【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光和精密测量领域，具体涉及一种激光多普勒瞬时转速测量装置及方法。
技术介绍
1、测量转动物体转速常用的方法有：硬件计数法、软件计数法和频谱分析法,当前计量中使用最为广泛的是硬件计数法，包括测频法、测周期法和频率周期法，上述方法均需要借助光电或磁电传感器实现，如光电编码器或霍尔传感器等。这些传感器有的需要与电机同轴连接，有的需要由电机直接带动旋转，是典型的接触式测量方法，而在一些应用场合中，转轴上无法或者不允许安装传感器。
2、现有技术中可以采用利用激光多普勒测速技术，先测量线速度再间接求得转速，这在非接触转速测量方法上迈出了新的一步，其测量系统总体的原理框图如图1所示。
3、he-ne激光器出射的激光经过声光调制器，由于反常布拉格衍射产生0级和1级衍射光，1级衍射光经反射镜m1反射通过一半波片，调节半波片使其快轴与1级衍射光振动方向成45°，从而使1级衍射光的振动方向改变90°。调节m1使0级衍射光和1级衍射光相互平行。两束光经透镜l1后汇聚于被测物体表面，由被测物体表面产生的散射光经反射镜m2由透镜l2汇聚于光电接收器表面。获得电信号后再由硬件电路进行处理得到被测表面的线速度。由公式v＝ω·r可知，当已知转动物体的半径后就可以求出被测物体的转速。
4、该系统采用了双光束差动多普勒模型，这种模型利用两束不同传播方向的光照射被测物体表面，再利用透镜将同一方向即观测方向的散射光汇聚于光电探测器表面进行外差获得多普勒频率。其光路图如图2所示；
5、两束光之间的夹角为α，被
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7、
8、两束光在观测方向上混频后产生的差频为
9、
10、当光束1与光束2以相同的入射角照射被测表面时，θ1与θ2互补，则上式可化简为
11、
12、由上式可以看出，当光路系统的参数确定以后，f0、α、c都为已知，只要测出两束光的差频信号就可以求出被测物体的运动速度，再结合被测转体的半径，根据v＝ω·r就可以求出被测转体的转速ω。
13、上述测量方法具有精度高、动态响应快、测量范围大、非接触测量和能够进行远距离测量等优点，但在实际应用中这种方法存在几个明显的缺点：(1)这种方法对系统测量时的安装要求较高。双光束差动系统敏感的是横向(与两光束夹角平分线相互垂直的方向)速度，实际应用过程中很难保证两光束夹角平分线与转体上待测点的切向方向垂直。如果不垂直安装，会影响系统的测量精度；(2)这种方法是由被测转体边缘切向线速度间接求得转速，因此必须先测出被测转体的半径。某些应用场合(如地基安装的滚筒)下，被测转体(滚筒)的半径不方便测量或者不能精确测量，这就大大影响转速的测量精度。(3)这种方法对被测转体(滚筒)的圆度要求也很高，因为转速与半径直接相关，半径的波动就会导致测量转速的波动。
14、因此，本领域技术人员提供了一种激光多普勒瞬时转速测量装置及方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种激光多普勒瞬时转速测量装置及方法，
2、一种激光多普勒瞬时转速测量装置，包括激光器、准直镜、分束镜、衰减片、全反镜、滤光片、小孔光阑、光电探测器、双谱峰处理电路、等光程平行分光棱镜和被测转体，所述激光器、准直镜、分束镜、等光程平行分光棱镜、被测转体在同一方向上，且所述全反镜、衰减片、分束镜、滤光片、小孔光阑、光电探测器和双谱峰处理电路在同一方向上。
3、一种激光多普勒瞬时转速测量方法，所述激光器出射的激光经准直镜准直后，由分束镜分成强度相等的两束光，一束经衰减片和全反镜沿原方向返回，再经过分束镜、滤光片和小孔光阑入射到光电探测器上，为参考光；所述另外一束光经过等光程平行分光棱镜后形成相互平行的两束光入射到被测转体的表面上，所述两束光分别为出射光束1和出射光束2，这两束光各自的沿原方向返回的散射光，合在一起为信号光。
4、优选的，所述出射光束1和出射光束2都位于被测转体的上半部分，且出射光束1和出射光束2均位于被测转体的同一侧。
5、优选的，所述出射光束1和出射光束2与各自待测点切向方向的夹角不同，因此在信号光中包含两个不同的频率，系统采用双谱峰处理电路，能够精确提取两个多普勒频率，然后进行速度解算；
6、信号光与参考光在光电探测器光敏面上混频后将产生两个不同的多普勒频率
7、
8、
9、其中fd1是出射光束1沿原方向返回的散射光与参考光混频后对应的差频，即出射光束1对应的多普勒频率；
10、fd2是出射光束2沿原方向返回的散射光与参考光混频后对应的差频，即出射光束2对应的多普勒频率；
11、其中v1和v2均表示速度,λ表示波长；
12、两束光照射到被测转体表面的结构示意图如图4所示，则式(1)、式(2)可以表示为
13、
14、
15、其中α、β分别为出射光束1、出射光束2与被测点切向线速度的夹角，r为被测转体的半径，ω为被测转体的角速度。
16、再根据图中所示几何关系，将式(3)、式(4)进一步推导可得
17、
18、
19、其中a为出射光束1与被测转体的交点，c为出射光束2与被测转体的交点，o为被测转体的中心点，b为a关于o对称的点，d为b关于o对称的点，e为ab之间的中点，f为cd之间的中点，h为c与ab之间的垂点；
20、则两束光所产生的多普勒频率的差频信号为
21、
22、因此转速即为
23、
24、式中d为两平行光束之间的距离；
25、通过测量出射光束1与出射光束2之间的平行间距以及两束光所对应的多普勒频率之间的差值，再结合所用激光器的波长就可以直接求出被测转体的角速度。
26、可以看出该系统所采用的方法可以实时解算出被测转体的瞬时角速度，系统的安装角度或者被测转体的半径测量精度都不会影响角速度的测量。
27、本专利技术的技术效果和优点：
28、(一)直接测量转速，不需要通过线速度转换，由公式(8)可知利用λ、δfd、d可以直接结算出被测转体角速度。不用通过测量被测转体半径再由v＝ω·r间接进行测量；
29、(二)实时输出转速，传统的贴靶标的方法去计圈数所获得的是被测转体在一定时间内的平均转速，而该方法不存在由于计圈数存在±1的误差所引起的转速测量误差；
30、(三)安装方便，不需要像编码器方法同轴安装，而且系统的安装角度也不会影响转速的测量精度。只要保证两束出射光束位于被测转体的同一区域即可；
31、(四)对被测转体的圆度没有要求。由系统测本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种激光多普勒瞬时转速测量装置，其特征在于，激光器、准直镜、分束镜、衰减片、全反镜、滤光片、小孔光阑、光电探测器、双谱峰处理电路、等光程平行分光棱镜和被测转体，所述激光器、准直镜、分束镜、等光程平行分光棱镜、被测转体在同一方向上，且所述全反镜、衰减片、分束镜、滤光片、小孔光阑、光电探测器和双谱峰处理电路在同一方向上。
2.一种激光多普勒瞬时转速测量方法，利用权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激光器出射的激光经准直镜准直后，由分束镜分成强度相等的两束光，一束经衰减片和全反镜沿原方向返回，再经过分束镜、滤光片和小孔光阑入射到光电探测器上，为参考光；另一束光经过等光程平行分光棱镜后形成相互平行的两束光入射到被测转体的表面上，所述两束光分别为出射光束1和出射光束2，这两束光各自的沿原方向返回的散射光，合在一起为信号光。
3.根据权利要求2所述的一种激光多普勒瞬时转速测量方法，其特征在于，所述出射光束1和出射光束2都位于被测转体的上半部分，且出射光束1和出射光束2均位于被测转体的同一侧。
4.根据权利要求2所述的一种激光多普勒瞬时转速测量方法
...【技术特征摘要】
1.一种激光多普勒瞬时转速测量装置，其特征在于，激光器、准直镜、分束镜、衰减片、全反镜、滤光片、小孔光阑、光电探测器、双谱峰处理电路、等光程平行分光棱镜和被测转体，所述激光器、准直镜、分束镜、等光程平行分光棱镜、被测转体在同一方向上，且所述全反镜、衰减片、分束镜、滤光片、小孔光阑、光电探测器和双谱峰处理电路在同一方向上。
2.一种激光多普勒瞬时转速测量方法，利用权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激光器出射的激光经准直镜准直后，由分束镜分成强度相等的两束光，一束经衰减片和全反镜沿原方向返回，再经过分束镜、滤光片和小孔光阑入射到光电探测器上，为参考光；另一束光经过...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙文龙，孙运超，李洁，张博文，徐燕，王文静，
申请(专利权)人：长沙市岳麓山前沿交叉科学技术创新中心，
类型：发明
国别省市：
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