锥透镜7与第一圆锥透镜8的距离要小于z_max，以确保在激光束在对回转件上的A、B两点进行照射时光斑中心不随位置影响。

在回转件表面的漫反射作用下照射在A、B两点的无衍射光斑可近似描述为点光源，在散射回的光束经圆锥透镜后，当聚焦透镜5到第二圆锥透镜7底面的距离z₂小于回转件A点到第二圆锥透镜7顶点的距离z时，其间的光强分布为：

$I_0\≈k^2{r}^2\frac{{\mathrm{zz}}_2}{z_2+z}\mathrm{\λ}{J^2}_0[k(n-1)\mathrm{\θ}\·r]---\left(2\right)$

由于B点漫反射光束到聚焦透镜5的光程要小于A点漫反射光束到聚焦透镜5的光程，因此只要确保A点的满足条件z₂≤z就保证了B点漫反射后的光束经第一圆锥透镜8后照射在聚焦透镜5上的光束与A点漫反射光束经第二圆锥透镜7后照射在聚焦透镜5上的光束均仍为无衍射光束。

两无衍射光束经聚焦透镜5后形成两干涉的同心圆环照射在光电探测器6上；在回转件转速的作用下，A点与B点漫反射回的光束发射均发生多普勒频移，频移值为：

$f_A=\frac{2}{\mathrm{\λ}}\·\stackrel{\→}{i}\·(\stackrel{\→}{V}+{\stackrel{\→}{V}}_A)---\left(3\right)$

$f_B=\frac{2}{\mathrm{\λ}}\·\stackrel{\→}{i}\·(\stackrel{\→}{V}+{\stackrel{\→}{V}}_B)---\left(4\right)$

两式中，f_A、f_B分别为散射光A、B的频率改变值，即差频；V为被测转子平动速度，V_A、V_B是A、B两点的线速度是入射光束方向上也就是X方向上的单位向量，经在干涉在光电探测器6上实现差拍：

$\mathrm{\Δf}=f_A-f_B=\frac{2}{\mathrm{\λ}}\·\stackrel{\→}{i}\·({\stackrel{\→}{V}}_A-{\stackrel{\→}{V}}_B)---\left(5\right)$

对于回转件 $10{\stackrel{\→}{V}}_A=2\mathrm{\πN}({\stackrel{\→}{R}}_A\×\stackrel{\→}{Z}),{\stackrel{\→}{V}}_B=2\mathrm{\πN}({\stackrel{\→}{R}}_B\×\stackrel{\→}{Z})$ 其中为回转件轴线方向上的单位向量，分别为照射的A点与B点回转件径向方向，N为转子的瞬时旋转速度，对应关系如下：

$\mathrm{\Δf}=f_A-f_B=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·N\·d---\left(6\right)$

因此，通过经数据处理模块9对多普勒信号进行分析和处理，便可实现对回转件的瞬时转速的测定与显示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法，用于测量回转件的瞬时转速，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将单波长激光束进行准直扩束，然后分成相互垂直的第一激光束和第二激光束，其中第一激光束光路不变；

(2)改变第二激光束的光路，使其与第一激光束的光路平行；

(3)分别将第一激光束和第二激光束处理成无衍射光束，并各自照射到被测回转件上；

(4)将第一激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第一无衍射光束，并使其沿原入射光路返回；将第二激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第二无衍射光束，并使其沿原入射光路返回；

(5)将返回的第一无衍射光束和第二无衍射光束重新汇合到一起，并使其汇聚产生干涉光，探测出干涉光的光强变化频率Δf，然后根据公式计算出回转件的瞬时旋转速度N，公式中：λ为单波长激光束的波长， 为回转件轴线方向上的单位向量，为第一激光束在回转件上照射点的径向方向，为第二激光束在回转件上照射点的径向方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法，其特征在于，回转件放置在第一激光束处理成的无衍射光束和第二激光束处理成的无衍射光束的无衍射范围之内。

3.根据权利要求1所述的一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法，其特征在于，在第一无衍射光束和第二无衍射光束的无衍射范围之内，汇聚第一无衍射光束和第二无衍射光束产生干涉光。

4.根据权利要求1所述的一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法，其特征在于，第一激光束和第二激光束与回转件中心轴之间的异面直线距离相等，且第一激光束在回转件上照射点和第一激光束在回转件上照射点位于回转件的一个径向截面的圆周上。

5.一种实施权利要求1所述方法的基于无衍射光束的瞬时转速测量装置，其特征在于，该装置包括：

激光器，用于发射单波长激光束；

准直扩束器，用于对单波长激光束进行准直扩束；

分束镜，用于将单波长激光束分成相互垂直的第一激光束和第二激光束，其中第一激光束光路不变，同时用于将返回的第一无衍射光束和第二无衍射光束重新汇合到一起；

平面反射镜，用于改变第二激光束的光路，使其与第一激光束的光路平行，同时用于改变第二无衍射光束的光路，使其与第一无衍射光束垂直相交；

第一圆锥透镜，用于将第一激光束处理成无衍射光束，同时用于将第一激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第一无衍射光束；

第二圆锥透镜，用于将第二激光束处理成无衍射光束，同时用于将第二激光束经回转件表面的漫反射回光处理生成第二无衍射光束；

聚焦透镜，用于汇聚第一无衍射光束和第二无衍射光束，并使其产生干涉光；

光电探测器，用于探测出干涉光的光强变化频率Δf；

数据处理模块，根据公式计算出回转件的瞬时旋转速度。

6.根据权利要求5所述的一种基于无衍射光束的瞬时转速测量装置，其特征在于，聚焦透镜与第二圆锥透镜之间的距离值小于第二圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围，聚焦透镜与第一圆锥透镜之间的距离值小于第一圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围。

7.根据权利要求6所述的一种基于无衍射光束的瞬时转速测量装置，其特征在于，第二圆锥透镜和第一圆锥透镜的产品参数一致。

8.根据权利要求5所述的一种基于无衍射光束的瞬时转速测量装置，其特征在于，光电探测器的光敏面位于聚焦透镜的焦平面处。

9.一种根据权利要求5所述装置制成的测量系统，其特征在于，该测量系统包括权利要求5所述的装置和回转件，该回转件与第二圆锥透镜之间的距离值小于第二圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围，该回转件与第一圆锥透镜之间的距离值小于第一圆锥透镜所产生的最大无衍射传播范围。

10.根据权利要求9所述的一种基于无衍射光束的瞬时转速测量装置，其特征在于，所述回转件上被第一激光束和第二激光束所照射的侧壁上贴有漫反射薄膜。