CN109520609A - 一种高速转子振动状态的测量装置 - Google Patents

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杨磊
王超
朱骞
谢洪波
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
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Abstract

本发明公开了一种高速转子振动状态的测量装置，包括：脉冲激光光源、时间色散模块、空间色散模块、探测和信息处理模块。该装置利用光学时域延展技术，通过色散补偿光纤和衍射光栅，分别进行频率‑时间转换和时间‑空间转换，将宽带光脉冲的波长信息映射为时域信息和空间信息；携带转子振动信息的光脉冲，被高速光电二极管探测，经过宽带宽模拟示波器采集数据，以及计算机进行图像处理和显示，可对高速转子的振动状态进行实时监测，监测频率远高于常规方法；该装置可以快速、实时和非接触监测高速运行转子的振动信息。

Description

一种高速转子振动状态的测量装置
技术领域
本发明属于光学时域延展成像领域，具体涉及一种高速转子振动状态的测量装置。
背景技术
转子作为机械设备中的基本部件，在现代工业中起着重要作用。然而，在长时间的运行中，转子极有可能出现各种技术故障。实时和非接触监测转子的振动状态，对设备的故障诊断和预测具有重要意义。常规方法是利用振动传感器进行监测，但测量频率往往较低，无法获得高速转子实时的振动信息。因此，需要一种新的装置来实时监测高速转子的实时运行情况，并在早期发出警告，以避免故障风险。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高速转子振动状态的测量装置，该装置可以快速、实时和非接触监测高速运行转子的振动信息。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高速转子振动状态的测量装置，包括：脉冲激光光源、时间色散模块、空间色散模块、探测和信息处理模块。该装置利用光学时域延展技术，通过色散补偿光纤和衍射光栅，分别进行频率-时间转换和时间-空间转换，将宽带光脉冲的波长信息映射为时域信息和空间信息；携带转子振动信息的光脉冲，被高速光电二极管探测，经过宽带宽模拟示波器采集数据，以及计算机进行图像处理和显示，可对高速转子的振动状态进行实时监测，监测频率远高于常规方法；
脉冲激光光源是一种超短锁模飞秒光纤脉冲激光器，能够发出超短飞秒光脉冲；
时间色散模块由两根大色散系数的色散补偿光纤组成，色散补偿光纤与激光器通过光纤法兰盘连接，超短光脉冲在色散补偿光纤内进行色散延展，拉伸脉冲的时域宽度；
空间色散模块由扩束系统、衍射光栅和聚焦透镜组成，扩束系统由两块透镜构成，将光脉冲的束腰半径放大3倍，衍射光栅对脉冲进行空间色散，实现脉冲波长信息与空间位置信息的一一对应，通过聚焦透镜将衍射色散分光后的脉冲聚焦到转子上；
时间色散模块和空间色散模块之间设有光环形器和光纤准直器，光环形器的作用为使正反向传输的光进行分离，激光脉冲经光纤准直器后为准直平行光出射；
进一步的，色散补偿光纤、光环形器和光纤准直器之间通过光纤耦合器连接；
进一步的，反射镜可以反射携带转子振动信息的光，使其沿原光路返回；
进一步的，探测和信息处理模块，包括彼此通过电连接的超快光电二极管、宽带宽模拟示波器和计算机，用于探测、处理和显示携带转子振动信息的光脉冲；其中光电二极管与光环形器连接。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明采用高重复频率的超短激光脉冲，利用光学时域延展成像技术，对高速转子的振动信息进行探测、处理和显示，很大程度上提高了监测的速率，用光电二极管代替传统的CCD/CMOS探测器，可实现对高速转子振动信息的实时监测。
附图说明
图1是本发明的原理及结构示意图。
附图标记：1-脉冲激光器，2-色散补偿光纤，3-光环形器，4-光纤准直器，5-第一透镜，6-第二透镜，7-衍射光栅，8-第三透镜，9-转子，10-反射镜，11-光电二极管，12-模拟示波器，13-计算机
具体实施方式
以下通过具体实例说明本发明的实施方式，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种高速转子振动状态的测量装置，包括：脉冲激光光源、时间色散模块、空间色散模块、探测和信息处理模块。
其中激光脉冲光源，是一种超短锁模飞秒光纤脉冲激光器1，中心波长为1550nm，可产生脉宽为800fs、重复频率为50MHz的超短激光脉冲。
时间色散模块由两根具有大色散系数的色散补偿光纤2组成，色散系数为2ns/nm/km，色散补偿光纤2与脉冲激光器1通过光纤法兰盘连接器连接，激光脉冲在色散补偿光纤2内进行色散延展，拉伸脉冲的时域宽度，使得光学时域信息可以被光电二极管11完整的探测和采集。
空间色散模块，包括扩束系统、衍射光栅7和用于聚焦的第三透镜8；扩束系统由第一透镜5和第二透镜6构成，第一透镜5的中心和第二透镜6的中心共轴，且焦距分别为30mm和100mm，激光光斑经扩束系统后放大3倍，衍射光栅7对脉冲进行空间色散，实现脉冲波长信息与空间位置信息的一一对应，通过第三透镜8将空间光脉冲聚焦到转子上，使光脉冲中不同波长的分量照射在转子9的不同位置上，以便对转子9的振动信息进行采集，衍射光栅7的光栅常数为1/600毫米，第三透镜8的焦距为250mm。转子9位于第三透镜8的焦平面上。
时间色散模块和空间色散模块中间设有光环形器3和光纤准直器4，光环形器3的作用为使正反向传输的光进行分离，将反射回的光传输到信息处理模块，激光脉冲经光纤准直器4后为准直平行光出射。
具体的，色散补偿光纤2、光环形器3和光纤准直器4之间通过光纤耦合器连接。
具体的，反射镜10具有较高的反射率，反射率为99％，其作用是反射携带转子9速度和振动信息的光，使其沿原路返回。携带有转子9振动信息的光脉冲被反射镜10反射后，沿原路返回，被同一光纤准直器4采集，再经光环形器3后进入探测和信息处理模块。
具体的，探测和信息处理模块，包括光电二极管11、模拟示波器12和计算机13，用以接收、处理携带转子9振动信息的光脉冲，光电二极管11、模拟示波器12和计算机13之间为电连接，使用光电二极管11代替传统的CCD/CMOS探测器，可实现对高速转子9的实时采集和成像。
基于上述实施例的技术方案，本发明装置采用高重复频率的超快激光脉冲，对高速转子的振动信息进行采集，大大提高了监测速率，用光电二极管代替传统的CCD/CMOS探测器，可实现对高速转子振动信息的实时采集和监测。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高速转子振动状态的测量装置，其特征在于，包括依次设置的脉冲激光器(1)、色散补偿光纤(2)、光环形器(3)、光纤准直器(4)、扩束系统、衍射光栅(7)、第三透镜(8)、转子(9)和反射镜(10)，所述光环形器(3)的一侧还依次通过电连接有光电二极管(11)、模拟示波器(12)和计算机(13)；
所述脉冲激光器(1)与色散补偿光纤(2)通过光纤法兰盘连接器连接；
所述色散补偿光纤(2)、光环形器(3)和光纤准直器(4)之间通过光纤耦合器连接；
所述转子(9)位于第三透镜(8)的焦平面上。
2.根据权利要求1所述一种高速转子振动状态的测量装置，其特征在于，所述的脉冲激光器(1)是一种超短锁模飞秒光纤激光器。
3.根据权利要求1所述一种高速转子振动状态的测量装置，其特征在于，所述扩束系统由第一透镜(5)和第二透镜(6)组成，第一透镜(5)的中心和第二透镜(6)的中心共轴。
4.根据权利要求1所述一种高速转子振动状态的测量装置，其特征在于，脉冲激光器(1)发出的光依次经时间色散、准直、扩束、空间色散后，经第三透镜(8)聚焦至转子(9)上，携带转子(9)振动信息的光脉冲经反射镜(10)反射后沿原路返回，经光环形器(3)后被光电二极管(11)、模拟示波器(12)、计算机(13)采集、处理和显示。
5.根据权利要求1所述一种高速转子振动状态的测量装置，其特征在于，所述色散补偿光纤(2)设置有两根。
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