回轉(zhuǎn)機(jī)械扭振測量技術(shù)研究

1、第 30卷第 7期 光子學(xué)報(bào) V ol. 30N o. 7 2001年 7月 ACTA PHOTON ICA SINICA July 2001回轉(zhuǎn)機(jī)械扭振測量技術(shù)研究樂開端唐經(jīng)源(西安交通大學(xué)激光與紅外研究所 710049張文定(西安華騰光電有限責(zé)任公司 710049摘要 本文設(shè)計(jì)出一種寬帶掃描激光多普勒扭振測量儀 , 由于使用了寬帶掃描技術(shù) , 從而 使得系統(tǒng)具有測量動(dòng)態(tài)范圍大、 測量精度高、 實(shí)時(shí)快速等特點(diǎn) .關(guān)鍵詞 激光多普勒 ; 扭轉(zhuǎn)振動(dòng) ; 寬帶掃描0引言激光多普勒扭振測量系統(tǒng)具有測量動(dòng)態(tài)范圍 大、 測量精度高、 非接觸、 實(shí)時(shí)快速和易于自動(dòng)化 等特點(diǎn) . 目前在國際上它被公認(rèn)為扭振

2、測量的最 佳手段 . 利用激光多普勒原理測量轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)不 均勻性和扭振是國際上近年來發(fā)展的新技術(shù) 13. 本項(xiàng)目的研究目的是用激光多普勒原理監(jiān)測大型 回轉(zhuǎn)機(jī)械的扭矩波動(dòng) , 準(zhǔn)確診斷其潛在故障 . 而 現(xiàn)有各類在線監(jiān)測系統(tǒng)僅限于監(jiān)測橫向振動(dòng)與軸 位移 , 實(shí)現(xiàn)用激光多普勒原理直接在線監(jiān)測轉(zhuǎn)軸 的扭振 , 有助于準(zhǔn)確診斷并消除由于扭振引起的 重 大 事 故 . 通 過 試 驗(yàn) 研 究 , 建 立 一 套 實(shí) 用 化的扭振監(jiān)測系統(tǒng) , 填補(bǔ)我國在該領(lǐng)域中的空白 .1測量原理激光多普勒扭振測量系統(tǒng)由光學(xué)探頭、 信號 處理和信號分析三大部分組成 . 光學(xué)探頭端原理 示意圖如圖 1所示 , 激光束經(jīng)分光

3、鏡分成強(qiáng)度相 等的兩束光 , 其中的透射光束 2直接到達(dá)被測表 面 B 點(diǎn) , 反射光再經(jīng)一反射鏡使之成為與透射光 完全平行的光束 1并到達(dá)被測軸表面 A 點(diǎn) , 兩平 行光束分別在 A 、 B 兩點(diǎn)被散射 , 散射光沿原光路 返回部分成為圖中的后向散射光束 1 和 2 (虛線 表示 , 它們經(jīng)過分光鏡合成為共路相干光束 , 最 后由光電探測器接受 . 圖中我 們可以看出 , 被測 圖 1激光多普勒扭振測量原理示意圖Fig. 1 Schematic diag ra m of laser to rsionalv ibra tio n met er轉(zhuǎn)子不僅有轉(zhuǎn)動(dòng) , 還有平動(dòng) . 根據(jù)多普勒原理

4、, 兩 束后向散射光均會(huì)發(fā)生頻移 , 頻移值分別為 4 f A =(2n / i (V +V 1f A =(2n / i (V +V 2(1 式中 f A 、 f B 分別為散射光束 1 和 2 和多普勒頻移 值 ; n 為傳播媒介的反射指數(shù) (若為空氣 , 則 n = 1 ; 為激光波長 ; i 為入射光束方向上的單位向 量 (此處假定不存在光路誤差 , 兩入射 光絕對平 行 . 具有頻移的兩束散射光在光電探測器光敏 面上發(fā)生光學(xué)混頻 , 光電探測器輸出電流被混頻 頻差調(diào)制 , 頻差為*國家自然科學(xué)基金 (59905020 、 西安交通大學(xué)在職博士基金和西安交通大學(xué)行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目 : f

5、D =f A -f B =(2n / i (V 1-V 2 (2圖中 , 我們用 Z 表 示轉(zhuǎn)軸軸 線方向上 的單位 向 量 , 則有V 1=2 N (R 1×Z V 2=2 N (R 2×Z (3 式中 , N 為旋轉(zhuǎn)速度 , 由式 (3 可得到V 1-V 2=2 N (R 1-R 2 ×Z =2 N (B A ×Z (4 將式 (4 代入式 (2 可得到f D =(4n / N i (B A ×Z =(4n / N (i ×BA Z =(4n / Nd cos (5 式 (5 中用到 d = i ×BZ , 是轉(zhuǎn)軸軸線與

6、入射 光所在平面法線間的夾角 . 設(shè) ! 為轉(zhuǎn)軸軸線與入 射光所在平面間的夾角 , 且有 =90°-! , 將此式 代入式 (5 可得f D =(4n / dN sin ! (6 如果轉(zhuǎn)軸軸線垂直于入射光所在平面 , 則式 (6 中 的 ! = /2, 于是有f D =4n d -1N (7 由式 (7 可以得出這種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量方法的如下 性能 :1 光電探測器輸出信號調(diào)制頻率 f D 與轉(zhuǎn)軸 “ 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速” 成正比 , 屬于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測量 ;2 盡管被測轉(zhuǎn)子具有平動(dòng)分量 V , 但式 (7 中 f D 卻與平動(dòng)分量 V 無關(guān) , 如果以矢量表示轉(zhuǎn)動(dòng) , 則頻率 f D 僅與入射光所在

7、平面法線方向上的轉(zhuǎn) 動(dòng)分量有關(guān) , 而與被測轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)、 軸向竄動(dòng) 以及其它方向的轉(zhuǎn)動(dòng)無關(guān) , 實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 與平動(dòng)振動(dòng)信息的完全分離 ;3 式 (7 中的多普勒頻率信息與轉(zhuǎn)子的曲率 半徑無關(guān) , 這意味著測量結(jié)果與被測轉(zhuǎn)子的截面 形狀無關(guān) , 使其特別適合于齒輪、 凸輪等非圓形截 面轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量 ;4 測量結(jié)果與入射光束被測軸橫截面上的位 置無關(guān) , 無須繁雜的光路調(diào)整 .由以上討論可知 , 平行雙光束激光多普勒扭 轉(zhuǎn)振動(dòng)測量和會(huì)聚式激光多普勒扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相比 , 它是一種全新的測量方法 , 去掉了以前所有扭轉(zhuǎn) 振動(dòng)測量方法的缺陷 , 滿足扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量的所有 特殊要求 . 信號處

8、理框圖如圖 2所示 , 它由光學(xué) 探頭端的前置處理系統(tǒng)、 全程掃描寬帶濾波器、 分 頻器、 扭振信號處理系統(tǒng)組成 . 經(jīng)過系統(tǒng)電路處 理后 , 輸出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、 扭振角位移等供后端進(jìn)行后 續(xù)處理 .圖 2多普勒扭振測量信號處理電路框圖Fig. 2 Sketch map of Do ppler sig nal pr ocessing 2測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能 :1 對機(jī)組的扭振進(jìn)行監(jiān)測 , 產(chǎn)生報(bào)警信息 .2 對機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測 .3 存儲(chǔ)機(jī)組扭振信號 , 用于機(jī)組故障分析和 隱含故障診斷 .測量范圍 :1 振動(dòng) 角速度 :0. 37000°/s, 2 振動(dòng)角 位 移

9、:0. 0112°(RM S , 3 旋 轉(zhuǎn) 速 度 :100 4000RPM , 4 測量距離 :>0. 5m .寬帶掃描激光多普勒扭振測量儀照片如圖 3所示 .圖 3激光多普勒扭振測量儀照片F(xiàn)ig. 3 P ho to s o f laser to rsio nal v ibrat ion meter3結(jié)論本文詳細(xì)論述了激光多普勒扭振測量的原理 和實(shí)現(xiàn)方法 , 利用寬帶全程掃描濾波系統(tǒng)解決了 扭振測量中信號頻帶寬 , 信號難提取等難題 , 從而 使扭振測量系統(tǒng)的測量動(dòng)態(tài)范圍大 , 適應(yīng)性更廣 . 激光多普勒扭振測量系統(tǒng)以其固有的優(yōu)點(diǎn) , 必將 在回轉(zhuǎn)機(jī)械扭振測量中發(fā)揮巨大作

10、用 .參考文獻(xiàn)1楊國光 . 近代光學(xué)測試技術(shù) . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 1988:56592 Hew let t -packard Company . La ser measurement system 5526A . U SA , Santa -clar a , Califor nia , 1972, 2663003 Yur a H T , Hanson S G . Compar ison between the time of flight v elo cimeter and t he laser Do ppler velocim et er for measur ements on

11、 solid sur faces. SPI E, 1996, 2729:911024駱德淵 . 大型回轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測量信號處理及應(yīng)用 博士 論文 .西安交通大學(xué) , 1998:850TORSIONAL VIBRATION MEASURING BYDOPPLER TECHNOLOGYYue Kaiduan, T ang Jingy uanI nstitute of L as er &I R Ap p lications , X i an J iaotong Univ er sity , X i an , China , 710049Zhang WendingH uateng Photoel

12、ectr ic I nstrument L td , X i an Shaanx i , China , 710049Receiv ed date:2000-12-19Abstract A torsional vibration m easur em ent system is descibed in the paper . A special w ide band scanner circuit is pro posed. It is successful to use the circuit in the Do ppler sig nal processing. Keywords T orsional vibration; Coherence; Doppler Yue Kaiduan An asso ciate professor , w as born in 1966. He w as graduated fr om Sichuan U niversity in 1986, obtained his M . S . in Xi an Institute of Optics and Precision Mechanics Academ y SINICA in 1993, and obtained h