JPH04291112A - タービンエンジン用シャフト回転速度センサ - Google Patents

タービンエンジン用シャフト回転速度センサ

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JPH04291112A
JPH04291112A JP3294271A JP29427191A JPH04291112A JP H04291112 A JPH04291112 A JP H04291112A JP 3294271 A JP3294271 A JP 3294271A JP 29427191 A JP29427191 A JP 29427191A JP H04291112 A JPH04291112 A JP H04291112A
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JP
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grating
shaft
energy
sensor system
light
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JP3294271A
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C Brownring Patrick
パトリック・シー・ブラウンリッグ
Vari Victor
ビクター・バリ
David B Chang
デイビッド・ビー・チャング
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/486—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by photo-electric detectors
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    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
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    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、タービンエンジンシャ
フトのような回転シャフトの回転速度を測定するセンサ
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】あるタイプの通常のタービンシャフトタ
コメータは、回転速度に比例する電圧を電気的に誘起す
るためにタービンブレード上の磁気ピックアップを使用
する。別のタイプのタービンシャフトタコメータはシャ
フトの回転速度を機械的にギアダウンする駆動トレイン
から外れたギア速度ピックアップを使用する。これらの
方法は動作はするが、著しい温度、電磁妨害およびエン
ジン動作およびギアバックラッシュによる大きい角度雑
音スペクトル密度にさらされる。これら３つの要因は高
いセンサ故障率を生じさせ、長時間の使用を保証するた
めのパッキングにおいて高価な機構を要求する可能性が
高い。さらに、これらの方法はそれ程正確でも迅速でも
なく、また電磁妨害に対する耐性もない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は正確で信頼性が高く、比較的安価であり、タービ
ンシャフトの瞬間的な回転速度を提供することができる
タービンシャフト等の回転シャフトの回転速度を感知す
る装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明による回転シャフ
トの回転速度を測定するセンサシステムはシャフトによ
り支持され、スリットが位置された表面上の運動方向に
対して横断方向に配置された格子スリットによって特徴
付けられる光格子を含む。電磁エネルギのソースは格子
に向かってエネルギのビームを導くように構成される。 好ましい実施例において、ソースは赤外線範囲において
動作するレーザである。センサは格子の速度に依存して
いるエネルギビート周波数を発達するように格子によっ
て回折された異なるオーダーのエネルギを結合する手段
を含む。検出器は結合されたエネルギに応答し、ビート
周波数を示す検出器出力信号を供給する。プロセッサは
検出器出力信号をシャフト回転速度に変換する。
【０００５】一実施例において、格子はシャフトの端部
上に配置された放射格子で構成される。別の実施例にお
いて、格子はシャフトの周辺側面に形成された格子で構
成される。
【０００６】
【実施例】光周波数シフトは、基準線に垂直な方向に移
動している線形格子の種々の回折オーダーで生成される
ことができることが示されている。Ｗ．Ｈ．Ｓｔｅｅｌ
氏による論文（“Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，”Ｓ
ｅｃｏｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｃａｍ−ｂｒｉｄｇｅ　
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９８３年，５７
乃至５８頁）、Ｗ．Ｈ．Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎ氏による論
文（“Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆ
ｔｉｎｇ　ｂｙ　Ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ａ　Ｒｏｔａｔｉ
ｎｇ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｇｒａｔｉｎｇ　，“
ＡＰＰＬＩＥＤ　ＯＰＴＩＣＳ，Ｖｏｌ．９　，Ｎｏ３
，１９７０年３月，６４９　乃至６５２　頁）を参照さ
れたい。
【０００７】幅ｂおよび長さＬの単一スリットによるフ
ラウンホッファ式回折の場合を検討する。１スリットに
対するフィールドの説明によりスタートすることが容易
である。格子（等しい間隔の多スリット）に対して一般
化するために、フィールドはＮにわたって合計され、Ｎ
はソースによって照明されるスリットの合計数である。 図１は幾何学形状を示す。周波数ｗ０　の平面平行波は
格子６中に形成されたスリット５に入射し、スリットエ
ッジは角度θで入射ビームを回折する。レンズ７はレン
ズ焦点平面８で回折されたビームを集束する。点Ｐにお
けるフィールドの分布Ｕｐ　はフレネルキルヒホッフの
式（１）により与えられ、速度ｖにより移動するスリッ
トに対してｒは（２）式で表わされるからＵｐ　は（３
）式のように表わされる。
【０００８】
【数１】
【０００９】（１）式においてＣは定数であり、ｄｘｄ
ｙ＝Ｌｄｙ、ｗｏ　＝２πｆ、θ＝ｎ（λ／ｂ）、ｋｏ
　＝２π／λｏ　、およびｎ＝０，±１，±２であり、
ｒは焦点平面に対する格子の平面からの距離である。
【００１０】（２）式においてｒｏ　はｙ＝０およびθ
＝λ／ｂに対するｒの値である。
【００１１】周波数シフトは、Δｆ＝（１／２π）ｋｖ
　ｓｉｎθである。
【００１２】（ｎλ／ｂ）＜＜１のとき、　　　　　　
　ｓｉｎθはθ＝（ｎλ／ｂ）の近似値であり、　　　
　　　　　　　　　（４）　　　　　　Δｆ＝（ｎｖ／
ｂ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　（５）したがって、例えばｎ＝
０およびｎ＝＋１の異なる回折オーダーｎの２つのビー
ムを結合することによって、それらはビート周波数Δｆ
を生成するように干渉する。ビート周波数は、ｆｒ　＝
Δｆｂ／ｎ２πｒにしたがって回転速度に変換され、こ
こでｒはビームが格子に当たる半径点であり、ｆｒ　は
１秒当りの回転における回転速度である。
【００１３】反射格子に対して、この原理は線形または
放射構造と同じである。図２、図３および図４は幾何学
形状を示す。
【００１４】図２は、格子間隔ｂを有する線形移動格子
２０に対する周波数シフトおよびビーム方向を示す。ゼ
ロ番目のオーダーの反射ビームすなわち非回折ビームは
、ソース周波数に等しい周波数ｆを有する。ｎ−１番目
のオーダーの回折されたビームは周波数ｆ１　＝ｆ−ｖ
／ｂを有し、ここでｖは移動格子の速度である。ｎ＝１
のオーダーの回折されたビームは周波数ｆ２　＝ｆ＋ｖ
／ｂを有する。
【００１５】図３は、半径Ｒの関数である格子間隔ｂ（
Ｒ）を持つ半径Ｒの移動放射格子２５に対する周波数シ
フトおよびビーム方向を示す。シャフトはｖ／ｒの回転
速度で回転し、ここでｖはシャフト面上の点の速度であ
る。ゼロ番目のオーダーの反射ビームはソース周波数で
ある周波数ｆを有する。ｎ−１番目のオーダーの回折ビ
ームは周波数ｆ１　＝ｆ−ｖ／ｂ（Ｒ）を有する。ｎ＋
１番目のオーダーの回折ビームはｆ２　＝ｆ＋ｖ／ｂ（
Ｒ）を有する。
【００１６】図４のＡおよびＢは、周辺格子３５が形成
された回転シャフト３０に対する周波数シフトおよびビ
ーム方向を示す。シャフトは半径Ｒを有し、速度ｖ／Ｒ
で回転し、ここでｖはシャフト３０の周辺上の点の速度
である。格子３５は格子間隔ｂを有する。周波数ｆのソ
ースからの光が格子３５上に直径的に入射する。ゼロ番
目のオーダーの反射光は周波数ｆを有する。ｎ−１番目
のオーダーの回折ビームは周波数ｆ１　＝ｆ−ｖ／ｂを
有する。ｎ＋１番目のオーダーの回折ビームはｆ２　＝
ｆ＋ｖ／ｂを有する。
【００１７】上記された環境要因すなわち温度のために
、光を格子に伝達する方法は温度により影響を受けない
ものでなければならない。本発明の好ましい実施例は放
射格子に対して図５に示されている。本発明の第２の実
施例は図６に示されている。実際の適用においてサファ
イヤファイバおよび格子が示唆されている。それはそれ
らが２０００℃より高い温度に耐性があり、化学的に不
活性であるためである。
【００１８】図５は、図３に関して説明されたような放
射格子６６を使用したタービン（または他の回転シャフ
ト装置）シャフト回転速度センサシステム５０を示す。 ここでタービンシャフト７０はシャフト７０の端部上で
照射された反射性の放射光格子６６を使用してシステム
５０によって測定されるある速度で回転する。バルクヘ
ッド５８は、システム５０の他の素子が配置されている
比較的低い温度の環境からシャフトの高温環境を分離す
る。
【００１９】システム５０のための光源はレーザ５２で
ある。この適用に適したレーザは、６７０ｎｍの波長（
赤）でレーザ光を発生する、ワシントン州シアトル、３
１６セカンドアヴェニュー、シースター社により市販さ
れているＰＴ−４５０　−６７０　−ＴＯＬＤ９２１１
半導体ダイオードレーザである。この波長に対して、格
子間隔は少なくとも２ミクロンである。光ビーム路はレ
ーザ５２から光ファイバビーム分割器５４に、それから
傾斜屈折率レンズ６２に接続する単一モード光ファイバ
６８によって与えられる。この目的に適したビーム分割
器の例はカナダ、オンタリオ、ミシソガのカナディアン
インスツルメンテイション社により市販されている部品
番号９０６　である。レンズ６２はバルクヘッド５８を
通って延在するサファイヤ光ファイバ５６に光学的に結
合されている。
【００２０】システム５０はまた第２のサファイヤファ
イバ６０を含む。このファイバ６０の一端は、第２の傾
斜屈折率レンズ６４に光学的に結合され、次に単一モー
ド光ファイバ７２に結合される。ファイバ７２はビーム
分割器５４を通って光検出器７４に接続されている。プ
ロセッサ７６は、シャフト回転速度を示す出力信号を７
７で発生するように７５において検出器出力信号に応答
する。
【００２１】傾斜屈折率レンズ６２および６４の目的は
各サファイヤファイバ５６および６０にソース光を集束
することである。この目的に適したレンズ例は、アメリ
カ、ソマーセット、Ｎ．Ｊ．のＮＳＧ社によって市販さ
れている部品番号ＦＣＨ−ＩＦ−ＳＭＦ−０．６３であ
る。このタイプのレンズはファイバ５６または６０の端
部に直接融着結合されることができる。
【００２２】図６は、図４の周辺格子構造を使用するタ
ービンシャフト回転速度センサシステム１００　の別の
実施例を示す。システム１００　は、光が図４のＡの格
子３５と同様の構造である格子１１２　によってシャフ
ト１１０　の一側から反射されることを除いて図５のシ
ステム５０に類似している。格子は当業者に良く知られ
た技術によってシャフト上に製造されることができる。
【００２３】図５のシステム５０は次のように動作する
。 レーザ光源５２は単一モード光ファイバ６８に結合され
る光を周波数ｆで発生する。ビーム分割器５４は、ビー
ム路の両アームにレーザからの光を５０％づつ、すなわ
ちレンズ６２に対するファイバ６８の通路に５０％また
レンズ６４に対するファイバ７２に５０％分割する。各
傾斜屈折率レンズ６２および６４はサファイヤファイバ
５６および６０に各ビームを集束し、その後格子６６を
照明する。ゼロ番目のオーダーのビームはそれぞれ同じ
通路に沿って反射される。ｎ番目のオーダーの回折ビー
ムはΔｆ＝ｖ／ｂであるｆ＋Δｆの周波数で別のサファ
イヤファイバに入る。ファイバ５６および６０は互いに
関して角度αで配置されている。この角度の値はα＝　
ｓｉｎ−１λ／ｂであり、ここでλは動作の波長である
。２つのビームはビーム分割器５４で結合し、結合され
た光の半分がレーザに戻り、別の半分が光ダイオードを
備えた検出器７４に入る。光ダイオードはΔｆより大き
い帯域幅を有する。これは容易に達成できる。例えば、
格子は速度１０００ｃｍ／秒（１ｃｍの半径のタービン
シャフトに対して１６０ｒｐｓの回転速度に対応して）
で移動し、格子間隔ｂ＝１μｍを有すると、周波数シフ
トは以下のようになる。
【００２４】Δｆ＝ｖ／ａ＝１０／１０−６＝１０ＭＨ
ｚこの目的に適した光ダイオード例は、ＲＣＡ社によっ
て市販されたシリコンＰＩＮダイオード、モデルＣ３０
０９７１ＥＱＣである。
【００２５】検出器７４は、ビート周波数Δｆを生成す
るように干渉し、電圧出力信号を生成するようにビート
周波数Δｆに応答する結合された光ビームをエンベロー
プ検出する。プロセッサ７６はシャフト７０の回転速度
を示す信号にビート周波数Δｆを変換する。プロセッサ
７６は検出器７４の信号に応答してΔｆを決定する周波
数カウンタを含む。周波数カウンタの目的に適した装置
は、ナショナルセミコンダクタ社により市販されている
電圧周波数変換器、部品番号ＬＭ２９０７である。プロ
セッサ７６は式（５）Δｆ＝ｎｖ／ｂおよび回転速度ｗ
＝ｖ／Ｒを使用してシャフト回転速度にビート周波数を
変換する手段を含む。このような変換手段はＲＯＭ検索
表として構成されるか、或は必要な計算を実行するよう
にプログラムされたマイクロプロセッサによって実時間
で較正されることができる。この処理は非常に高速の回
路網を使用することを必要とせずに容易に行われること
ができる。回転速度における変化はミリ秒程度の遅延時
間により検出されることができる。
【００２６】図６に示すシステム１００　は図５のシス
テム５０と同様に動作する。塵埃による信号損失を防止
するために、赤外線に対応した、および必要ならばそれ
を越えた波長、すなわちミリメータ波に対応した波長に
格子間隔を増加することができる。
【００２７】本発明は、Δｆのライン幅を分析すること
によってベアリング故障の本来の監視を行う付加的な利
点を有する。一例として、ボールベアリングはローラボ
ール周波数でΔｆを変調する。ボールが劣化し始めた場
合、変調（および高調波）は振幅において増加する。こ
の変調およびΔｆを監視することによって、ベアリング
の磨耗を示すことができる。さらに、多数のエンジン（
または回転シャフト）の同期が電磁妨害に影響されるこ
となく行われる。図５および図６のプロセッサからのシ
ステム出力はエンジン制御装置に対してシャフト加速ま
たは減速（±ｄΔｆ／ｄｔ）を指示することができる。 （ｄΔｆ／ｄｔ）の符号および振幅に基づいて薄いおよ
び濃い燃料混合を行う適応フィードバック制御の一部分
として、エンジン誤点火を補償することができる。
【００２８】上記の実施例は、本発明の原理を表す可能
な特定の実施例の単なる説明に過ぎないことが理解され
るであろう。別の構造は、本発明の技術的分野を逸脱す
ることなく当業者によってこれらの原理にしたがって容
易に構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ソースによって照明される格子スリットに対す
る光周波数シフトの原理図。
【図２】移動している線形格子に対する周波数シフトお
よびビーム方向の図。
【図３】移動している放射格子に対する周波数シフトお
よびビーム方向の図。
【図４】周辺格子を有する回転しているシャフトに対す
る周波数シフトおよびビーム方向の図。
【図５】本発明による放射格子を使用したタービンシフ
ト回転速度センサの簡単なブロック図。
【図６】本発明による周辺格子を使用したタービンシフ
ト回転速度センサの簡単なブロック図。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　シャフトにより支持され、シャフトの
    運動方向に対して横断方向に配置された格子スリットを
    具備する光格子と、前記格子に向かってエネルギのビー
    ムを導くように構成された電磁エネルギのソースと、格
    子の速度に依存しているエネルギビート周波数を発達さ
    せるために格子によって回折されたエネルギを結合する
    手段と、シャフトの回転速度を示すセンサ信号を供給す
    るようにエネルギビート周波数に応答する手段とを具備
    していることを特徴とする回転シャフトの回転速度を測
    定する回転速度センサシステム。
  2. 【請求項２】　　前記格子は前記シャフトの端部上に配
    置された放射格子を含んでいる請求項１記載のセンサシ
    ステム。
  3. 【請求項３】　　前記格子はシャフトの周辺側面に形成
    された格子を含んでいる請求項１記載のセンサシステム
    。
  4. 【請求項４】　　前記電磁エネルギのソースは光のビー
    ムを発生するレーザを含んでいる請求項１記載のセンサ
    システム。
  5. 【請求項５】　　２つの光路にレーザからの光を分割し
    、前記光路から受信された光を結合して検出器光路に結
    合された光エネルギの少なくとも一部分を供給する光ビ
    ーム分割器／結合器手段と、前記レーザと前記分割器と
    の間に光を導く第１の光ファイバ手段と、前記ビーム分
    割器と前記格子との間に光を導き、光が第１の角度方向
    で前記レーザソースから前記格子に入射するように構成
    され、前記格子から反射されたゼロ番目のオーダーの光
    が前記ビーム分割器／結合器に戻るように導かれる第１
    の光路限定手段と、前記ビーム分割器と前記格子との間
    に光を導き、光が第２の角度方向で前記レーザソースか
    ら前記格子に入射するように構成され、前記格子から反
    射されたゼロ番目のオーダーの光および前記第１の光路
    限定手段からの前記格子から回折されたｎ番目のオーダ
    ーの光が前記ビーム分割器／結合器に戻るように導かれ
    る第２の光路限定手段とを含み、前記第１の光路限定手
    段は、前記第１の光路限定手段からの前記格子から回折
    されたｎ番目のオーダーの光が前記ビーム分割器／結合
    器に導かれて戻るように構成され、前記ビーム分割器／
    結合器はエネルギビート周波数を発生するように格子に
    よって回折されたエネルギを結合する前記手段を含んで
    いる請求項４記載のセンサシステム。
  6. 【請求項６】　　前記シャフトは高温環境で動作するタ
    ービンシャフトであり、さらに前記第１の光路限定手段
    が第１のサファイヤ光ファイバを含み、前記第２の光路
    限定手段が第２のサファイヤ光ファイバを含んでいるこ
    とを特徴とする請求項５記載のセンサシステム。
  7. 【請求項７】　　前記第１および第２のサファイヤ光フ
    ァイバの前記各第１の端部はバルクヘッドを通って前記
    高温タービン動作環境中に延在し、前記サファイヤファ
    イバの第２の端部はビーム分割器／結合器を介してレー
    ザから入射した光を集束する第１および第２のレンズ素
    子に結合されている請求項５記載のセンサシステム。
  8. 【請求項８】　　前記結合手段は前記格子からのゼロオ
    ーダーおよび第１のオーダーの回折されたエネルギビー
    ムを結合する手段を含み、前記ビート周波数はゼロオー
    ダービームの周波数と第１のオーダーの回折されたビー
    ムの周波数との間の差である請求項１記載のセンサシス
    テム。
  9. 【請求項９】　　前記格子は、λ／ｂが１よりかなり小
    さいように電磁エネルギの動作波長λに応じて格子ライ
    ン間隔ｂが選定されている請求項１記載のセンサシステ
    ム。
  10. 【請求項１０】　　前記格子は幅ｂの多数のスリットを
    有する格子を具備し、シャフトの周囲上の点の角速度を
    ｖとしてビート周波数は実質的にｖ／ｂに等しい請求項
    １記載のセンサシステム。
  11. 【請求項１１】　　エネルギビート周波数に応答する前
    記手段はビート周波数を示す検出器電圧を発生するよう
    にビート周波数に応答する光電気検出器を含んでいる請
    求項１記載のセンサシステム。
  12. 【請求項１２】　　エネルギビート周波数に応答する前
    記手段はさらに対応したシャフト回転速度に前記検出器
    電圧を変換するプロセッサを含んでいる請求項１記載の
    センサシステム。
JP3294271A 1990-11-13 1991-11-11 タービンエンジン用シャフト回転速度センサ Pending JPH04291112A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US611598 1990-11-13
US07/611,598 US5118932A (en) 1990-11-13 1990-11-13 Shaft rotation rate sensor with a diffraction grating producing a velocity-related beat frequency

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Publication Number Publication Date
JPH04291112A true JPH04291112A (ja) 1992-10-15

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ID=24449664

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JP3294271A Pending JPH04291112A (ja) 1990-11-13 1991-11-11 タービンエンジン用シャフト回転速度センサ

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Country Link
US (1) US5118932A (ja)
EP (1) EP0504526A1 (ja)
JP (1) JPH04291112A (ja)
KR (1) KR920010289A (ja)
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