回转机械扭振测量技术研究

1、第 30卷第 7期 光子学报 V ol. 30N o. 7 2001年 7月 ACTA PHOTON ICA SINICA July 2001回转机械扭振测量技术研究乐开端唐经源(西安交通大学激光与红外研究所 710049张文定(西安华腾光电有限责任公司 710049摘要 本文设计出一种宽带扫描激光多普勒扭振测量仪 , 由于使用了宽带扫描技术 , 从而 使得系统具有测量动态范围大、 测量精度高、 实时快速等特点 .关键词 激光多普勒 ; 扭转振动 ; 宽带扫描0引言激光多普勒扭振测量系统具有测量动态范围 大、 测量精度高、 非接触、 实时快速和易于自动化 等特点 . 目前在国际上它被公认为扭振

2、测量的最 佳手段 . 利用激光多普勒原理测量转轴的回转不 均匀性和扭振是国际上近年来发展的新技术 13. 本项目的研究目的是用激光多普勒原理监测大型 回转机械的扭矩波动 , 准确诊断其潜在故障 . 而 现有各类在线监测系统仅限于监测横向振动与轴 位移 , 实现用激光多普勒原理直接在线监测转轴 的扭振 , 有助于准确诊断并消除由于扭振引起的 重 大 事 故 . 通 过 试 验 研 究 , 建 立 一 套 实 用 化的扭振监测系统 , 填补我国在该领域中的空白 .1测量原理激光多普勒扭振测量系统由光学探头、 信号 处理和信号分析三大部分组成 . 光学探头端原理 示意图如图 1所示 , 激光束经分光

3、镜分成强度相 等的两束光 , 其中的透射光束 2直接到达被测表 面 B 点 , 反射光再经一反射镜使之成为与透射光 完全平行的光束 1并到达被测轴表面 A 点 , 两平 行光束分别在 A 、 B 两点被散射 , 散射光沿原光路 返回部分成为图中的后向散射光束 1 和 2 (虚线 表示 , 它们经过分光镜合成为共路相干光束 , 最 后由光电探测器接受 . 图中我 们可以看出 , 被测 图 1激光多普勒扭振测量原理示意图Fig. 1 Schematic diag ra m of laser to rsionalv ibra tio n met er转子不仅有转动 , 还有平动 . 根据多普勒原理

4、, 两 束后向散射光均会发生频移 , 频移值分别为 4 f A =(2n / i (V +V 1f A =(2n / i (V +V 2(1 式中 f A 、 f B 分别为散射光束 1 和 2 和多普勒频移 值 ; n 为传播媒介的反射指数 (若为空气 , 则 n = 1 ; 为激光波长 ; i 为入射光束方向上的单位向 量 (此处假定不存在光路误差 , 两入射 光绝对平 行 . 具有频移的两束散射光在光电探测器光敏 面上发生光学混频 , 光电探测器输出电流被混频 频差调制 , 频差为*国家自然科学基金 (59905020 、 西安交通大学在职博士基金和西安交通大学行动计划资助项目 : f

5、D =f A -f B =(2n / i (V 1-V 2 (2图中 , 我们用 Z 表 示转轴轴 线方向上 的单位 向 量 , 则有V 1=2 N (R 1×Z V 2=2 N (R 2×Z (3 式中 , N 为旋转速度 , 由式 (3 可得到V 1-V 2=2 N (R 1-R 2 ×Z =2 N (B A ×Z (4 将式 (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 , 是转轴轴线与

6、入射 光所在平面法线间的夹角 . 设 ! 为转轴轴线与入 射光所在平面间的夹角 , 且有 =90°-! , 将此式 代入式 (5 可得f D =(4n / dN sin ! (6 如果转轴轴线垂直于入射光所在平面 , 则式 (6 中 的 ! = /2, 于是有f D =4n d -1N (7 由式 (7 可以得出这种扭转振动测量方法的如下 性能 :1 光电探测器输出信号调制频率 f D 与转轴 “ 瞬时转速” 成正比 , 属于瞬时转速测量 ;2 尽管被测转子具有平动分量 V , 但式 (7 中 f D 却与平动分量 V 无关 , 如果以矢量表示转动 , 则频率 f D 仅与入射光所在

7、平面法线方向上的转 动分量有关 , 而与被测转子的径向跳动、 轴向窜动 以及其它方向的转动无关 , 实现了转子扭转振动 与平动振动信息的完全分离 ;3 式 (7 中的多普勒频率信息与转子的曲率 半径无关 , 这意味着测量结果与被测转子的截面 形状无关 , 使其特别适合于齿轮、 凸轮等非圆形截 面转子的扭转振动测量 ;4 测量结果与入射光束被测轴横截面上的位 置无关 , 无须繁杂的光路调整 .由以上讨论可知 , 平行双光束激光多普勒扭 转振动测量和会聚式激光多普勒扭转振动相比 , 它是一种全新的测量方法 , 去掉了以前所有扭转 振动测量方法的缺陷 , 满足扭转振动测量的所有 特殊要求 . 信号处

8、理框图如图 2所示 , 它由光学 探头端的前置处理系统、 全程扫描宽带滤波器、 分 频器、 扭振信号处理系统组成 . 经过系统电路处 理后 , 输出瞬时转速、 扭振角位移等供后端进行后 续处理 .图 2多普勒扭振测量信号处理电路框图Fig. 2 Sketch map of Do ppler sig nal pr ocessing 2测量系统的性能指标该系统可实现如下功能 :1 对机组的扭振进行监测 , 产生报警信息 .2 对机组的转速进行监测 .3 存储机组扭振信号 , 用于机组故障分析和 隐含故障诊断 .测量范围 :1 振动 角速度 :0. 37000°/s, 2 振动角 位 移

9、:0. 0112°(RM S , 3 旋 转 速 度 :100 4000RPM , 4 测量距离 :>0. 5m .宽带扫描激光多普勒扭振测量仪照片如图 3所示 .图 3激光多普勒扭振测量仪照片Fig. 3 P ho to s o f laser to rsio nal v ibrat ion meter3结论本文详细论述了激光多普勒扭振测量的原理 和实现方法 , 利用宽带全程扫描滤波系统解决了 扭振测量中信号频带宽 , 信号难提取等难题 , 从而 使扭振测量系统的测量动态范围大 , 适应性更广 . 激光多普勒扭振测量系统以其固有的优点 , 必将 在回转机械扭振测量中发挥巨大作

10、用 .参考文献1杨国光 . 近代光学测试技术 . 北京 :机械工业出版社 , 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骆德渊 . 大型回转机械振动测量信号处理及应用 博士 论文 .西安交通大学 , 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