CN112964903A - 具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置 - Google Patents

Abstract

本测速装置包含：框架、第一超声电机、第二超声电机、光栅尺、光栅读数器、气缸配重器、多普勒激光测速仪、竖导轨、底座、纵导轨、横导轨、竖板、连接板和第三超声电机，纵导轨分别装在底座上，在纵导轨两侧对称底座上装有第一超声电机，两个第一超声电机驱动纵导轨沿着底座前后纵向移动；在顶边上装有横导轨，在横导轨两侧对称顶边上分别装有第三超声电机，两个第三超声电机驱动横导轨使其沿着顶边左右横向移动；在横导轨上固定有连接板，在连接板一端固定有平行于对称边竖板，在竖板左右对称位置上分别装有第二超声电机，在两个第二超声电机之间装有竖导轨，两个第二超声电机驱动纵导轨沿着竖板上下移动，在竖导轨下端装有多普勒激光测速仪。

Description

具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置

技术领域

本发明涉及高精度微风风速测量领域，尤其涉及三坐标精密定位控制的激光多普勒测速方法、系统及装置。

背景技术

激光多普勒测速技术作为一种基于光学多普勒效应的测量方法，通过测量流体中微小粒子的散射光来测量流体的速度。该测量方法具有高精度、高分辨率、测量信号响应速度快、灵敏度高等技术优势，且由于测量过程中与被测流体无直接接触，排除了对流体的扰动，能够完成对特殊流体(温度高、具腐蚀性或毒性气体)的速度测量。由于激光多普勒测速技术具有以上优势，被广泛应用于各种流体速度的测量中，对微风风速的测量正是其众多应用中的重要一部分。

使用传统的激光多普勒测速仪测量微风风速能够完成对空间中某一点随时间变化的速度测量，但无法实现对空间中不同位置的点进行测量，即无法完成面检测。为了对空间中不同位置的点实现激光多普勒测速操作，需要在传统的激光多普勒测速仪基础上增加三坐标精密定位装置，完成对测速仪的空间定位控制，从而达到阵列检测的目的。

由此，希望设计一种三维坐标精密可调节的激光多普勒测速装置，以适应不同位置点的速度检测。现有较常见的激光多普勒多点测速方法是通过对多普勒激光测速仪发出的激光本身进行调制，通过使用多个分光棱镜或其他调制方法完成激光出射点的位置调节。该方法首先受制于激光光强的衰减效应，在棱镜或其他种类的调制器对激光出射方向进行调节时，会降低激光的功率和光强，同时增加了光学系统的复杂度，容易引入干扰光，导致最终的测量信号强度较低、误差较大。此测量方法的测量范围还会受到出射激光角度范围的影响，光学元件的角度调整精密度不高会增加被测点精密定位的难度。另一方面，激光器与被测流体之间引入的多个光学元件占用了有限的测量空间，提高了测量系统整体的复杂性。

发明内容

本申请的发明目的在于解决目前激光多普勒测速装置的不足，而提供一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，解决了微风风速或其他流体测量中阵列检测的精密定位问题。

为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：

本发明的一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，它包含：框架、第一超声电机、第二超声电机、光栅尺、光栅读数器、气缸配重器、多普勒激光测速仪、竖导轨、底座、纵导轨、横导轨、竖板、连接板、第三超声电机和控制器，所述框架为由二个对称边和顶边组成的三边矩形，在二个对称边底部分别固定有一根与对称边垂直的纵导轨，其中：每根纵导轨分别装在一个底座上，在每根纵导轨两侧对称的底座上分别装有第一超声电机，两个第一超声电机驱动纵导轨使其沿着底座前、后纵向移动，沿着每根纵导轨纵向上贴有光栅尺，在每个底座上分别装有一个光栅读数器；在顶边上装有沿着顶边的横导轨，在横导轨两侧对称的顶边上分别装有一个第三超声电机，两个第三超声电机驱动横导轨使其沿着顶边左、右横向移动，沿着横导轨的横向上贴有光栅尺，在顶边上装有一个光栅读数器；在横导轨上固定有连接板，连接板两端跨过横导轨，在连接板一端固定有平行于对称边的竖板，在竖板的左右对称位置上分别装有一个第二超声电机，在两个第二超声电机之间装有竖导轨，两个第二超声电机驱动纵导轨沿着竖板上、下移动，在竖导轨的下端装有多普勒激光测速仪，沿着纵导轨的竖向上贴有光栅尺，在竖板上装有一个光栅读数器，在连接板另一端固定有气缸配重器；控制器分别与第一超声电机、第二超声电机、第三超声电机和各光栅读数器相连。

本发明的一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其中：所述竖导轨、纵导轨和横导轨包括：主轴和轴承套,轴承套套装在主轴外，在轴承套内有气道，从气道进入的气体使主轴漂浮在轴承套中，第一超声电机、第二超声电机和第三超声电机分别驱动主轴，轴承套分别固定在底座、顶边和竖板上，光栅尺贴在主轴上。

本发明的一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其中：与第一超声电机、第二超声电机和第三超声电机接触的主轴表面粘贴有陶瓷片，以减少上述超声电机与主轴间的表面摩擦力。

本发明的一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其中：所述连接板垂直于横导轨。

本发明的一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其中：所述多普勒激光测速仪为激光多普勒激光测速仪。

本发明的一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其中：所述光栅读数器分别读取贴在主轴上的光栅尺的读数

本发明的横导轨、纵导轨和竖导轨组成(X,Y,Z)三维坐标系统，通过使用对称的超声电机对上述导轨进行驱动，实现对导轨的运动控制；同时通过在每根导轨表面粘贴光栅尺，使用光栅读数器获取上述导轨的实时动态位置作为反馈，结合控制器形成闭环控制系统，实现对横导轨、纵导轨和竖导轨的精密定位操控。其中竖导轨对侧安装了气缸配重装置，降低导轨运动的抖动，减少定位误差。用于检测流体速度的多普勒激光测速仪安装在竖导轨的下端，通过调节多普勒激光测速仪的三维坐标值，可实现对空间不同位置被测点的速度测量。

本发明设计的优点和积极效果是：

本发明通过使用作为余气回收的气浮直线导轨即横导轨、纵导轨和竖导轨、光栅尺和控制器组成的三坐标精密定位系统，带动多普勒测速仪进行精密定位运动，解决了传统的多普勒测速仪无法对空间中不同位置的点实现阵列测量的问题；驱动部分使用的超声电机具有低速大转矩、无齿轮减速机构、可实现直接驱动、无磁极和绕组、抗电磁干扰能力较好的优势；粘贴在横导轨、纵导轨和竖导轨表面的光栅尺可对导轨运动位置进行实时动态测量，结合控制器完成闭环控制，定位精度高；使用VC++6.0编程实现运动指令的发送和接收，通过AB1A驱动器向超声电机发送运动指令，采用控制器对超声电机的运动轨迹进行整定，使其完成稳定精密定位的功能。

附图说明

图1是三坐标精密定位激光多普勒测速装置的正向示意图；

图2是图1的侧向示意图；

图3为图1的A-A处的剖面放大示意图；

图4为图3的B-B处的剖面局部示意图。

其中：在图1至图4中，标号1为框架；标号2为第一超声电机；标号3为第二超声电机；标号4为光栅读数器；标号5为气缸配重装置；标号6为多普勒测速仪；标号7为竖导轨；标号8为底座；标号9为纵导轨；标号10为横导轨；标号11为竖板；标号12为连接板；标号13为第三超声电机；标号14为控制器；标号15为对称边；标号16为顶边；标号17为轴承套；标号18为主轴；标号19为气道。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的具体实施实例；本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明的具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置包含：框架1、第一超声电机2、第二超声电机3、光栅尺、光栅读数器4、气缸配重器5、多普勒激光测速仪6、竖导轨7、底座8、纵导轨9、横导轨10、竖板11、连接板12、第三超声电机13和控制器14，所述框架1为由二个对称边15和顶边16组成的三边矩形，在二个对称边15底部分别固定有一根与对称边15垂直的纵导轨9，每根纵导轨9分别装在一个底座8上，在每根纵导轨9两侧对称的底座8上分别装有第一超声电机2，两个第一超声电机2驱动纵导轨9使其沿着底座8前、后纵向移动即：在图1中的Y轴方向移动，沿着每根纵导轨9纵向上贴有光栅尺(图中未画出)，在每个底座8上分别装有一个光栅读数器4；在顶边16上装有沿着顶边16的横导轨10，在横导轨10两侧对称的顶边16上分别装有一个第三超声电机13，两个第三超声电机13驱动横导轨10使其沿着顶边16左、右横向移动即：在图1中的X轴方向移动，沿着横导轨10横向上贴有光栅尺(图中未画出)，在顶边16上装有一个光栅读数器4；在横导轨10上固定有垂直于横导轨10的连接板12，连接板12两端跨过横导轨10，在连接板12一端固定有平行于对称边15的竖板11，在竖板11的左右对称位置上分别装有一个第二超声电机3，在两个第二超声电机3之间装有竖导轨7，两个第二超声电机3驱动纵导轨7沿着竖板11上、下移动即：在图1中的Z轴方向移动，在竖导轨7的下端装有多普勒激光测速仪6，沿着纵导轨7的竖向上贴有光栅尺(图中未画出)，在竖板11上装有一个光栅读数器4，在连接板12另一端固定有气缸配重器5；控制器14分别与第一超声电机2、第二超声电机3、第三超声电机13和各光栅读数器4相连。光栅读数器4分别读取贴在横导轨10、纵导轨9和竖导轨7的光栅尺上读数，并且将其读取的读数传送给控制器14，控制器14根据上述读数来驱动第一超声电机2、第二超声电机3和第三超声电机13，使得多普勒激光测速仪6到达指定位置。

如图3和图4所示，竖导轨7、纵导轨9和横导轨10包括：主轴18和轴承套17,轴承套17套装在主轴18外，在轴承套17内有气道19，从气道19进入的气体使主轴18漂浮在轴承套17中，第一超声电机2、第二超声电机3和第三超声电机13分别驱动主轴18，轴承套17分别固定在底座8、顶边16和竖板11上，光栅尺贴在主轴18上。与第一超声电机2、第二超声电机3和第三超声电机13接触的主轴18表面粘贴有陶瓷片，以减少上述超声电机与主轴18间的表面摩擦力(参见中国专利号200910000778.1；发明人：北京理工大学；发明名称：一种可回收废气的空气静压轴承及设计方法)。

多普勒激光测速仪6为激光多普勒激光测速仪。

本发明中实现三坐标精密定位的控制原理是：

通过精密加工余气回收的气浮直线导轨即竖导轨7、纵导轨9和横导轨10，其表面加工精度优于0.1μm，并将纵导轨9安装在大理石底座8上，搭建了可用于精密定位的三坐标位移控制系统。在上述每根导轨两侧对称安装超声电机，通过在超声电机与导轨接触面粘贴陶瓷片实现平稳驱动，利用四组电机驱动导轨实现X、Y、Z三维的运动控制。

在每根导轨表面粘贴了光栅尺，通过光栅读数器4读取光栅尺的位移获取竖导轨7、纵导轨9和横导轨10运动的实际位置，作为反馈经由控制器14实现PID闭环控制。控制器14负责发出和接受运动控制指令，控制器14分别对系统中的X、Y、Z三方向的第一超声电机2、第二超声电机3和第三超声电机13实施运动控制，各导轨的实时位置也由不同的光栅读数器4进行读取，并且反馈给控制器14，为了保证在Y方向的两个纵导轨9的运动一致，在该方向上的4个超声电机使用同步驱动信号。通过控制三个方向的三维气浮导轨即：竖导轨7、纵导轨9和横导轨10，带动激光多普勒测速仪6到达被测点位置，对空间中设定点进行流速测定。

本发明中的三维气浮导轨采用空气静压设计，具备余气回收功能，能够排除实验废气对实验环境的干扰。气浮导轨能够实现实时余气回收及平稳的运动。导轨采用高精密加工，其加工精度优于0.1μm，安装时采用准直仪及五角棱镜等装置，保证了三维气浮导轨的互相垂直，为后续的高精度定位奠定了基础。

考虑到超声电机能够负担的载荷，同时为了平衡Z方向的气浮导轨重力、减轻垂直方向气浮导轨对X、Y方向气浮导轨施加的力、消除可能由重力导致的微形变，本发明采用了气缸配重器5作为重力平衡装置。通过使用摩擦系数较低的高精密气缸结构，将气缸的活塞中心杆与气浮导轨的中心轴进行连接，再使用精密度高的压力调节阀与溢流阀等配件对气缸内部的气体压力进行调节，可使气缸压力与气浮导轨的重力接近平衡状态，从而减轻超声电机及其他方向导轨的载荷。

在运动控制部分，使用工程控制计算机上的VC++6.0编写程序结合控制器14对超声电机进行运动指令的发送。在位置反馈部分，通过控制器14读取光栅读数器4的位置值。通过对比超声电机的实际位置与目标位置，获取位移误差，形成闭环反馈系统对运动位置进行补偿，直至导轨运动到目标位置为止。在超声电机驱动过程中，使用控制器14观察运动曲线，调节参数来优化超声电机驱动过程，提高位置控制的精度。

通过使用激光干涉仪对超声电机驱动的重复定位精度进行测定，得到如表1所示结果，本发明中的超声电机正向驱动的定位精度是0.1017μm，反向驱动的定位精度是0.0995μm；正向驱动的重复定位精度是0.1121μm，反向驱动的重复定位精度是0.0816μm。

在流速测量部分，使用的激光多普勒测速仪6能够对速度小于1m/s的微风进行风速的测量，且速度测量准确度大于99.7％。通过三坐标精密定位系统的位置控制，能够带动激光多普勒测速仪6准确移动到目标位置，在不同的被测点前完成测速操作。通过对不同位置的多个点进行测量，可达到阵列检测或面检测的目的，在不降低测量精度的前提下，提高了微风风速测量的灵活性，拓展了流速检测的应用场景。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，它包含：框架(1)、第一超声电机(2)、第二超声电机(3)、光栅尺、光栅读数器(4)、气缸配重器(5)、多普勒激光测速仪(6)、竖导轨(7)、底座(8)、纵导轨(9)、横导轨(10)、竖板(11)、连接板(12)、第三超声电机(13)和控制器(14)，所述框架(1)为由二个对称边(15)和顶边(16)组成的三边矩形，在二个对称边(15)底部分别固定有一根与对称边(15)垂直的纵导轨(9)，其特征在于：每根纵导轨(9)分别装在一个底座(8)上，在每根纵导轨(9)两侧对称的底座(8)上分别装有第一超声电机(2)，两个第一超声电机(2)驱动纵导轨(9)使其沿着底座(8)前、后纵向移动，沿着每根纵导轨(9)纵向上贴有光栅尺，在每个底座(8)上分别装有一个光栅读数器(4)；在顶边(16)上装有沿着顶边(16)的横导轨(10)，在横导轨(10)两侧对称的顶边(16)上分别装有一个第三超声电机(13)，两个第三超声电机(13)驱动横导轨(10)使其沿着顶边(16)左、右横向移动，沿着横导轨(10)的横向上贴有光栅尺，在顶边(16)上装有一个光栅读数器(4)；在横导轨(10)上固定有连接板(12)，连接板(12)两端跨过横导轨(10)，在连接板(12)一端固定有平行于对称边(15)的竖板(11)，在竖板(11)的左右对称位置上分别装有一个第二超声电机(3)，在两个第二超声电机(3)之间装有竖导轨(7)，两个第二超声电机(3)驱动纵导轨(7)沿着竖板(11)上、下移动，在竖导轨(7)的下端装有多普勒激光测速仪(6)，沿着纵导轨(7)的竖向上贴有光栅尺，在竖板(11)上装有一个光栅读数器(4)，在连接板(12)另一端固定有气缸配重器(5)；控制器(14)分别与第一超声电机(2)、第二超声电机(3)、第三超声电机(13)和各光栅读数器(4)相连。

2.根据权利要求1所述的具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述竖导轨(7)、纵导轨(9)和横导轨(10)包括：主轴(18)和轴承套(17),轴承套(17)套装在主轴(18)外，在轴承套(17)内有气道(19)，从气道(19)进入的气体使主轴(18)漂浮在轴承套(17)中，第一超声电机(2)、第二超声电机(3)和第三超声电机(13)分别驱动主轴(18)，轴承套(17)分别固定在底座(8)、顶边(16)和竖板(11)上，光栅尺贴在主轴(18)上。

3.根据权利要求2所述的具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其特征在于：与第一超声电机(2)、第二超声电机(3)和第三超声电机(13)接触的主轴(18)表面粘贴有陶瓷片，以减少上述超声电机与主轴(18)间的表面摩擦力。

4.根据权利要求3所述的具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述连接板(12)垂直于横导轨(10)。

5.根据权利要求4所述的具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述多普勒激光测速仪(6)为激光多普勒激光测速仪。

6.根据权利要求5所述的具有三坐标精密定位的激光多普勒测速装置，其特征在于：所述光栅读数器(4)分别读取贴在主轴(18)上的光栅尺的读数。

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