回轉機械扭振測量技術研究

1、第 30卷第 7期 光子學報 V ol. 30N o. 7 2001年 7月 ACTA PHOTON ICA SINICA July 2001回轉機械扭振測量技術研究樂開端唐經(jīng)源(西安交通大學激光與紅外研究所 710049張文定(西安華騰光電有限責任公司 710049摘要 本文設計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 , 從而 使得系統(tǒng)具有測量動態(tài)范圍大、 測量精度高、 實時快速等特點 .關鍵詞 激光多普勒 ; 扭轉振動 ; 寬帶掃描0引言激光多普勒扭振測量系統(tǒng)具有測量動態(tài)范圍 大、 測量精度高、 非接觸、 實時快速和易于自動化 等特點 . 目前在國際上它被公認為扭振

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

3、鏡分成強度相 等的兩束光 , 其中的透射光束 2直接到達被測表 面 B 點 , 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并到達被測軸表面 A 點 , 兩平 行光束分別在 A 、 B 兩點被散射 , 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轉子不僅有轉動 , 還有平動 . 根據(jù)多普勒原理

4、, 兩 束后向散射光均會發(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)生光學混頻 , 光電探測器輸出電流被混頻 頻差調制 , 頻差為*國家自然科學基金 (59905020 、 西安交通大學在職博士基金和西安交通大學行動計劃資助項目 : f

5、D =f A -f B =(2n / i (V 1-V 2 (2圖中 , 我們用 Z 表 示轉軸軸 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 , 是轉軸軸線與

6、入射 光所在平面法線間的夾角 . 設 ! 為轉軸軸線與入 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 可以得出這種扭轉振動測量方法的如下 性能 :1 光電探測器輸出信號調制頻率 f D 與轉軸 “ 瞬時轉速” 成正比 , 屬于瞬時轉速測量 ;2 盡管被測轉子具有平動分量 V , 但式 (7 中 f D 卻與平動分量 V 無關 , 如果以矢量表示轉動 , 則頻率 f D 僅與入射光所在

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

8、理框圖如圖 2所示 , 它由光學 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 , 輸出瞬時轉速、 扭振角位移等供后端進行后 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)的性能指標該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能 :1 對機組的扭振進行監(jiān)測 , 產(chǎn)生報警信息 .2 對機組的轉速進行監(jiān)測 .3 存儲機組扭振信號 , 用于機組故障分析和 隱含故障診斷 .測量范圍 :1 振動 角速度 :0. 37000°/s, 2 振動角 位 移

9、:0. 0112°(RM S , 3 旋 轉 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結論本文詳細論述了激光多普勒扭振測量的原理 和實現(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)的測量動態(tài)范圍大 , 適應性更廣 . 激光多普勒扭振測量系統(tǒng)以其固有的優(yōu)點 , 必將 在回轉機械扭振測量中發(fā)揮巨大作

10、用 .參考文獻1楊國光 . 近代光學測試技術 . 北京 :機械工業(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 . 大型回轉機械振動測量信號處理及應用 博士 論文 .西安交通大學 , 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