基于激光多普勒技术扭振测量的研究

VB ( t) = 2πω( t) [ RB ( t) ×Z] , VB ( t - Δl/ c) = 2πω( t - Δl/ c) [ RB ( t - Δl/ c) ×Z] ,
(3)
ω( t) 为转轴 t 时刻转动角速度 , RA ( t) 和 RB ( t) 为 t 时刻转轴 A 、B 两点径向矢量 ,由 (3) 式可得
黄 震1 刘 彬1 董全林2
1 燕山大学信息科学学院光电子工程系 , 秦皇岛 066004 2 北京航空航天大学光电技术研究所 , 北京 100083
摘要 : 提出一种基于激光多普勒技术和光学外差原理对高速回转机械进行扭振测量的新方法 ,分析了工作原理 , 推导出光路部分的数学模型 ,并通过实验分别验证了测量方法的可行性和准确性 。高相干激光投射到转轴同一个 截面上 2 点 ,反射光的多普勒频移正比于转轴转速 ,通过光学配置 ,使前后两个时刻的多普勒频移光信号在光探测 器上发生光学混频 ,光电流拍差正比于转轴在两个时刻的速度差 ,控制两个时刻时间差很小 ,直接得到角加速度 。 与其他激光多普勒扭振测量方法相比 ,该方法直接测量转动角加速度 ,在保证测量精度的前提下 ,提高了扭转振动 测量的实时性 ,极大地扩展了扭振测量的动态范围 ,对大型回转机械运行状态监测和故障诊断具有重要意义 。 关键词 : 光学测量 ; 扭振测量方法 ; 激光多普勒技术 ; 角加速度 中图分类号 : TN247 文献标识码 : A
提出一种基于激光多普勒技术和光学外差的原 理进行扭振测量的新方法 。将高相干激光投射到转 轴一个截面上 ,反射光发生多普勒频移 ,该频移正比 于转轴转速 ,再通过光学配置 ,使前后两个时刻的多 普勒频移光信号在光探测器上发生光学混频 ,光电 流拍差正比于转轴在两个时刻的速度差 ,控制两个 时刻时间差很小 ,就可以直接得到角加速度 。转轴 角速度波动 ,即角加速度 ,直接反映了转轴扭转振动 的性质[2] 。该系统扭转振动测量实时性高 ,具有非 常宽的动态范围 ,对大型高速回转机械运行状态的 监测和故障诊断具有重要的意义 。
第 26 卷 第 3 期 2006 年 3 月
光
AC TA
学 学 O P TICA
报 SIN ICA
Vol. 26 ,No . 3 March , 2006
文章编号 : 025322239 (2006) 032038924
基于激光多普勒技术扭振测量的研究 3
A bs t r act : A novel meas urement met hod for t he torsional vibration of high2sp eed rotary machine is p roposed , based on laser Dopple r technique and t he p rinciple of op tical heterodyne . The article analyzes its p rinciple , worked out t he mat hematical model of t he op tical configuration , and tes ts t he feasibilit y and accuracy resp ectively. The lase r beams launch at two p oints of t he same section of t he rotating s haf t . The reflected beams are s hif ted at f reque ncy domain according to Dopple r effect . The f requency s hif t is p rop ortional to t he rotating velocit y. Wit h t he p rope r op tical configuration , t he beams of t wo s uccessive times are hete rodyned on t he p hoto2detector , and t he f reque ncy of t he p hot oelect ric cur re nt is p rop ortional to differe nce of velocit y at t he t wo times . By making t he inte rval of t he two s uccessive times s mall enough so t hat t he angular accele ration is meas ured directly. Compared wit h ot he r meas ureme nt met hods based on lase r Doppler technique , t he angular accele ration is meas ured directly , t herefore t he meas ureme nt of torsional vibration is more real2time and dynamic range is exte nded greatly. It is esse ntial to t he monitoring running s tate and failure diagnosis of large2scale gyration machine wit h high2rotational velocit y. Key w or ds : op tical meas ureme nt ; torsional vibration meas ureme nt met hod ; lase r Doppler technique ; angular accele ration
f DA ( t) = λ2 { [VA ( t) + V ( t) ] - [VA ( t - Δl/ c) + V ( t - Δl/ c) ]} ·Ki , (1)
f DB ( t) = λ2 { [VB ( t) + V ( t) ] - [VB ( t - Δl/ c) + V ( t - Δl/ c) ]} ·Ki ,
式中 Ki 为入射光束方向上的单位向量 (此处假定两入射光束平行 ,并且在到达分束镜 BS2 之前两光束光程 相等) ,VA ( t) 、VB ( t) 分别为 A 、B 两点的切向速度矢量 ,V ( t) 为转轴在 t 时刻的横向振动速度矢量 , c为光在空 气中的速度 ;λ为激光波长 632. 8 nm ,Δl 为光束 1 和 2 的光程差 ,它是两反射镜 M1 、M2 到 BS2 距离差的 2 倍 。 在探测器光敏面上发生光学混频后得到光电流信号频率 f D ( t) 为
4λπ[ω( t) - ω( t - Δl/ c) ] ·d ·co sγ,
(5)
f D ( t) = f DA ( t) - f DB ( t) = λ2 { [VA ( t) - VB ( t) ] - [VA ( t - Δl/ c) - VB ( t - Δl/ c) ]} ·Ki ,
(2)
Z 表示转轴轴线方向上的单位矢量 ,则
VA ( t) = 2πω( t) [ RA ( t) ×Z] , VA ( t - Δl/ c) = 2πω( t - Δl/ c) [ RA ( t - Δl/ c) ×Z] ,
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光 学 学 报 26 卷
扭转振动相关的物理量 ,如速度 、位移等 ,经数据处 理得到扭振信息 。但对于高速大型回转机械 ,转轴 表面线速度很高 ,造成传感器失效或测量精度降低 , 同时也给传感器的安装维护以及传感信号的传递带 来很大困难 ,限制了这类方法的使用场合 。另一类 为非接触式测量 ,一般都是通过电磁感应和光电脉 冲法直接测量转轴的平均速度 ,进而反映出扭转振 动信息 ,实时性差 。基于激光多普勒测速技术的扭 振测量方法可以直接测量得到转轴的瞬时转度 ,但 系统带宽限制它主要用于 1 μm/ s～20 m/ s 的中低 转速场合[1 ] 。
3 河北省科技攻关 (02212106D) 资助课题 。 作者简介 : 黄 震 (1976～) ,男 ,天津市人 ,讲师 ,燕山大学电路系统博士研究生 ,主要从事光纤通信和光学 、光纤测量方
面的研究 。E2mail : hans @ysu. edu. cn 收稿日期 : 2005205226 ; 收到修改稿日期 : 2005208206
VA ( t) - VB ( t) = 2πω( t) [ RA ( t) - RB ( t) ] ×Z = 2πω( t) ( BA ×Z) ,
VA ( t - Δl/ c) - VB ( t - Δl/ c) - = 2πω( t - Δl/ c) [ RA ( t - Δl/ c) - RB ( t - Δl/ c) ] ×Z =
(4)
2πω( t - Δl/ c) ( BA ×Z) ,
将 (4) 式带入 (2) 式得
f D = 4λπ[ω( t) - ω( t - Δl/ c) ] ·( BA ×Z) ·Ki = 4λπ[ω( t) - ω( t - Δl/ c) ·( Ki ×BA) ·Z =
2 测量原理
2 . 1 测量原理 测量原理如图 1 所示 。
图 1 测量原理图 Fig. 1 Schematic diagram of measurement
由高相干光源 ( He2Ne 激光器) 发出的激光经 过分束镜 BS1 分为两束 ,分别投射在转轴同一截面 上点 A 和点 B 上 ,部分散射光原路返回 ,并发生多 普勒频移 , 然后被 BS1 分别反射和透射到分束镜 BS2 上 ,并被分为两路 ,分别表示为光束 1 和 2 (用实 线和虚线表示) 。光束 1 和 2 分别被距分束镜 BS2 距离不同的两面反射镜 M1 、M2 反射后 ,共同射到 光探测器的光敏面上 。根据多普勒频移 ,A 、B 两点 反射光线的多普勒频移 f DA ( t) 和 f DB ( t) 分别为