CN114324963A - 基于激光多普勒测速的转速测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于激光多普勒测速的转速测量系统，包括光束产生单元、第一探测单元、第二探测单元以及信号处理单元。光束产生单元用于产生两束波长已知且相互平行的光束。基于光束产生单元产生的两束光束，利用激光多普勒测速技术，设计第一探测单元、第二探测单元的探测光路。基于第一探测单元中第一光电探测器和第二探测单元中第二光电探测器输出信号的多普勒频移，结合第一光束和第二光束的波长及平行间距，实现转速测量。本发明无需在转轴上安装齿状结构或粘贴靶标，也无需测量转轴切向与激光光束之间的夹角及转轴半径，通用性更好且使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及转速测量技术领域，尤其是一种基于激光多普勒测速的转速测量系统。
背景技术
旋转机械在能源、化工、电力、冶金等行业中均得到了广泛的应用，例如水电行业中的发电机组、核电行业中的反应堆冷却剂泵、交通运输行业中的涡轮增压器、油田开发行业中的潜油电索机组等。转速是反映旋转机械运行状况的重要参数，转速的实时准确测量对保证旋转机械的正常运行具有重要的意义。
现有的转速测量装置可分为直接测量装置和间接测量装置。转速直接测量装置是利用旋转机械转轴产生的周期性信号直接测量转轴转速，常用的装置有光电传感器、磁阻式传感器等。这些装置主要有以下两个缺点：(1)装置的正常运行往往需要在转轴上安装齿状结构或粘贴靶标，这既改变了转轴原有的工作状态，也给使用带来不便；(2)严格意义上，这些装置测量的是转轴一段时间的平均转速，测量精度的提高往往需要更长的测量时间，测量精度和实时性不可兼得。
转速间接测量装置是测量转轴转动的线速度进而得到转轴转速，常用的装置为激光多普勒测速仪，其主要缺点为：激光多普勒测速仪实际测量的是转轴转动线速度的分量，为了得到转轴转速，需要确切知道转轴切向与激光光束之间的夹角及转轴半径，而在实际应用中这两个参量均难以精确测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光多普勒测速的转速测量系统，以解决上述背景技术中所述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于激光多普勒测速的转速测量系统，包括：
光束产生单元，用于产生两束波长已知且相互平行的光束，分别为第一光束和第二光束；
第一探测单元，包括第一分光棱镜、第一衰减片、第一平面反射镜、第一光电探测器以及待测转轴，第一分光棱镜将第一光束分为垂直于第一光束的第三光束和平行于第一光束的第四光束，第三光束的传输光路上依次设置有第一衰减片和第一平面反射镜，第三光束经第一衰减片衰减后垂直入射第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后沿原路经第一衰减片衰减及第一分光棱镜透射，形成第五光束，第四光束入射到待测转轴表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第一分光棱镜反射，形成第六光束，第五光束与第六光束发生干涉，并由第一光电探测器探测采集；
第二探测单元，包括第二分光棱镜、第二衰减片、第二平面反射镜、第二光电探测器以及待测转轴，第二分光棱镜将第二光束分为垂直于第二光束的第七光束和平行于第二光束的第八光束，第七光束的传输光路上依次设置有第二衰减片和第二平面反射镜，第七光束经第二衰减片衰减后垂直入射第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射后沿原路经第二衰减片衰减及第二分光棱镜透射，形成第九光束，第八光束入射到待测转轴表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第二分光棱镜反射，形成第十光束，第九光束与第十光束发生干涉，并由第二光电探测器探测采集；
信号处理单元，接收第一光电探测器、第二光电探测器输出信号，分别检测第一光电探测器、第二光电探测器输出信号的多普勒频移，结合第一光束和第二光束的波长及平行间距，测得转轴转速。
本发明中光束产生单元的实现形式不限，不限激光器类型、不限光路结构，能够输出两束波长已知且相互平行的光束即可。
进一步地，为了确保测量效果，要求入射到待测转轴表面的第四光束和第八光束组成的平面垂直于待测转轴的轴心，且入射点不能横跨于轴心两侧。
本发明中，转轴转速ω为：
式中，d为第一光束与第二光束之间的平行间距，λ1为第一光束的波长，λ2为第二光束的波长，Δf1为第一光电探测器输出信号的多普勒频移，Δf2为第二光电探测器输出信号的多普勒频移。
通过上述技术方案，本发明能够达到的有益技术效果是：
本发明基于激光多普勒测速技术，通过创新的光路系统设计实现转速测量。相对于现有技术，本发明提出的转速测量系统，其动态响应速度仅与信号处理单元的性能相关，如采用高性能的信号处理器，能够实现实时准确地转轴转速测量，且无需在转轴上安装齿状结构或粘贴靶标，也无需测量转轴切向与激光光束之间的夹角及转轴半径，通用性更好且使用方便。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的结构示意图
图中标号：
0-光束产生单元；1-双纵模激光器；2-沃拉斯顿棱镜；3-第三平面反射镜；4-第四平面反射镜；5-第五平面反射镜；6-第六平面反射镜；7-第一平面反射镜；8-第一衰减片；9-第一分光棱镜；10-第一光电探测器；11-第二平面反射镜；12-第二衰减片；13-第二分光棱镜；14-第二光电探测器；15-待测转轴；16-信号处理单元。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中涉及的“第一”、“第二”等描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1，本发明一实施例提供一种基于激光多普勒测速的转速测量系统，包括：
光束产生单元0，用于产生两束波长已知且相互平行的光束，分别为第一光束和第二光束，其中第一光束的波长为λ1，第二光束的波长为λ2，第一光束与第二光束之间的平行间距为d。本发明中光束产生单元的实现形式不限，不限激光器类型、不限光路结构，能够输出两束波长已知且相互平行的光束即可。
第一探测单元，包括第一分光棱镜9、第一衰减片8、第一平面反射镜7、第一光电探测器10以及待测转轴15，第一分光棱镜9将第一光束分为垂直于第一光束的第三光束和平行于第一光束的第四光束，第三光束的传输光路上依次设置有第一衰减片8和第一平面反射镜7，第三光束经第一衰减片8衰减后垂直入射第一平面反射镜7，经第一平面反射镜7反射后沿原路经第一衰减片8衰减及第一分光棱镜9透射，形成第五光束，第四光束入射到待测转轴15的表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第一分光棱镜9反射，形成第六光束，第五光束与第六光束发生干涉，并由第一光电探测器10探测采集。
第二探测单元，包括第二分光棱镜13、第二衰减片12、第二平面反射镜11、第二光电探测器14以及待测转轴15，第二分光棱13镜将第二光束分为垂直于第二光束的第七光束和平行于第二光束的第八光束，第七光束的传输光路上依次设置有第二衰减片12和第二平面反射镜11，第七光束经第二衰减片12衰减后垂直入射第二平面反射镜11，经第二平面反射镜11反射后沿原路经第二衰减片12衰减及第二分光棱镜13透射，形成第九光束，第八光束入射到待测转轴15的表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第二分光棱镜13反射，形成第十光束，第九光束与第十光束发生干涉，并由第二光电探测器14探测采集。
信号处理单元16，接收第一光电探测器10、第二光电探测器14输出信号，分别检测第一光电探测器10、第二光电探测器14输出信号的多普勒频移，结合第一光束和第二光束的波长及平行间距，测得转轴转速。
转轴转速ω为：
式中，d为第一光束与第二光束之间的平行间距，λ1为第一光束的波长，λ2为第二光束的波长，Δf1为第一光电探测器输出信号的多普勒频移，Δf2为第二光电探测器输出信号的多普勒频移。
图1所示实施例中，入射到待测转轴表面的第四光束和第八光束组成的平面垂直于待测转轴的轴心，且入射点不能横跨于轴心两侧。
图1所示实施例中的光束产生单元、第一探测单元和第二探测单元构成了基于激光多普勒测速的转速测量探头。
参照图2，本发明另一实施例中，提供一种基于激光多普勒测速的转速测量探头，包括光束产生单元、第一探测单元和第二探测单元。
光束产生单元，用于产生两束波长已知且相互平行的光束，分别为第一光束和第二光束。光束产生单元0包括双纵模激光器1、沃拉斯顿棱镜2和由多个平面反射镜组成的反射镜组，双纵模激光器1输出偏振方向相互垂直的双纵模激光束，双纵模激光束经沃拉斯顿棱镜2分束为波长不同偏振方向相互垂直的两路光束。两路波长不同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束，其中第一光束的波长为λ1，第二光束的波长为λ2。
第一探测单元，包括第一分光棱镜9、第一衰减片8、第一平面反射镜7、第一光电探测器10以及待测转轴15，第一分光棱镜9将第一光束分为垂直于第一光束的第三光束和平行于第一光束的第四光束，第三光束的传输光路上依次设置有第一衰减片8和第一平面反射镜7，第三光束经第一衰减片8衰减后垂直入射第一平面反射镜7，经第一平面反射镜7反射后沿原路经第一衰减片8衰减及第一分光棱镜9透射，形成第五光束，第四光束入射到待测转轴15的表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第一分光棱镜9反射，形成第六光束，第五光束与第六光束发生干涉，并由第一光电探测器10探测采集。
第二探测单元，包括第二分光棱镜13、第二衰减片12、第二平面反射镜11、第二光电探测器14以及待测转轴15，第二分光棱13镜将第二光束分为垂直于第二光束的第七光束和平行于第二光束的第八光束，第七光束的传输光路上依次设置有第二衰减片12和第二平面反射镜11，第七光束经第二衰减片12衰减后垂直入射第二平面反射镜11，经第二平面反射镜11反射后沿原路经第二衰减片12衰减及第二分光棱镜13透射，形成第九光束，第八光束入射到待测转轴15的表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第二分光棱镜13反射，形成第十光束，第九光束与第十光束发生干涉，并由第二光电探测器14探测采集。
图2所示实施例中的双纵模激光器1的输出光束经沃拉斯顿棱镜2得到两束波长已知的光束。可以理解，本领域技术人员也可以运用现有技术中的其他方式得到两束波长已知的光束，包括但不限于由双色激光器和色散棱镜得到两束波长不同的光束，也可由单模激光器和分光棱镜得到两束波长相同的光束。
本发明一实施例中的光束产生单元包括双色激光器、色散棱镜以及反射镜组，双色激光器输出的光束经色散棱镜后得到两束波长不同的光束，两束波长不同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
本发明另一实施例中的光束产生单元包括单模激光器、分光棱镜以及反射镜组，单模激光器输出的光束经分光棱镜后得到两束波长相同的光束，两束波长相同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
图2所示实施例中，反射镜组包括第三平面反射镜3、第四平面反射镜4、第五平面反射镜5和第六平面反射镜6。其中第一光束经第三平面反射镜3、第四平面反射镜4反射，第二光束经第五平面反射镜5和第六平面反射镜6反射。第三平面反射镜3、第四平面反射镜4、第五平面反射镜5和第六平面反射镜6是为了将第一光束和第二光束调整为平行。本领域技术人员可以理解，可根据需要增减反射镜组中平面反射镜的数目，能够将第一光束和第二光束调整为平行即可。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于激光多普勒测速的转速测量系统，其特征在于，包括：
光束产生单元，用于产生两束波长已知且相互平行的光束，分别为第一光束和第二光束；
第一探测单元，包括第一分光棱镜、第一衰减片、第一平面反射镜、第一光电探测器以及待测转轴，第一分光棱镜将第一光束分为垂直于第一光束的第三光束和平行于第一光束的第四光束，第三光束的传输光路上依次设置有第一衰减片和第一平面反射镜，第三光束经第一衰减片衰减后垂直入射第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后沿原路经第一衰减片衰减及第一分光棱镜透射，形成第五光束，第四光束入射到待测转轴表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第一分光棱镜反射，形成第六光束，第五光束与第六光束发生干涉，并由第一光电探测器探测采集；
第二探测单元，包括第二分光棱镜、第二衰减片、第二平面反射镜、第二光电探测器以及待测转轴，第二分光棱镜将第二光束分为垂直于第二光束的第七光束和平行于第二光束的第八光束，第七光束的传输光路上依次设置有第二衰减片和第二平面反射镜，第七光束经第二衰减片衰减后垂直入射第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射后沿原路经第二衰减片衰减及第二分光棱镜透射，形成第九光束，第八光束入射到待测转轴表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第二分光棱镜反射，形成第十光束，第九光束与第十光束发生干涉，并由第二光电探测器探测采集；
信号处理单元，接收第一光电探测器、第二光电探测器输出信号，分别检测第一光电探测器、第二光电探测器输出信号的多普勒频移，结合第一光束和第二光束的波长及平行间距，测得转轴转速。
2.根据权利要求1所述的基于激光多普勒测速的转速测量系统，其特征在于，光束产生单元包括双纵模激光器、沃拉斯顿棱镜以及反射镜组，双纵模激光器输出的光束经沃拉斯顿棱镜后得到两束波长不同的光束，两束波长不同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
3.根据权利要求1所述的基于激光多普勒测速的转速测量系统，其特征在于，光束产生单元包括双色激光器、色散棱镜以及反射镜组，双色激光器输出的光束经色散棱镜后得到两束波长不同的光束，两束波长不同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
4.根据权利要求1所述的基于激光多普勒测速的转速测量系统，其特征在于，光束产生单元包括单模激光器、分光棱镜以及反射镜组，单模激光器输出的光束经分光棱镜后得到两束波长相同的光束，两束波长相同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
5.根据权利要求2、3或4所述的基于激光多普勒测速的转速测量系统，其特征在于，反射镜组由多个平面反射镜组成，通过多个平面反射镜的组合将两束波长已知的光束调整为相互平行的第一光束和第二光束。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于激光多普勒测速的转速测量系统，其特征在于，转轴转速ω为：
式中，d为第一光束与第二光束之间的平行间距，λ1为第一光束的波长，λ2为第二光束的波长，Δf1为第一光电探测器输出信号的多普勒频移，Δf2为第二光电探测器输出信号的多普勒频移。
7.基于激光多普勒测速的转速测量探头，其特征在于，包括：
光束产生单元，用于产生两束波长已知且相互平行的光束，分别为第一光束和第二光束；
第一探测单元，包括第一分光棱镜、第一衰减片、第一平面反射镜、第一光电探测器以及待测转轴，第一分光棱镜将第一光束分为垂直于第一光束的第三光束和平行于第一光束的第四光束，第三光束的传输光路上依次设置有第一衰减片和第一平面反射镜，第三光束经第一衰减片衰减后垂直入射第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后沿原路经第一衰减片衰减及第一分光棱镜透射，形成第五光束，第四光束入射到待测转轴表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第一分光棱镜反射，形成第六光束，第五光束与第六光束发生干涉，并由第一光电探测器探测采集；
第二探测单元，包括第二分光棱镜、第二衰减片、第二平面反射镜、第二光电探测器以及待测转轴，第二分光棱镜将第二光束分为垂直于第二光束的第七光束和平行于第二光束的第八光束，第七光束的传输光路上依次设置有第二衰减片和第二平面反射镜，第七光束经第二衰减片衰减后垂直入射第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射后沿原路经第二衰减片衰减及第二分光棱镜透射，形成第九光束，第八光束入射到待测转轴表面，携带运动信息的部分散射光沿原路返回并经第二分光棱镜反射，形成第十光束，第九光束与第十光束发生干涉，并由第二光电探测器探测采集。
8.根据权利要求7所述的基于激光多普勒测速的转速测量探头，其特征在于，光束产生单元包括双纵模激光器、沃拉斯顿棱镜以及反射镜组，双纵模激光器输出的光束经沃拉斯顿棱镜后得到两束波长不同的光束，两束波长不同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
9.根据权利要求7所述的基于激光多普勒测速的转速测量探头，其特征在于，光束产生单元包括双色激光器、色散棱镜以及反射镜组，双色激光器输出的光束经色散棱镜后得到两束波长不同的光束，两束波长不同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
10.根据权利要求7所述的基于激光多普勒测速的转速测量探头，其特征在于，光束产生单元包括单模激光器、分光棱镜以及反射镜组，单模激光器输出的光束经分光棱镜后得到两束波长相同的光束，两束波长相同的光束经反射镜组调整为相互平行的第一光束和第二光束。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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