非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法。該方法是將旋轉(zhuǎn)物體端面或渦旋流場(chǎng)上的隨機(jī)圖像,通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像到光學(xué)空間濾波器對(duì)上,光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出兩組原始信號(hào);該原始信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理后,用中心頻率提取法得到信號(hào)的中心頻率,由中心頻率的變化關(guān)系得到旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)所在的位置,再根據(jù)旋轉(zhuǎn)中心所在的位置用中心頻率計(jì)算得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。本方法無需在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上安裝任何測(cè)量基準(zhǔn)或分度盤,具有非接觸性、抗干擾性強(qiáng)、誤差源少和成本低等特性,可遠(yuǎn)距離遙測(cè)旋轉(zhuǎn)物體或渦旋流場(chǎng)的純轉(zhuǎn)速,也可用于角位移和加速度等參量的測(cè)量。
【專利說明】非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械量、幾何量及流體物理量測(cè)量,具體涉及一種非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,屬于轉(zhuǎn)速檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]轉(zhuǎn)動(dòng)是一種廣泛存在的運(yùn)動(dòng)形式,如各類機(jī)床、動(dòng)力葉片、螺旋槳、跟蹤及瞄準(zhǔn)裝置等都有轉(zhuǎn)動(dòng)。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及其變化是確定轉(zhuǎn)動(dòng)裝置工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特性的重要參數(shù)。通過測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及其變化,可獲取轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、性能或運(yùn)動(dòng)特性,精確實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)功能,提高控制精度,也可獲取系統(tǒng)的故障信息等。液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)的渦旋流場(chǎng)也需要測(cè)量其旋轉(zhuǎn)速度。因此,瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等旋轉(zhuǎn)物體(質(zhì))檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分,有著廣泛的應(yīng)用。
[0004]目前,轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要是用柵式角位移傳感器,如感應(yīng)同步器、時(shí)柵、磁柵、容柵、光柵和角數(shù)字編碼盤等,來測(cè)量角位移量及其轉(zhuǎn)速?;跂攀絺鞲衅鞯霓D(zhuǎn)速傳感方法是通過測(cè)量轉(zhuǎn)過已知的或確定的角位移所用的時(shí)間來間接測(cè)量轉(zhuǎn)速的,可以達(dá)到很高的測(cè)量精度。但該類方法需要在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上準(zhǔn)確同心地安裝高精度的基準(zhǔn)分度盤,并在分度盤附近安裝信號(hào)拾取器,如光電探測(cè)器或磁頭等。另外還有基于標(biāo)記法的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法,它是在轉(zhuǎn)動(dòng)體上做一個(gè)光反射標(biāo)記,標(biāo)記的反射光經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),測(cè)量相鄰兩脈沖信號(hào)的時(shí)間得到標(biāo)記旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間,從而測(cè)量出轉(zhuǎn)速。但該方法只能測(cè)取旋轉(zhuǎn)物體的平均轉(zhuǎn)速,難以測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。同時(shí),上述方法都難以用于液態(tài)和氣態(tài)渦旋流場(chǎng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。
[0005]目前,性能最優(yōu)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法是光柵型角速度測(cè)量方法。該方法是在旋轉(zhuǎn)體上安裝一個(gè)已知柵距的動(dòng)圓光柵或粗圓光柵,在徑向?qū)ΨQ位置安裝兩個(gè)光電探測(cè)器,用粗圓光柵的條紋位移或用靜光柵與動(dòng)圓光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩爾條紋移動(dòng)而得到兩路正弦信號(hào);根據(jù)這兩路正弦信號(hào)的頻率來測(cè)量轉(zhuǎn)速。該方法較為成熟,可消除徑向晃動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響,分辨率和精度都很高,應(yīng)用最為廣泛。該方法的不足是:需在旋轉(zhuǎn)體上安裝光柵分度盤,因動(dòng)靜圓光柵間的間距小而易受油污和塵埃的影響,環(huán)境適應(yīng)能力較差,成本較高,難以消除偏心的影響等,同時(shí)也不能用于液態(tài)和氣態(tài)渦旋流場(chǎng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。
[0006]通過上述介紹可以看出,在現(xiàn)有純轉(zhuǎn)速測(cè)量方法中,其共同的不足是:I)需在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上安裝均勻的分度盤或基準(zhǔn)標(biāo)尺或做標(biāo)記,并需在分度盤或標(biāo)記附近安裝信號(hào)拾取器,難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測(cè)量。2)基準(zhǔn)分度盤、標(biāo)尺和信號(hào)拾取器的安裝將影響轉(zhuǎn)動(dòng)體的裝配結(jié)構(gòu)、特性(含設(shè)計(jì)、制作和安裝的簡(jiǎn)易性)以及功能的實(shí)現(xiàn),有時(shí)為避免影響旋轉(zhuǎn)體的特性而不允許安裝附加的分度盤,有時(shí)因結(jié)構(gòu)的限制而無法安裝分度盤,這些都給利用該方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量帶來了難度。3)信號(hào)拾取器或柵式傳感器的裝配總存在偏差,這會(huì)導(dǎo)致安裝誤差、偏心或相對(duì)運(yùn)動(dòng)(如軸向和徑向的竄動(dòng)等),會(huì)帶來測(cè)量誤差。4)現(xiàn)有方法難以同時(shí)用于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等物質(zhì)的轉(zhuǎn)速或其渦旋流場(chǎng)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足,本發(fā)明的目的是提供一種非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法。本方法不改變被測(cè)旋轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)和特性,對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力很強(qiáng);既可用于固態(tài)旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速測(cè)量,也可用于液態(tài)和氣態(tài)等物質(zhì)渦旋流場(chǎng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量;旋轉(zhuǎn)體的軸向及徑向晃動(dòng)、測(cè)量系統(tǒng)的安裝偏心和對(duì)準(zhǔn)誤差等均不影響測(cè)量結(jié)果,抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng),能夠遠(yuǎn)距離地測(cè)量絕對(duì)純轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)速度。
[0009]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的,采用了以下技術(shù)方案:
本發(fā)明所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于:(1)自然光或人造光源照射在任意旋轉(zhuǎn)物體的端面上并產(chǎn)生反射圖像;旋轉(zhuǎn)物體端面上的隨機(jī)圖像經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)成像到光學(xué)空間濾波器對(duì)上,所述光學(xué)空間濾波器對(duì)是由柵距相同的兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2平行排列而構(gòu)成,所述空間濾波器是由一個(gè)或多個(gè)梳狀空間濾波器組合而構(gòu)成,每個(gè)空間濾波器輸出一組準(zhǔn)正弦信號(hào),即該光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出兩組準(zhǔn)正弦信號(hào);所述平行排列是指兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2在其線陣列排列方向上是平行的、首尾分別對(duì)齊或錯(cuò)位一定距離的排列;(2)所述準(zhǔn)正弦信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后,用中心頻率提取法獲得所述兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率(f 1、f2); (3)用旋轉(zhuǎn)中心定位法確定旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置,再用所述中心頻率(fl、f2)和轉(zhuǎn)速計(jì)算法計(jì)算出所述旋轉(zhuǎn)物體的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速《,也可由此再計(jì)算出角加速度。
[0010]所述旋轉(zhuǎn)物體是固態(tài)或液態(tài)、氣態(tài)的旋轉(zhuǎn)物體或渦旋流場(chǎng)。
[0011]所述空間濾波器是由一個(gè)梳狀空間濾波器構(gòu)成,該梳狀空間濾波器是由多個(gè)光電探測(cè)器并列構(gòu)成的線陣列,該線陣列中各光電探測(cè)器的輸出信號(hào)相加后作為該空間濾波器的輸出信號(hào);所述光電探測(cè)器的光敏面寬度是相鄰兩個(gè)光電探測(cè)器之間距離的0.9^1.1倍,其優(yōu)化值是I倍。
[0012]所述空間濾波器是由兩個(gè)相同的梳狀空間濾波器在空間上交叉錯(cuò)位半個(gè)柵距排列而構(gòu)成,該兩個(gè)梳狀空間濾波器的輸出信號(hào)之差作為所述空間濾波器的輸出信號(hào);所述梳狀空間濾波器是由多個(gè)光電探測(cè)器并列構(gòu)成的線陣列,該線陣列中各光電探測(cè)器的輸出信號(hào)相加后作為所述梳狀空間濾波器的輸出信號(hào);所述光電探測(cè)器的光敏面寬度是所述梳狀空間濾波器中相鄰兩個(gè)光電探測(cè)器之間距離的0.1~0.6倍,其優(yōu)化值是0.5倍。
[0013]所述各光電探測(cè)器的輸出信號(hào)相加是指所述各光電探測(cè)器輸出信號(hào)的陰極和陽極分別連接在一起,或是將各光電探測(cè)器的信號(hào)分別輸出并經(jīng)信號(hào)處理后再相加。
[0014]所述中心頻率提取法是指將所述空間濾波器輸出的準(zhǔn)正弦信號(hào)進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集,或?qū)⑺龉鈱W(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)相加后再對(duì)其進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集,再用快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算出所采集數(shù)據(jù)的幅頻譜而得到準(zhǔn)正弦信號(hào)的幅頻譜,再以所述幅頻譜中基頻交流分量頻帶的極大幅值處的頻率作為該頻帶所對(duì)應(yīng)準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率。
[0015]所述中心頻率提取法是指對(duì)空間濾波器輸出的準(zhǔn)正弦信號(hào)用高頻脈沖和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到在其一個(gè)交變周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù),再用高頻脈沖的頻率除以該高頻脈沖數(shù)而得到該準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率。
[0016]在所述準(zhǔn)正弦信號(hào)比較小或有較大的噪聲時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行放大和濾波處理。在用所述中心頻率提取法獲得光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率時(shí),對(duì)兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)可以采用相同的中心頻率提取法,也可以采用不同的中心頻率提取法。
[0017]所述轉(zhuǎn)速計(jì)算法是指用所述旋轉(zhuǎn)中心定位法確定旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置后,根據(jù)旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)的位置計(jì)算瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ω ;所述瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ω的具體計(jì)算方法是:
當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2之間時(shí),則co=P(fl+f2)/L,
當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2的同一側(cè)時(shí),則o=p|fl-f2|/L, 式中,L是兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2間的距離,P是所述梳狀空間濾波器的柵距。
[0018]所述旋轉(zhuǎn)中心定位法是指在旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),用所述中心頻率提取法得到所述光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率(fl、f2)后,將所述光學(xué)空間濾波器對(duì)沿中心頻率較小的空間濾波器的方向平移一個(gè)距離,該平移距離確保被測(cè)旋轉(zhuǎn)體端面的隨機(jī)圖像經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)后能夠成像到光學(xué)空間濾波器對(duì)上即可;再次用所述中心頻率提取法得到所述光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的中心頻率(fV、f2');再用該四個(gè)中心頻率fl、f2、fl'、f2'計(jì)算系數(shù)k,根據(jù)系數(shù)k判定旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置;系數(shù)k的計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于:步驟如下, 1)旋轉(zhuǎn)物體端面上的隨機(jī)圖像經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)成像到光學(xué)空間濾波器對(duì)上,所述光學(xué)空間濾波器對(duì)是由柵距相同的兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2平行排列而構(gòu)成,所述空間濾波器是由一個(gè)或多個(gè)梳狀空間濾波器組合而構(gòu)成,每個(gè)空間濾波器輸出一組準(zhǔn)正弦信號(hào),即該光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出兩組準(zhǔn)正弦信號(hào); 2)再用中心頻率提取法獲得所述兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率H、f2; 3)用旋轉(zhuǎn)中心定位法確定旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置,再結(jié)合第2)步獲得的中心頻率,用轉(zhuǎn)速計(jì)算法計(jì)算出旋轉(zhuǎn)物體的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ω。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于:所述空間濾波器由一個(gè)梳狀空間濾波器構(gòu)成,該梳狀空間濾波器是由多個(gè)光電探測(cè)器并列構(gòu)成的線陣列,該線陣列中各光電探測(cè)器的輸出信號(hào)相加后作為該空間濾波器的輸出信號(hào);所述光電探測(cè)器的光敏面寬度是相鄰兩個(gè)光電探測(cè)器之間距離的0.9^1.1倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于:所述空間濾波器是由兩個(gè)相同的梳狀空間濾波器在空間上交叉錯(cuò)位半個(gè)柵距排列而構(gòu)成,所述梳狀空間濾波器是由多個(gè)光 電探測(cè)器并列構(gòu)成的線陣列,光電探測(cè)器的光敏面寬度是所述梳狀空間濾波器中相鄰兩個(gè)光電探測(cè)器之間距離的0.4^0.6倍;所述線陣列中各光電探測(cè)器的輸出信號(hào)相加后作為該梳狀空間濾波器的輸出信號(hào),該兩個(gè)梳狀空間濾波器的輸出信號(hào)之差作為所述空間濾波器的輸出信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于:所述中心頻率提取法是指將所述空間濾波器輸出的準(zhǔn)正弦信號(hào)進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集,或?qū)⑺龉鈱W(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)相加后再對(duì)其進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集,再用快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算出所采集數(shù)據(jù)的幅頻譜而得到準(zhǔn)正弦信號(hào)的幅頻譜,再以所述幅頻譜中基頻交流分量頻帶的極大幅值處的頻率作為該頻帶所對(duì)應(yīng)準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于:所述中心頻率提取法是指對(duì)空間濾波器輸出的準(zhǔn)正弦信號(hào)用高頻脈沖和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到在其一個(gè)交變周期內(nèi)的高頻脈沖數(shù),再用高頻脈沖的頻率除以該高頻脈沖數(shù)而得到該準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于:第3)步的用轉(zhuǎn)速計(jì)算法計(jì)算出旋轉(zhuǎn)物體的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ω的具體方法為, 當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2之間時(shí),則; 當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2的同一側(cè)時(shí),則《Wlfl-fZl/Z ; 式中,Z是兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2間的距離,/^是梳狀空間濾波器的柵距。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于--第3)步的用旋轉(zhuǎn)中心定位法確定旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置,具體方法為,在旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),用所述中心頻率提取法得到所述光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率H、f2后,將所述光學(xué)空間濾波器對(duì)沿中心頻率較小的空間濾波器的方向平移一個(gè)距離,再用所述中心頻率提取法得到平移后的光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的中心頻率fl'、f2',再用該四個(gè)中心頻率fl、f2、fl'、f2'計(jì)算系數(shù)左,根據(jù)系數(shù)々判定旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置;系數(shù)々的計(jì)算公式如下:
當(dāng)左〈I時(shí),判定旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2之間; 當(dāng)左>1時(shí),判定旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2的同一側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式瞬時(shí)轉(zhuǎn)速傳感方法,其特征在于--第3)步的用旋轉(zhuǎn)中心定位法確定旋轉(zhuǎn)物體旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置,具體方法為,在被測(cè)旋轉(zhuǎn)物體較穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),用所述中心頻率提取法得到所述光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)的中心頻率H、f2后,將所述光學(xué)空間濾波器對(duì)平移一個(gè)距離,再用所述中心頻率提取法得到平移后的光學(xué)空間濾波器對(duì)輸出的兩組準(zhǔn)正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的中心頻率fl'、f2',再用該四個(gè)中心頻率fl、f2、fl'、f2'計(jì)算系數(shù)J',根據(jù)系數(shù)J判定旋轉(zhuǎn)中心成像點(diǎn)在所述光學(xué)空間濾波器對(duì)上的位置;系數(shù)J.的計(jì)算公式如下:
當(dāng)JXO時(shí),判定旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2之間; 當(dāng)J'>0時(shí),判定旋轉(zhuǎn)中心的成像點(diǎn)在兩個(gè)空間濾波器SFl和SF2的同一側(cè)。
【文檔編號(hào)】G01P3/36GK104076165SQ201410335664
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】曾祥楷, 朱志雄, 劉全順, 陳陽, 陳閃閃 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)