CN108414784A - 激光频闪测速仪 - Google Patents

Abstract

将闪光灯与激光速度传感器相结合的激光频闪测速仪。激光传感器精确确定机器速度的能力使得无需用户干预即可确定同步频闪率。锁定到转动速度之后，频闪观测仪可以“冻结”轴的运动，从而允许操作人员观测最佳放置激光点的位置(如在键槽、平台或螺丝头上)以产生每旋转一次的测速脉冲。

Description

激光频闪测速仪

技术领域

本发明涉及机器健康状况测量领域。更具体地说，本发明涉及一种为更准确地测量机器旋转速度的提供频闪功能的激光测速仪。

背景技术

准确检测旋转设备的转速是测量振动的关键。精确的速度测量需要区分与机器同步运行速度有关的故障(fault)，例如，次同步频率(如皮带频率)与非同步频率(如轴承故障和电气频率)的不平衡或不重叠。需要精确的相位基准来执行同步分析并测量相对的相位。虽然有些机器配备了永久安装的传感器，可以产生测速脉冲，但其他机器必须由操作人员在现场进行测量。为了获得准确的相位基准，两种方法都需要精确检测每旋转一次所显露出来的旋转轴上的特征。现场测量速度可以使用接触式测速仪、频闪仪、光电测速仪或其他工具(例如CSI430型号速度传感器)来执行。所有这些现场测量设备都有其缺点。所有这些现场测量设备都有其缺点。

接触式测速仪执行直接测量，涉及与旋转轴的表面或端部的物理接触。这要求操作人员靠近机器。

频闪观测仪以不同的速率发出高强度光线，操作人员调节闪光率以“冻结”轴的运动，以确定操作速度。某些操作员技能水平对于正确理解发光场景是必要的。

光电测速仪使用连接到轴上的特殊反光带反射的光线来生成每旋转一次(once-per-revolution)的脉冲。这就要求机器停下来涂抹或清洁反光带。

CSI 430型号速度传感器使用反射的激光来检测旋转部件的表面不规则性。速度信息通过自相关从反射信号中自动提取。这种方法不需要特殊的胶带或轴作准备，可以在相当一段距离外进行测量。然而，为了产生用于相位基准的精确的每旋转一次(1x)的测速脉冲，激光束必须精确地瞄准每旋转一次的独特特征，诸如键槽、反光带、平台或固定螺丝。

通常在工业环境中，要获得精确的旋转速度测量，并且特别是获取准确的相位测量，需要测速仪和频闪灯两者。当存在诸如键槽、反光带或轴内凹痕等物体时，将产生测速脉冲(例如由激光测速仪产生的)。然而，即使在明亮的灯光下，当机器运行时，在光滑的轴上的这种突起也不可能用肉眼看到。通常，在旋转轴上找到标记的唯一方法就是使用频闪灯。虽然没有产生脉冲用于确定相位关系，但通过手动调整频闪速率，可以确定速度。然而，通过使用频闪灯来发现不同的轴扰动，可以使用激光来精确地确定相位关系。

因此，所需要的是将频闪灯的功能与激光测速的功能相结合的旋转速度检测装置。

发明内容

激光频闪测速仪的各种实施例满足了上述和其他需求，其结合了频闪灯和激光速度传感器的优点。激光传感器精确确定机器速度的能力使得无需用户干预即可确定同步频闪率。锁定到转动速度之后，频闪观测仪可以“冻结”轴的运动，从而允许用户观测最佳放置激光点的位置(如在键槽、平台或螺丝头上)以产生每旋转一次的测速脉冲。

图2示出了在反射信号感测各种轴特征但不能感测可触发的1X特征的情况下由激光速度传感检测器输出的信号。图3示出了从反射物体产生清晰的1X信号的情况。在这种情况下，2V的触发阈值电压将产生非常好的1X相位基准脉冲。通常导致图2信号与图3信号差异的激光束位置的差异仅在于零点几英寸(a fraction of an inch)。因此，观测1X特征的精确位置是至关重要的。

一个优选实施例，其提供了一种用于确定机器的旋转部件的旋转速度的装置。该实施例的装置包括用于产生指向到机器的旋转部件上的激光束的激光器和用于产生驱动激光器的调制电流的第一驱动器电路。检测器基于对从机器的旋转部件反射的激光能量的检测来生成检测器信号。解调器基于对检测器信号的解调生成解调信号。处理器执行指令，该指令实现基于解调信号来确定旋转速度值的算法，其中旋转速度值指示旋转部件的旋转速度。一个或多个可见光源产生用于照射机器的旋转部件的可见光。第二驱动电路接收旋转速度值，并且基于此以与旋转速度值相关的频率对一个或多个可见光源进行开启和关闭，从而产生视觉上的频闪效果。

在一些实施例中，第一驱动器电路生成具有大于滤波器的截止频率的调制频率的调制电流。在一些实施例中，滤波器的截止频率约为100千赫兹或更高。

在一些实施例中，该装置包括高通滤波器，用于对检测器信号进行滤波以通过具有大于滤波器截止频率的频率的信号分量。

在一些实施例中，在处理器中实现的算法包括自相关算法或测速仪阈值检测算法。

在一些实施例中，旋转速度值在大约1Hz至大约5kHz的范围内。

在一些实施例中，一个或多个可见光源包括一个或多个发光二极管(LED)。

在一些实施例中，一个或多个可见光源围绕激光器同心布置。

在一些实施例中，该装置包括输出接口，用于将TTL形式的旋转速度值输出到机器振动分析仪。在一些实施例中，该装置包括用于输出旋转速度值的无线模块。

在一些实施例中，该装置包括与第二驱动器电路进行电通信的用户输入设备。用户输入设备用于调节驱动可见光源的调制电流的相位。这种相位调整允许将由用户感知的旋转部件的视觉图像向前或向后滚动，以允许用户在视觉上检查旋转部件的特定部分，否则，该特定部分将是不可观察到的。

在一些实施例中，可见光源包括具有第一照射角度范围的一个或多个第一光源以及具有第二照射角度范围的一个或多个第二光源，其中第一照射角度范围小于第二照射角度范围。这些实施例的第二驱动器电路可操作以按照多种可选组合向可见光源施加功率，包括：

第一组合，其中所有的第一光源被激活并且第二光源都不被激活；

第二组合，其中所有的第二光源都被激活，并且第一光源都不被激活；以及

第三组合，其中一个或多个第一光源被激活，并且一个或多个第二光源被激活。

在这些实施例中，用户输入设备与第二驱动器电路进行电通信。用户输入设备用于选择可见光源的第一、第二或第三组合。

在一些实施例中，第二驱动器电路可操作地以在至少两种不同的模式下驱动可见光源，该模式包括：

频闪模式，其中第二驱动电路开启和关闭可见光源以产生视觉上的频闪效果；以及

手电筒模式，其中第二驱动器电路连续地对可见光源通电以提供恒定的照射。

在这些实施例中，用户输入设备与第二驱动器电路进行电通信。用户输入设备用于选择频闪模式或手电筒模式。

另一方面，本发明提供了一种用于确定机器的旋转部件的旋转速度的装置。在优选实施例中，该装置包括便携式手持外壳、设置在手持外壳内的激光器以及以围绕激光器同心布置的方式设置在外壳内或外壳上的多个发光二极管(LED)。激光器产生指向到机器的旋转部件上的激光束，并且处理器基于对从机器的旋转部件反射的激光能量的检测来确定旋转速度值。产生照射机器旋转部件的可见光的LED以与旋转速度值相关的频率开启和关闭，由此产生视觉上的频闪效果。

在又一方面，本发明提供了一种用于确定机器的旋转部件的旋转速度的方法。该方法的优选实施例包括以下步骤：

(a)将来自激光器的激光束指向到机器的旋转部件上；

(b)用调制电流驱动激光器；

(c)检测从机器的旋转部件反射的激光能量并基于此产生检测器信号；

(d)解调检测器信号并基于此产生解调信号；

(e)基于解调信号确定旋转速度值，其中旋转速度值指示旋转部件的旋转速度；

(f)产生照射机器的旋转部件的可见光；以及

(g)以与旋转速度值相关的频率开启和关闭可见光，由此产生视觉上的频闪效果。

在一些实施例中，该方法的步骤(e)包括：

(e1)基于解调信号计算自相关波形；

(e2)对自相关波形执行快速傅里叶变换(FFT)以生成包括具有基频的一系列谐波峰值的频谱；以及

(e3)基于一系列谐波峰值的基频确定旋转速度。

附图说明

本发明的其他实施例将通过参考结合附图的详细描述而变得显而易见，其中，元件并非是按比例绘制的，以便更清楚地显示细节，其中相同的附图标记在多个视图中表示相同的元件，并且其中：

图1示出了根据本发明实施例的激光频闪测速仪系统；

图2示出了在检测到各种轴特征但检测不到可触发的每旋转一次的特征的情况下由激光速度传感检测器输出的示例性信号；

图3示出了在从反射物体产生清晰的每旋转一次的信号的情况下由激光速度传感器检测器输出的示例性信号；

图4示出了根据优选实施例的手持式激光频闪测速仪的物理配置；

图5示出了根据优选实施例的使用激光频闪测速仪的方法；以及

图6示出了根据本发明实施例的激光频闪测速仪系统。

具体实施方式

为了将LED频闪功能与激光测速仪的功能组合，在此描述的优选实施例使用调制/解调方案以将频闪能量与激光能量隔离。这种方法的另一个好处就是对环境光线的抑制得到了很大的改善。

图1示出了激光频闪测速仪10的优选实施例的功能框图。图5示出了使用图1的激光测速仪的方法100的步骤。激光驱动器电路12将驱动电流调制到激光器14(步骤102)。在一个优选实施例中，激光器14以约5mW的功率水平在650nm(红色)的波长下运行。激光器14将窄激光束指向到旋转的机器轴16上(步骤104)，并且从轴反射的激光由透镜18聚焦到检测器20上(步骤106)。检测器信号由放大器22放大，由以调制频率为中心的带通滤波器24滤波，以去除由检测器20捕获的任何环境和频闪光能(步骤108)。放大和滤波的检测器信号被提供给同步解调器26以产生反射波形(步骤110)。可以将反射波形作为原始速度波形提供给诸如CSI 2140型号之类的外部测量装置，或者可以由ADC27将其转换为数字信号。在一个优选实施例中，ADC27是具有超过90dB的动态范围和超过100kHz的采样率的sigma-delta转换器。

处理器28接收解调的反射波形并运行自相关算法和/或测速仪阈值检测算法以提取通常在1Hz至5kHz范围内的1X转速(步骤112)。在一个优选实施例中，通过首先计算从激光输出产生的解调反射波形的自相关来确定1X转动速度。自相关谱包括一系列的谐波峰值，该系列谐波峰值的基频对应于所分析的机器的1X转速。

在一个替代实施例中，使用申请号为14/296,480，题为“Automatic ThresholdDetection for Tachometer Signals”(公开号为US2014/0372071)的美国专利申请中描述的算法来完成转速的检测，其全部内容通过引用并入本文。该算法是基于取得激光波形的导数。该算法的输出产生正脉冲波形，其中脉冲之间的宽度是所分析的机器的运行速度。

将1X转速信号提供给LED驱动器30，LED驱动器30以转速信号的速率调制一个或多个频闪LED 32(步骤114)。来自LED的频闪光指向到旋转轴上以“冻结”以1X速度转动的轴特征(即键槽)(步骤116)。如果需要的话，可以调整激光束以将光束点直接投放在键槽或其他特征上(步骤118)。

在一个优选的实施例中，只要激光点保持在旋转轴上，则连续地执行步骤106-116，并将转速值连续地或周期性地从激光频闪测速仪10输出到外部振动分析仪，例如CSI2140型号(步骤120)。在下面讨论的一些实施例中，转动速度值也可以被显示在集成到激光频闪测速仪10的壳体中的用户输入/显示装置38上，诸如触摸屏。

大于100kHz的激光器14调制和检测器信号的带通滤波防止了任何较低频率的LED频闪能量出现在来自解调器26的反射波形中。激光调制频率并不是关键的，只要至少比最高LED频闪率大一个数量级即可。

如上所述，优选实施例根据激光信号确定转动速度，然后基于转动速度施以脉冲频闪光，以找到在机器轴上的键槽或其他独特的每旋转一次的特征以确定相位。在替代实施例中，首先以近似机器轴转速的频率产生频闪光脉冲。随着频闪光照射机器轴，然后可以定位键槽或每旋转一次的标记，尽管它看起来可能是缓慢旋转的，而不是“冻结的”。一旦知道包含每旋转一次的标记的轴的区域，就将激光指向该区域，并且如在优选实施例中那样进行处理。

在如图4所示的一个优选实施例中，激光频闪单元10具有与在手电筒式外壳34中利用多个LED增强的CSI 430型号速度传感器类似的物理形状。该实施例优选地包括内部微处理器和驱动器电路以提供频闪照射。在这种配置中，能量由外部振动分析仪提供，例如CSI 2140型号，通过电力/信号电缆连接频闪单元。

在另一个实施例中，激光频闪单元10是具有其自己的电源和用户输入/显示装置38的独立装置。在该实施例中，测速脉冲输出提供诸如TTL信号形式的速度和相位基准信息，供振动分析仪使用。

在一些实施例中，激光频闪测速仪10包括无线通信模块36，例如蓝牙或Wi-Fi模块，以将速度和相位基准信息无线传送给振动分析仪。

在一些实施例中，用户输入/显示设备38允许用户调整来自LED驱动器30的频闪输出的相位，使得用户可以在视觉上向前或向后“滚动”转子图像位置以检查轴或扇叶的特定扇区。在一些实施例中，该功能由在处理器28上运行的软件提供，该软件调节提供给LED驱动器30的1X转速信号的相位。

在一些实施例中，可以通过使用窄角和广角LED的组合来调整频闪光束的宽度。在这些实施例中，一个或多个LED 32具有较窄的照射区域，并且一个或多个LED 32具有较宽的照射区域。通过在用户输入/显示装置38上的操作或在处理器28上运行的软件，用户可以选择广角LED或窄角LED或两者来实现期望的照射。

在一些实施例中，LED 32可以以“手电筒”模式操作以提供稳态照射。可以使用用户输入/显示设备38或在处理器28上运行的软件来选择该模式。

在图6所示的可选实施例中，单个解调器26(图1)被用作具有同相(I)输出26a和正交(Q)输出26b的双解调器，以允许确定距离和速度信息。在该实施例中，调制频率在3MHz到10MHz的数量级上。该实施例优选具有双通道ADC，包括用于同相信息的ADC通道27a和用于正交信息的ADC通道27b。

前述描述已经出于说明和描述的目的给出了本发明的优选实施例。它们不旨在是详尽无遗的或将本发明限制到所公开的确切形式。根据上述说明可以做出显而易见的修改或变化。为了提供对本发明的原理及其实际应用的最佳说明，选择和描述了这些实施例，并且由此使得本领域的普通技术人员能够以各种实施例和各种修改来利用本发明达到预期的特定用途。当根据其公正、合法和公平地授权的范围来解释时，所有这些修改和变化都包含在由所附权利要求确定的本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种用于确定机器的旋转部件的旋转速度的装置，所述装置包括：

激光器，用于产生指向到所述机器的旋转部件上的激光束；

第一驱动器电路，用于产生驱动所述激光器的调制电流；

检测器，用于基于对从所述机器的旋转部件反射的激光能量的检测来生成检测器信号；

解调器，用于基于对所述检测器信号的解调生成解调信号；

处理器，其能够执行指令，所述指令实现基于解调信号来确定旋转速度值的算法，其中所述旋转速度值指示旋转部件的旋转速度；

一个或多个可见光源，用于产生照射所述机器的旋转部件的可见光；

第二驱动电路，用于接收所述旋转速度值，并且基于此以与所述旋转速度值相关的频率对所述一个或多个可见光源进行开启和关闭，从而产生视觉上的频闪效果。

2.根据权利要求1所述的装置，所述第一驱动器电路生成具有大于滤波器的截止频率的调制频率的调制电流。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述滤波器的截止频率约为100千赫兹或更高。

4.根据权利要求2所述的装置，其中还包括带通滤波器，用于对所述检测器信号进行滤波，以通过通频带中具有低于和高于所述调制频率的频率的信号分量。

5.根据权利要求1所述的装置，其中在所述处理器中实现的算法包括自相关算法或测速仪阈值检测算法。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述解调器包括同相(I)解调器信号输出和正交(Q)解调器信号输出。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述处理器执行指令以基于同相和正交解调信号来确定距离值，其中所述距离值指示到所述机器的旋转部件的距离。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一驱动器电路产生以约3MHz至约10MHz的频率调制的调制电流。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述旋转速度值在大约1Hz至大约5kHz的范围内。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个可见光源包括一个或多个发光二极管(LED)。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个可见光源围绕所述激光器同心布置。

12.根据权利要求1所述的装置，还包括输出接口，用于将TTL形式的旋转速度值输出到机器振动分析仪。

13.根据权利要求1所述的装置，还包括用于输出所述旋转速度值的无线模块。

14.根据权利要求1所述的装置，还包括与所述第二驱动器电路电连通的用户输入设备，所述用户输入设备用于调节驱动所述一个或多个可见光源的调制电流的相位，其中所述相位调节允许将由用户感知的旋转部件的视觉图像向前或向后滚动，以允许用户在视觉上检查所述旋转部件的特定部分。

15.根据权利要求1所述装置，进一步包括：

所述一个或多个可见光源包括具有第一照射角度范围的一个或多个第一光源以及具有第二照射角度范围的一个或多个第二光源，其中所述第一照射角度范围小于所述第二照明角度范围；

所述第二驱动器电路能够操作以多种可选择的组合的方式向所述一个或多个可见光源施加功率，可选择的组合包括以下组合中的一个或多个：

第一组合，其中所有的所述第一光源被激活并且所述第二光源都不被激活；

第二组合，其中所有的所述第二光源都被激活，并且所述第一光源都不被激活；以及

第三组合，其中一个或多个所述第一光源被激活，并且一个或多个所述第二光源被激活；以及

与所述第二驱动器电路电通信的用户输入设备，所述用户输入设备用于选择可见光源的所述第一组合、第二组合或第三组合中的一个。

16.根据权利要求1所述装置，进一步包括：

所述第二驱动器电路能够操作以在至少两种不同的模式下驱动所述一个或多个可见光源，所述模式包括：

频闪模式，其中所述第二驱动电路开启和关闭所述一个或多个可见光源以产生视觉上的频闪效果；以及

手电筒模式，其中所述第二驱动器电路连续地对所述一个或多个可见光源通电以提供恒定的照射；以及

与所述第二驱动器电路电通信的用户输入设备，所述用户输入设备用于选择所述频闪模式或所述手电筒模式。

17.一种用于确定机器的旋转部件的旋转速度的装置，所述装置包括：

便携式手持外壳；

设置在所述手持外壳内的激光速度传感器，所述激光速度传感器包括：

激光器，用于产生指向到所述机器的旋转部件上的激光束；

处理器，用于基于对从所述机器的旋转部件反射的激光能量的检测来确定旋转速度值；以及

多个发光二极管(LED)，其以围绕激光器同心布置的方式设置在外壳中或外壳上，所述多个LED能够操作以产生可见光以照射机器的旋转部件，所述多个LED以与所述旋转速度值有关的频率开启和关闭，由此产生视觉上的频闪效果。

18.根据权利要求17所述的装置，还包括输出接口，用于将TTL形式的旋转速度值输出到机器振动分析仪。

19.根据权利要求17所述的装置，还包括用于输出所述旋转速度值的无线模块。

20.根据权利要求17所述的装置，进一步包括：

驱动器电路，用于接收所述旋转速度值，并基于此以与所述旋转速度值有关的频率对多个LED进行开启和关闭；

用户输入设备，所述用户输入设备设置在所述外壳中或所述外壳上，所述用户输入设备与所述驱动器电路电通信，所述用户输入设备用于调节驱动所述多个LED的调制电流的相位，其中所述相位调节允许将由用户感知的旋转部件的视觉图像向前或向后滚动，以允许用户在视觉上检查所述旋转部件的特定部分。

21.根据权利要求17所述的装置，进一步包括：

所述多个LED包括具有第一照射角度范围的一个或多个第一LED以及具有第二照射角度范围的一个或多个第二LED，其中所述第一照射角度范围小于所述第二照射角度范围；

驱动器电路，其可操作以按照多种可选组合来驱动所述多个LED，可选组合包括以下组合中的一个或多个：

第一组合，其中所有的所述第一光源被激活并且所述第二光源都不被激活；

第二组合，其中所有的所述第二光源都被激活，并且所述第一光源都不被激活；以及

第三组合，其中一个或多个所述第一光源被激活，并且一个或多个所述第二光源被激活；以及

与所述驱动器电路电通信的用户输入设备，所述用户输入设备用于选择LED的所述第一组合、第二组合或第三组合中的一个。

22.根据权利要求17所述的装置，进一步包括：

驱动器电路，所述驱动器电路能够操作以在至少两种不同的模式下驱动所述多个LED，所述模式包括：

频闪模式，其中所述第二驱动电路开启和关闭所述多个LED以产生视觉频上的闪效果；以及

手电筒模式，其中所述第二驱动器电路连续地对所述多个LED通电以提供恒定的照射；以及

与所述驱动器电路电通信的用户输入设备，所述用户输入设备用于选择所述频闪模式或所述手电筒模式。

23.一种用于确定机器的旋转部件的旋转速度的方法，所述方法包括：

(a)将来自激光器的激光束指向到所述机器的旋转部件上；

(b)用调制电流驱动所述激光器；

(c)检测从所述机器的旋转部件反射的激光能量并基于此产生检测器信号；

(d)解调所述检测器信号并基于此产生解调信号；

(e)基于所述解调信号确定旋转速度值，其中所述旋转速度值指示所述旋转部件的旋转速度；

(f)产生照射所述机器的旋转部件的可见光；以及

(g)以与所述旋转速度值相关的频率开启和关闭可见光，由此产生视觉上的频闪效果。

24.根据权利要求23所述的方法，其中步骤(e)包括：

(e1)基于所述解调信号计算自相关波形；

(e2)对所述自相关波形执行快速傅里叶变换(FFT)以生成包括具有基频的一系列谐波峰值的频谱；以及

(e3)基于所述一系列谐波峰值的基频确定旋转速度。

25.根据权利要求23所述的方法，其中步骤(e)包括取得所述解调信号的导数，由此产生脉冲波形，其中相邻脉冲之间的间隔表示所述旋转部件的旋转速度。