DK160592B - Fremgangsmaade og apparat til maaling af vinkelhastighedsforskel mellem to roterende maaleobjekter - Google Patents

Description

DK 160592 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til måling af vinkelhastighedsforskel mellem to måleobjekter, som udfører en roterende bevægelse ved hjælp af kohærent elektromagnetisk stråling.

5 Fra EP-patentskrift nr. 0103422 og en artikel af T. Watanabe m.fl. "Optical Heterodyne Method For Measuring Rotational Velocity" publiceret i Optics Communications, Vol. 43, nr. 3, 1. oktober 1982 er det kendt at måle vinkelhastigheden for et roterende legeme f.

10 eks. til brug ved bestemmelse af torsionssvingninger i roterende maskindele, ved en optisk heterodynmåling, hvor to parallelle bundter af kohærent stråling rettes mod overfladen af det roterende legeme og de tilbagesendte spredningsstrålinger fra indfaldspunkterne ud-15 sættes for heterodyn frekvensblanding, hvorved modulationsfrekvensen bestemmes som udtryk for rotationshastigheden.

Den foreliggende opfindelse tager sigte på at anvise en videreudvikling af dette kendte måleprincip 20 til brug ved bestemmelse af forskellen mellem to roterende måleobjekter vinkelhastigheder, hvadenten de to måleobjekter er separate fysiske genstande som f. eks. en remskive og en transmissionsrem, eller udgøres af aksialt forskudte sektioner eller dele af et og samme 25 roterende legeme, f. eks. en aksel.

Som væsentlige men ikke-begrænsende eksempler på opfindelsens industrielle anvendelse kan således navnlig nævnes en nøjagtig måling af slip i en remtransmission, hvorved opfindelsen imødekommer et stort praktisk 30 behov, samt bestemmelse af torsionssvingninger i roterende aksler.

Med udgangspunkt i det ovenfor beskrevne kendte måleprincip er fremgangsmåden ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at vinkelhastighederne for de to måleob-35 jekter bestemmes ved laser-doppler måling i to separate balancerede målekanaler, i hver af hvilke to rumligt 2

DK 160592 B

adskilte laserstrålebundter hidrørende fra samme strålingskilde udsendes i i det væsentlige parallelle senderetninger mod to i det væsentlige i samme radialplan liggende indfaldspunkter på det respektive måleobjekt, 5 og at der efter detektering af de fra indfaldspunkterne i det væsentlige parallelle modtageretninger tilbagesendte spredningsstrålinger i hver kanal frembringes et Doppler-målesignal som udtryk for forskellen mellem Doppler-frekvenserne for de to spredningsstrålinger, 10 idet der i den ene kanal foretages en forskydning af Doppler-frekvensen for den ene spredningsstråling, hvorefter signalerne fra de to kanaler blandes og stødfrekvensen i det resulterende signal separeres som udtryk for vinkelhastighedsforskellen.

15 I hver af de to målekanaler foretages laser- doppler-målingen efter i det væsentlige samme princip som ved ovennævnte kendte målemetode. Gennem forskydningen af Doppler-frekvensen for det ene strålebundt i kun den ene kanal indføres en bærefrekvens, som mulig-20 gør heterodynblanding af Doppler-målesignalerne fra de to kanaler, hvorved stødfrekvensen kan frasepareres som direkte udtryk for vinkelhastighedsforskellen.

Med henblik på udnyttelse af fremgangsmåden til bestemmelse af vinkelhastighedsforskel mellem to sepa-25 rate fysiske objekter med stærkt forskellig reflek-tionsevne har det vist sig hensigtsmæssigt at foretage en rumlig separering af modtageretningen og senderetningen for hvert strålebundt i hver kanal f. eks. ved at senderetningen og modtageretningen krydser hinanden 30 under en lille vinkel ved måleobjektets overflade.

Til brug ved udøvelse af fremgangsmåden angår opfindelsen tillige et apparat til måling af vinkelhastighedsforskel mellem to måleobjekter som udfører en roterende bevægelse ved hjælp af kohærent elektromagne-35 tisk stråling, hvilket apparat er ejendommeligt ved, at det omfatter to separate balancerede laser-Doppler må- 3

DK 160592 B

lekanaler for hver sit af de to måleobjekter, hvilke kanaler hver omfatter bundtdele- og fokuseringsorganer til udsendelse af to rumligt adskilte laserstrålebundter hidrørende fra samme strålingskilde i det væsentli-5 ge parallelle senderetninger mod to i det væsentlige samme radialplan liggende indfaldspunkter på det pågældende måleobjekt samt midler til detektering af de fra indfaldspunkterne i i det væsentlige parallelle modtageretninger tilbagesendte spredningsstrålinger midler 10 til bestemmelse af Doppler-frekvensforskydningen for hver af disse spredningsstrålinger og midler til frembringelse af et Doppler-målesignal som udtryk for forskellen mellem Doppler-frekvensforskydningerne for de to spredningsstrålinger, hvorhos der i den ene kanal 15 findes midler til forskydning af Doppler-frekvensen for den ene spredningsstråling og signaludgangene fra de to kanaler er forbundet til en subtraktiv frekvensblander med et efterfølgende separeringsorgan for den ved blandingen frembragte stødfrekvens som udtryk for vinkelha-20 stighedsforskellen mellem de to måleobjekter.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 og 2 illustrerer de geometriske forhold ved måling af slip i en remtransmission, 25 fig. 3 i hovedtræk viser et eksempel på den op tiske konfiguration af et apparat ifølge opfindelsen, fig. 4 et eksempel på behandlingen af Doppler-signalerne i de to målekanaler, fig. 5 en udførelsesform for en i den ene måle-30 kanal virksom frekvensforskydningsindretning, og fig. 6 og 7 udførelsesformer for den optiske konfiguration i en målekanal til frembringelse af to parallelle strålebundter og til rumlig separering af sende- og modtageretningerne.

35 Som eksempel på en praktisk industriel anvendel se af fremgangsmåden af apparatet ifølge opfindelsen er 4

DK 160592 B

i fig. 1 og 2 vist en del af en remtransmission med en remskive 1 og en kilerem 2.

Undser belastning kan der i en sådan transmission optræde slip mellem remskiven 1 og remmen 2 så- 5 vel ved den effektafgivende remskive som den eller de effektforbrugende remskiver. I en given situation vil slippet i hovedsagen afhænge af faktorer som overfladebeskaffenhed, elasticitet og andre materialeegenskaber hos remmen 2.

10 Det skal imidlertid bemærkes, at den illustrere de slipmåling kun er et eksempel på et område, hvor der foreligger behov for bestemmelse af små forskelle i rotations- eller vinkelhastihed.

Remskiven 1 antages at rotere med en tidsafhæn- 15 gig vinkelhastig Ω-j^t) og at være udsat for ligeledes tidsafhængige vibrationspåvirkninger V|-rans(t). Slippet kan beskrives som den relative hastighed mellem remskiven 1 og remmen 2, i deres kontaktflade, men da kontaktfladen normalt ikke vil være tilgængelig, kan slip-20 pet i praksis måles som forskellen i vinkelhastighed mellem remskiven 1 og remskiven 2, dvs. s = (Ω2-Ω1)/Ωχ

Indføres vT1 og vT2 som udtryk for de tangentia-le hastigheder ved ydersiden af henholdsvis remskiven 25 l og remmen 2, R-^ som udtryk for remskivens radius og AR som udtryk for forskellen mellem remmen 2 og remskiven 1 fås Ω2 = Vij^/(Κχ H* AR) Ωχ = vT1/Rx 30 Ud fra disse definitioner kan hovedproblemerne ved slipmålingen opstilles som følger:

Ekcentricitet af remskiven 1 medfører, at radius Rx bliver tidsafhængig og vil ofte foreligge ved den for optisk måling tilgængelige kantdel af remskiven 35 l's yderside, for hvilken der ofte ikke stilles særlige tolerancekrav ved fremstillingen.

5

DK 160592 B

Den hastighed som faktisk kan måles i et givet punkt på overfladen er vektorsummen af den tangentiale hastighed v^ og den translatoriske hastighed v.j.rans, hvoraf sidstnævnte som følge af vibrationer ofte vil 5 være betydeligt større end hastighedsforskellen mellem remskiven 1 og remmen 2.

Variationer i remtykkelsen vil føre til belastningsafhængige variationer i radiusforskellen AR.

Da det måleteknisk interessante område er slip-10 værdier omkring 1%, således at der skal måles en lille forskel mellem store nummeriske størrelser, må der stilles store krav til nøjagtigheden.

Da der til en fleksbel transmi s s ions rem sædvanligvis ikke vil kunne fastgøres nogen målesensor eller 15 detektor, vil optiske målemetoder i sig selv forekomme ideelle forsåvidt de kan tilpasses objekternes reflek-tionsevne. Da en transmiss ions rem ofte har sort overflade, vil der hertil kræves en betydelig lasereffekt.

Navnlig vibrationsproblemet fører til, at en 20 konventionel lase-Doppler måling med hinanden krydsende strålebundeter vil vise sig mindre egnet i praksis, fordi fokuseringsdybden er for ringe.

Den indledningsvis beskrevne kendte målemetode udmærker sig ved netop at undgå denne ulempe og elime-25 nerer herved i forbindelse med ren vinkelhastighedsmåling de problemer, der skyldes excentricitet og vibrationer.

I det stærkt skematiske diagram i fig. 3 er de to måleobjekter som f. eks. em remskive og en transmis-30 sionsrem vist som to separate roterende legemer 3 og 4. Fra en fælles strålingskilde i form af en laser 5 sendes et strålebundt mod en variabel bundtdeler 6, med hvilken lasereffekten fordeles på to målekaner 7 og 8, i hver af hvilke, der, som forklaret i det føl-35 gende, frembringes to rumligt adskilte, i det væsentlige parallelle strålebundter henholdsvis 9, 10 og 11, 6

DK 160592 B

12, som parvis rettes mod to i samme radialplan liggende målepunkter henholdsvis 13, 14 og 15, 16 på overfladen af hver sit af de to roterende legemer 3 og 4.

5 De tilbagesendte spredningsstrålinger fra lege merne 3 og 4 føres via bundtdelere 17 og 18 i kanalerne 7 og 8 til fotodetektorer 19 og 20.

I den ene af målekanalerne indgår i det viste eksempel en optisk frekvensforskydningsindretning 21, 10 som frekvensforskyder det ene af de udsendte strålebundter i den pågældende kanal og derved indfører en bærefrekvens i Doppler-signalet i denne kanal.

I principdiagrammet i fig. 4, hvor rotationshastighederne for legemerne 3 og 4 er angivet ved Q3 og 15 Q4 er den i kanalen 7 indførte frekvensforskydning betegnet med fs, hvorved der som Doppler-målesignaler fra fotodektorerne 19 og 20 fås henholdsvis f^+fø og fD4. Disse signaler føres til en subtraktiv frekvensblander 22 af den dobbeltbalancerede type, som herved 20 afgiver udgangssignalet fD3"^D4+f0/ hvorfra vinkelhastighedsforskellen ίΐ)3-%4 uden videre kan frasepareres i den efterfølgende Doppler-processor 23.

Pig. 5 viser et eksempel på optisk frembringelse af den i målekanalen 7 virksomme frekvensforskydning.

25 Den kohærente stråling fra strålingskilden 5, der til opnåelse af en tilstrækkelig effekt fortrinsvis er en Ar-laser føres i den variable bundtdeleindretning 6 gennem en λ/4-plade 24 til en bundtdeler 25, som fordeler lasereffekten mellem målekanalerne 7 og 8. I 30 det beskrevne praktiske tilfælde vedrørende slipmåling for en remtransmission foretages den af λ/4-pladen 24 og bundtdeleren 25 frembragte variable bundtdeling med fordel således, at størstedelen af effekten dirigeres til den målekanal 8, som er knyttet til transmis-35 sionsremmen 2, der har den ringeste reflektionsevne.

I den anden kanal 7 føres delstrålebundtet fra bundtdeleren 25 gennem en λ/2-plade 26 til en polari- 7

DK 160592 B

serende bundtdeler 27, hvorfra to strålebundter med i forhold til hinanden orthogonale polarisationsretninger føres henholdsvis gennem en Bragg-celle 28 og en kvarts-kompensatorstang 29. Med Bragg-cellen 28 til-5 føres det pågældende strålebundt en frekvensforskyd-ningpå f. eks. 40 MHz. De orthogonalt polariserede strålebundter fra Bragg-cellen 28 og kvarts-kompensa-torstangen 29 føres igen sammen i en bundtdeler 30 og derfra til målekanalen 7.

10 I den ikke-frekvensforskudte målekanal 8 deles lasereffekten som vist i fig. 6 i en λ/2 plade 31 i to strålebundter med indbyrdes orthogonale polarisationsretninger, f. eks. 45° i forhold til tegningens plan. I et Wollaston-prisme 32 af bøj es de to stråle-15 bundter under en indbyrdes vinkel på f. eks. 2®. Wollaston prismet 32 befinder sig i brændplanet for en kombination af en bundtekspander 33 og en frontlinse 34, hvorfra de to parallelle, indbyrdes orthogonalt polariserede strålebundter 11 og 12 rettes mod måleob-20 jektet 4.

Med en bundtekspansionsfaktor på 1,94 og en brændvidde på 600 mm for frontlinsen 34 opnås herved en afstand mellem bundterne 11 og 12 på 10,8 mm og en kalibreringsfaktor på 4,6 kHz/rpm. Til opnåelse af en 25 tilstrækkelig fin fokusering kan en yderligere bundtekspander 35 være anbragt foran Wollaston-prismet 33.

Medens det ved de foran beskrevne kendte metoder til vinkelhastighedsmåling foreskrives, at sende- og modtageretningerne skal være sammenfaldende foretrækkes 30 ifølge opfindelsen en rumlig separering af sende- og modtageretningerne i hver kanal, således som det er vist i fig. 7. Herved undgås nemlig spredningslys fra de optiske overflader i bundtekspanderen 34 efter Wollaston-prismet 33.

35 Separering kan foretages således, at sende- og modtageretningerne danner en lille vinkel med hinanden

Claims (11)

1. Fremgangsmåde til måling af vinkelhastighedsforskel mellem to måleobjekter, som udfører en roterende bevægelse ved hjælp af kohærent elektromagnetisk 30 stråling kendetegnet ved at vinkelhastighederne for de to måleobjekter (3, 4) bestemmes ved laser-Doppler måling i to separate balancerede målekanaler (7, 8) i hver af hvilke to rumligt adskilte laserstrålebundter (9-12) hidrørende fra samme stråling-35 skiide (5) udsendes i det væsentlige parallelle senderetninger mod to i det væsentlige i samme radialplan DK 160592B 9 liggende indfaldspunkter (13-16) på det respektive måleobjekt (3, 4) og at der efter detektering af de fra indfaldspunkterne i det væsentlige parallelle modtageretninger tilbagesendte spredningsstrålinger i hver ka-5 nal frembringes et Doppler-målesignal som udtryk for forskellen mellem Doppler-frekvenserne for de to spredningsstrålinger, idet der i den ene kanal (7) foretages en forskydning af Doppler-frekvensen for den ene spredningsstråling, hvorefter signalerne fra de to kanaler 10 blandes, og stødfrekvensen i det resulterende signal separeres som udtryk for vinkelhastighedsforskellen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at nævnte forskydning af Doppler-frekvensen foretages som optisk frekvensforskydning af 15 det ene udsendte laserstrålebundt.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2 k e n -detegnet ved, at for hvert strålebundt i hver kanal er modtageretningen rumlig sepaeret fra senderetingen.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kende tegnet ved at senderetningen og modtageretningen krydser hinanden under en lille vinkel.

5. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved dens anvendelse til måling 25 af slip mellem en remskive og en transmissionsrem.

6. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved dens anvendelse til torsionsmåling på en roterende aksel.

7. Apparat til måling af vinkelhastighedsforskel 30 mellem to måleobjekter (3, 4), som udfører en roterende bevægelse ved hjælp af kohærent elektromagnetisk stråling under udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved at det omfatter to separate balancerede laser-Doppler målekanaler (7, 8) 35 for hver sit af de to måleobjekter, hvilke kanaler hver omfatter bundtdele- og fokuseringsorganer (31-34) til 10 DK 160592 B udsendelse af to rumligt adskilte laserstrålebundter hidrørende fra samme strålingskilde (5) i det væsentlige parallelle senderetninger mod to i det væsentlige samme radialplan liggende indfaldspunkter på det pågæl-5 dende måleobjekt samt midler (19-20) til detektering af de fra indfaldspunkterne i i det væsentlige parallelle modtageretninger tilbagesendte spredningsstrålinger, midler til bestemmelse af Doppler-frekvensforskydningen for hver af disse spredningsstrålinger og midler til 10 frembringelse af et Doppler-målesignal som udtryk for forskellen mellem Doppler- frekvensforskydningerne for de to spredningsstrålinger, hvorhos der i den ene kanal findes midler (28) til forskydning af Doppler-frekvensen for den ene spredningsstråling og signalud-15 gangene fra de to kanaler (7, 8) er forbundet til en subtraktiv frekvensblander (22) med et efterfølgende separeringsorgan (23) for den ved blandingen frembragte stødfrekvens som udtryk for vinkelhastighedsforskellen mellem de to måleobjekter.

8. Apparat ifølge krav 7, kendetegnet ved, at nævnte midler til forskydning af Doppler-frekvensen omfatter en bundtdeler (27) med en efterfølgende Bragg-celle (28) anbragt i banen for den til kanalen (7) førte laserstråling.

9. Apparat ifølge krav 7 eller 8, kende tegnet ved midler til rumlig separering af senderetning og modtageretning for hvert strålebundt i hver kanal.

10. Apparat ifølge et af kravene 7-9 kende-30 tegnet ved, at de to målekanaler er udført som individuelle styrbare enheder, der er forbundet til samme laserstrålingskilde over optiske fibertransmissionsindretninger .

11. Apparat ifølge et af kravene 4-7, kende-35 tegnet ved, at der findes midler til individuel indstilling af lasereffekten i de to kanaler til kom- 11 DK 160592 B pensation for forskelle i de to måleobjekters reflek-tionsevne.