DOI :10. 13741/j . cn ki . 11-1879/o4. 2006. 04. 025
第32卷第4期V ol . 32No . 4
2006年7月OP T ICA L T ECHN IQ U E July 2006
光学技术
1002-1582(2006) 04-0565-02 文章编号:
在线转子振动参数的光电检测
李静, 黄新龙, 赵罡
(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系光电技术实验室, 合肥 230027)
摘 要:为了测量在线转子的振动信息, 以半导体激光器为光源, 以PSD (position sensitive detector ) 为探测器, 基于光电三角测量法, 建立了一套包括软、硬件在内的激光测振系统。通过对该系统的标定实验表明, 实际位移与所测得的位移呈线性关系。在数据处理中, 对所得到的复杂时域振动信号进行了离散傅里叶变换(DFT ) , 从而在频率域获得了转子的振动频率和振幅信息。通过采用多线程高级编程技术, 解决了数据处理时间、图像及数据显示、存储时间之间的冲突, 实现了在线测量。经测试表明, 该测振系统的测量频率分辨率可达到0. 6Hz , 振幅不确定度小于±10μm 。
关
键
词:光电三角测量法; 离散傅里叶变换(DF T ) ; 振动模态
中图分类号:T N247 文献标识码:A
Photo _electric measurement on vibration parameters of on _line rotor
(Pho to _electric Laboratory , Department of P recisio n M achinery and Precision Instrument ,
U niversity o f Science and T echnology of China , Hefei 230027, China )
Abstract :In order to measure the vibration information of a ro to r on line , a laser vibration system including software and hardware is set up , based on diode laser as light source , PSD (position sensitive detector ) as receiver and photo _electric triangular measuring method . Calibra tio n tests on the sy stem show there is a linear relationship betw een the actual displacement and the measured displacement . I n the data process the measured complex time signal is co nverted into frequency signal by DF T to get vibration information regarding frequency and amplitude of the rotor . A dvanced prog ramming technique of multi _thread method is used to solve the conflict between the data processing time and image and data displaying , saving time . T ests demonstrate that the system has measuring capability of frequency resolution 0. 6Hz , amplitude uncertainty is less than ±10μm .
Key words :photo _electric triangular method ; DF T ; vibration modes
LI Jing , HU AN G Xin _lon g , ZH AO G an g
1 引 言
振动参数的测量对于机器的工作状况监控、故障诊断、产品质量控制、物体的动态响应等具有重要的研究意义。
采用光电测振具有以下优点:(1) 非接触式, 即反射的光载具有所需要的信息, 抗干扰能力强; (2) 测量灵敏度高, 信息量大, 在所获取的信息中基本上包含了被测物体的所有振动信息; (3) 由于电路中导线短, 探头与前期信号处理电路集成在一起, 且处于金属屏蔽状态, 所以有效地避免了强磁场的干扰。该方法的缺点是成本较高。
为了在磁场和真空环境下获取在线转子(最大工作振幅2mm , 最高工作频率500Hz ) 在不同转速时的振动频率和振幅, 建立了一套基于光电三角测量法的激光测振系统, 并对所得到的复杂时域信号进行了傅里叶变换。
2. 1 工作原理
图1所示为基于光电三角测量法的测头工作原理。图中激光器1以一定角度a 发出的激光落在被测物体2的表面, 光束被物体表面反射后经光学系统3成像在PSD (position sensitive detector ) 上。根据相似三角
图1 测头的工作原理图
[1]
形的关系可得到位移量X 与实际振幅d 的关系:
d =AB ·cos α·X /BO
(1)
2. 2 测量系统的组成
检测系统的组成如图2所示, 包括光电测头、模拟信号处理电路、A /D 转换电路、微机、信号处理显示软件等。由测头输出的模拟信号经过放大滤波等环节处理后, 经数据采集卡转换成数字信号, 通过微机对所接收到的数字信号进行处理后可得到被测物
2 测量装置的工作原理和组成
收稿日期:2005-08-15; 收到修改稿日期:2005-09-09 E -mail :lijing @ustc . edu . cn
作者简介:李静(1968_) , 女, 安徽省人, 中国科技大学精密机械与精密仪器系讲师, 博士研究生, 主要从事光电技术与仪器的研究。
的频率和振幅信息。
在该环境下的转子振动进行实时测量。转子由控制
电机带动, 控制电机的转速可调。图5所示是控制电机转速为50Hz 时测得的实时信号。由图可见, 在时域很难将频率与振幅信息分拣出来。为了获取物体的振动信息, 将时域信号的离散傅里叶变换(DFT ) 转换到频率域中去处理。式(2) 为DFT 的变换公式[2]:
N -1
3 测振系统的标定
为了检验系统测量的可靠性和不确定度, 建立了一套标定系统。 3. 1 标定装置的组成标定装置由微动工作台、控制电路、光电测量装置、微机等组成。图3所示为装置的组成及
X (k )=
n =0
n ) e ∑x (
-j (2π/N ) nk
图2 测量系统的组成
(k =0, 1, 2, …, N -1) (2)
式中:x (n ) (n =0, 1, 2, …,N -1) 为采样到的时间序列数字信号; X (k ) (k =0, 1, 2, …,N -1) 为经过DFT 变换后得到的离散频谱; 取N 为8192=2, 若采样频率f s =5kHz , 则频率域中频率的分辨率f s /N ≈0. 6H z 。由此可见, 在采样点数即N 不变的情况下, 提高采样频率会降低频率分辨率, 若想提高频率分辨率, 则单周期信号中的采样点数会下降, 会降低测量到的振幅精度。因此在实际应用中应根据对具体参数测量精度的要求来选择采样频率f s 和采样数N 。实测中, A /D 采集卡每次只能采集到4kbit 的数据, 为此采用了零嵌入, 以扩展窗口、达到N 值的要求和提高频率的分辨率。软件采用Visual C ++编制, 在奔4的微机上运行, 并采用了多线程高级编程技术[3], 以解决大数据量处理时间
和图形、数据显示存储时间的冲突, 实现在线测量。
13
其工作原理。转子固定在工作台上, 微动工作台中的螺杆的转动由步进电机控制。由于步进电机的步
距角为0. 9°, 因此步进电机每转一圈所移动的步数为360°/0. 9°=400。由于螺杆的螺距为0. 75mm , 故脉冲当量(工作台每移动一步对应的位移量) 为1mm /400=1. 875μm 。微机控制步进电机每移动一步可测得一次信号
。
图3 标定系统的组成
3. 2 标定结果
在标定机构中, 微动工作台的位移与由检测系统测量到的位移之间具有很好的线性关系。由于标定机构本身存在制造安装误差, 故以拟合曲线为理
图4 微动工作台位移与所测得的位移之间的关系
图5 测得的时间域信号 图6 测得的频谱图
图6所示为经过DFT 变换后得到的频谱图(省略了直流分量) 。由于电平信号与幅值存在对应关系, 因而根据频谱图可求得物体振动的不同频率及其与之相对应的振幅。该频谱图显示了在真空磁场条件下转子在策动频率为50H z 时的各阶振动模态[4], 以及转子各阶振动模态的振幅与频率的关系。由此可见, 在激振频率时振幅最大, 而其它模态的振幅会随着频率的增加逐渐减小。
想直线(图中略) , 所测得的数据相对于理想直线的均方差(数据的离散度) σ2. 61μm 。由于测量系1=统中存在电路温漂等影响因素, 所以对转子在同一位置进行了多次测量, 得到的数据均方差σ2
5 结 论
为了对在真空和磁场环境下的转子进行在线振
动测量, 建立了一套包括软件和硬件在内的光电测振系统。通过对该系统的标定, 证明了所测定的位
(下转第570页)
4 信号处理
将测头放入真空度约为5Pa 的磁场环境下, 对
5 视场分析
通过给出投射参数R , L , L 1对平行束的来源进行了分析。若平行束是由1号射线束提供的, 如图12所示, 则由1号射线束所提供的最大有效范围尺寸为x 1:
sin θ=
L 1/2L 1
2+
2
x 1=R sin θ
若平行束是由0号射线束
图13 0号射线束和2号图14 0号射线束和2号
射线束最大视场分析射线束最小视场分析
或者2号射线束提供的, 如图13所示, 则这两个射
线束能提供的最大有效范围尺寸为x 2:
sin θ1=
x 2R +L
根据仿真参数, 在本文的仿真计算中, 视场有效半径范围x 2=366. 6。而FDK 算法在10°锥角情况
下其有效半径范围为127. 51。由此可见, 本算法可以大大提高射线透照的视场范围。
sin θ2=
+L sin θ3=
L 1
L 1
R +
2
2
6 结 论
由以上分析可以看出, 利用本文所提出的锥形束射线RT 扫描方式的三维CT 重建算法对工件进行了RT 方式的扫描, 利用锥束射线重排成平行束的方法对物体进行了重建, 大大拓展了透照的视野范围, 保证了物体的重建精度。参考文献:
[1]Fel dkamp L A , Davis L C , Kress J W . Practical cone _beam algo -rithm [J ]. Opt SocA , 1984, 1(6) :612—619. [2]曾凯, 等. 圆轨道锥束重建精度与锥角关系的研究[J ]. CT 理论
与应用研究, 2003, 12(3) . [3]郭艳艳, 等. 大型试件CT 重构的一种方法[J ]. 测试技术学报,
2002, 16(4) . [4]S ivers E A . Use of multiple CT scans to accommodate large obj ects
and stretch dynamic range of detectabil ity [J ]. Nuclear Instruments and M ethods in Physics Research , 1995, B 99:761—764. [5]傅健, 路宏年. 扇束X 射线ICT 偏置扫描方式及其重构算法
[J ]. 光学技术, 2003, 29(1) . [6]庞彦伟, 王召巴. 大型试件的X 射线CT 检测方法探讨[J ]. 光
学技术, 2002, 28(2) .
[7]Grass M , Kohler Th , Proksa R . 3D cone _beam CT reconstruction
for circular traj ectories [J ]. Phys M ed Biol , 2000. 45(2) :329—347.
[8]王蔚林, 等. 利用投影数据重排进行锥形束体积重建的改进算
法[J ]. 东南大学学报(自然科学版) , 2004, 34(3) .
要求(θ1-θ2)≤θ3, 则可根据此条件来确定x 2。如图14所示, 0号射线束和2号射线束所提供
的最小有效范围尺寸为x 3:
sin θ1=x 3/sin θ2=L /sin θ3=(L 1/2) /
R +L R +L
R +(L 1/2)
要求(θ1-θ2)≤θ3, 则可根据此条件来确定x 3。
在求出x 1, x 2和x 3后, 必须验算是否有x 1≥x 3。如果不成立则说明投射参数设计不合理, 如果成立则说明视场最大有效范围为x 2。
(上接第566页)
移与实际位移呈线性关系, 且位移测量的不确定度小于±10μm 。经实际测量表明, 该测量系统灵敏度高, 可获取的信息量大, 电路经过了处理并得到了有效的屏蔽, 可在磁场环境下工作。在数字信号处理中, 复杂的离散时域信号经DFT 变换后可将其转换到频率域中去分析, 能快速方便地提取有用的信息。给出了转子在策动频率为50Hz 时各阶振动模态的频率与振幅。为了实现在线跟踪测量, 采用了多线程高级编程技术。测量中的采样频率和取样点数的选择不仅决定了频率分辨率, 而且还会影响到所测得的振幅精度。该系统的测量频率的分辨率可达0. 6Hz 。参考文献:
[1]赵丁选. 光机电一体化设计使用手册[M ]. 北京:化学工业出版
社, 2003. [2]罗翼, 程桂芬. 信号、系统与自动控制原理[M ]. 北京:机械工业
出版社, 2000.
[3]木林森, 高峰霞, 等. Visual C ++6. 0使用与开发[M ]. 北京:清
华大学出版社, 1998. [4]孙月明, 唐任仲. 机械振动学[M ]. 杭州:浙江大学出版社,
1991.
DOI :10. 13741/j . cn ki . 11-1879/o4. 2006. 04. 025
第32卷第4期V ol . 32No . 4
2006年7月OP T ICA L T ECHN IQ U E July 2006
光学技术
1002-1582(2006) 04-0565-02 文章编号:
在线转子振动参数的光电检测
李静, 黄新龙, 赵罡
(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系光电技术实验室, 合肥 230027)
摘 要:为了测量在线转子的振动信息, 以半导体激光器为光源, 以PSD (position sensitive detector ) 为探测器, 基于光电三角测量法, 建立了一套包括软、硬件在内的激光测振系统。通过对该系统的标定实验表明, 实际位移与所测得的位移呈线性关系。在数据处理中, 对所得到的复杂时域振动信号进行了离散傅里叶变换(DFT ) , 从而在频率域获得了转子的振动频率和振幅信息。通过采用多线程高级编程技术, 解决了数据处理时间、图像及数据显示、存储时间之间的冲突, 实现了在线测量。经测试表明, 该测振系统的测量频率分辨率可达到0. 6Hz , 振幅不确定度小于±10μm 。
关
键
词:光电三角测量法; 离散傅里叶变换(DF T ) ; 振动模态
中图分类号:T N247 文献标识码:A
Photo _electric measurement on vibration parameters of on _line rotor
(Pho to _electric Laboratory , Department of P recisio n M achinery and Precision Instrument ,
U niversity o f Science and T echnology of China , Hefei 230027, China )
Abstract :In order to measure the vibration information of a ro to r on line , a laser vibration system including software and hardware is set up , based on diode laser as light source , PSD (position sensitive detector ) as receiver and photo _electric triangular measuring method . Calibra tio n tests on the sy stem show there is a linear relationship betw een the actual displacement and the measured displacement . I n the data process the measured complex time signal is co nverted into frequency signal by DF T to get vibration information regarding frequency and amplitude of the rotor . A dvanced prog ramming technique of multi _thread method is used to solve the conflict between the data processing time and image and data displaying , saving time . T ests demonstrate that the system has measuring capability of frequency resolution 0. 6Hz , amplitude uncertainty is less than ±10μm .
Key words :photo _electric triangular method ; DF T ; vibration modes
LI Jing , HU AN G Xin _lon g , ZH AO G an g
1 引 言
振动参数的测量对于机器的工作状况监控、故障诊断、产品质量控制、物体的动态响应等具有重要的研究意义。
采用光电测振具有以下优点:(1) 非接触式, 即反射的光载具有所需要的信息, 抗干扰能力强; (2) 测量灵敏度高, 信息量大, 在所获取的信息中基本上包含了被测物体的所有振动信息; (3) 由于电路中导线短, 探头与前期信号处理电路集成在一起, 且处于金属屏蔽状态, 所以有效地避免了强磁场的干扰。该方法的缺点是成本较高。
为了在磁场和真空环境下获取在线转子(最大工作振幅2mm , 最高工作频率500Hz ) 在不同转速时的振动频率和振幅, 建立了一套基于光电三角测量法的激光测振系统, 并对所得到的复杂时域信号进行了傅里叶变换。
2. 1 工作原理
图1所示为基于光电三角测量法的测头工作原理。图中激光器1以一定角度a 发出的激光落在被测物体2的表面, 光束被物体表面反射后经光学系统3成像在PSD (position sensitive detector ) 上。根据相似三角
图1 测头的工作原理图
[1]
形的关系可得到位移量X 与实际振幅d 的关系:
d =AB ·cos α·X /BO
(1)
2. 2 测量系统的组成
检测系统的组成如图2所示, 包括光电测头、模拟信号处理电路、A /D 转换电路、微机、信号处理显示软件等。由测头输出的模拟信号经过放大滤波等环节处理后, 经数据采集卡转换成数字信号, 通过微机对所接收到的数字信号进行处理后可得到被测物
2 测量装置的工作原理和组成
收稿日期:2005-08-15; 收到修改稿日期:2005-09-09 E -mail :lijing @ustc . edu . cn
作者简介:李静(1968_) , 女, 安徽省人, 中国科技大学精密机械与精密仪器系讲师, 博士研究生, 主要从事光电技术与仪器的研究。
的频率和振幅信息。
在该环境下的转子振动进行实时测量。转子由控制
电机带动, 控制电机的转速可调。图5所示是控制电机转速为50Hz 时测得的实时信号。由图可见, 在时域很难将频率与振幅信息分拣出来。为了获取物体的振动信息, 将时域信号的离散傅里叶变换(DFT ) 转换到频率域中去处理。式(2) 为DFT 的变换公式[2]:
N -1
3 测振系统的标定
为了检验系统测量的可靠性和不确定度, 建立了一套标定系统。 3. 1 标定装置的组成标定装置由微动工作台、控制电路、光电测量装置、微机等组成。图3所示为装置的组成及
X (k )=
n =0
n ) e ∑x (
-j (2π/N ) nk
图2 测量系统的组成
(k =0, 1, 2, …, N -1) (2)
式中:x (n ) (n =0, 1, 2, …,N -1) 为采样到的时间序列数字信号; X (k ) (k =0, 1, 2, …,N -1) 为经过DFT 变换后得到的离散频谱; 取N 为8192=2, 若采样频率f s =5kHz , 则频率域中频率的分辨率f s /N ≈0. 6H z 。由此可见, 在采样点数即N 不变的情况下, 提高采样频率会降低频率分辨率, 若想提高频率分辨率, 则单周期信号中的采样点数会下降, 会降低测量到的振幅精度。因此在实际应用中应根据对具体参数测量精度的要求来选择采样频率f s 和采样数N 。实测中, A /D 采集卡每次只能采集到4kbit 的数据, 为此采用了零嵌入, 以扩展窗口、达到N 值的要求和提高频率的分辨率。软件采用Visual C ++编制, 在奔4的微机上运行, 并采用了多线程高级编程技术[3], 以解决大数据量处理时间
和图形、数据显示存储时间的冲突, 实现在线测量。
13
其工作原理。转子固定在工作台上, 微动工作台中的螺杆的转动由步进电机控制。由于步进电机的步
距角为0. 9°, 因此步进电机每转一圈所移动的步数为360°/0. 9°=400。由于螺杆的螺距为0. 75mm , 故脉冲当量(工作台每移动一步对应的位移量) 为1mm /400=1. 875μm 。微机控制步进电机每移动一步可测得一次信号
。
图3 标定系统的组成
3. 2 标定结果
在标定机构中, 微动工作台的位移与由检测系统测量到的位移之间具有很好的线性关系。由于标定机构本身存在制造安装误差, 故以拟合曲线为理
图4 微动工作台位移与所测得的位移之间的关系
图5 测得的时间域信号 图6 测得的频谱图
图6所示为经过DFT 变换后得到的频谱图(省略了直流分量) 。由于电平信号与幅值存在对应关系, 因而根据频谱图可求得物体振动的不同频率及其与之相对应的振幅。该频谱图显示了在真空磁场条件下转子在策动频率为50H z 时的各阶振动模态[4], 以及转子各阶振动模态的振幅与频率的关系。由此可见, 在激振频率时振幅最大, 而其它模态的振幅会随着频率的增加逐渐减小。
想直线(图中略) , 所测得的数据相对于理想直线的均方差(数据的离散度) σ2. 61μm 。由于测量系1=统中存在电路温漂等影响因素, 所以对转子在同一位置进行了多次测量, 得到的数据均方差σ2
5 结 论
为了对在真空和磁场环境下的转子进行在线振
动测量, 建立了一套包括软件和硬件在内的光电测振系统。通过对该系统的标定, 证明了所测定的位
(下转第570页)
4 信号处理
将测头放入真空度约为5Pa 的磁场环境下, 对
5 视场分析
通过给出投射参数R , L , L 1对平行束的来源进行了分析。若平行束是由1号射线束提供的, 如图12所示, 则由1号射线束所提供的最大有效范围尺寸为x 1:
sin θ=
L 1/2L 1
2+
2
x 1=R sin θ
若平行束是由0号射线束
图13 0号射线束和2号图14 0号射线束和2号
射线束最大视场分析射线束最小视场分析
或者2号射线束提供的, 如图13所示, 则这两个射
线束能提供的最大有效范围尺寸为x 2:
sin θ1=
x 2R +L
根据仿真参数, 在本文的仿真计算中, 视场有效半径范围x 2=366. 6。而FDK 算法在10°锥角情况
下其有效半径范围为127. 51。由此可见, 本算法可以大大提高射线透照的视场范围。
sin θ2=
+L sin θ3=
L 1
L 1
R +
2
2
6 结 论
由以上分析可以看出, 利用本文所提出的锥形束射线RT 扫描方式的三维CT 重建算法对工件进行了RT 方式的扫描, 利用锥束射线重排成平行束的方法对物体进行了重建, 大大拓展了透照的视野范围, 保证了物体的重建精度。参考文献:
[1]Fel dkamp L A , Davis L C , Kress J W . Practical cone _beam algo -rithm [J ]. Opt SocA , 1984, 1(6) :612—619. [2]曾凯, 等. 圆轨道锥束重建精度与锥角关系的研究[J ]. CT 理论
与应用研究, 2003, 12(3) . [3]郭艳艳, 等. 大型试件CT 重构的一种方法[J ]. 测试技术学报,
2002, 16(4) . [4]S ivers E A . Use of multiple CT scans to accommodate large obj ects
and stretch dynamic range of detectabil ity [J ]. Nuclear Instruments and M ethods in Physics Research , 1995, B 99:761—764. [5]傅健, 路宏年. 扇束X 射线ICT 偏置扫描方式及其重构算法
[J ]. 光学技术, 2003, 29(1) . [6]庞彦伟, 王召巴. 大型试件的X 射线CT 检测方法探讨[J ]. 光
学技术, 2002, 28(2) .
[7]Grass M , Kohler Th , Proksa R . 3D cone _beam CT reconstruction
for circular traj ectories [J ]. Phys M ed Biol , 2000. 45(2) :329—347.
[8]王蔚林, 等. 利用投影数据重排进行锥形束体积重建的改进算
法[J ]. 东南大学学报(自然科学版) , 2004, 34(3) .
要求(θ1-θ2)≤θ3, 则可根据此条件来确定x 2。如图14所示, 0号射线束和2号射线束所提供
的最小有效范围尺寸为x 3:
sin θ1=x 3/sin θ2=L /sin θ3=(L 1/2) /
R +L R +L
R +(L 1/2)
要求(θ1-θ2)≤θ3, 则可根据此条件来确定x 3。
在求出x 1, x 2和x 3后, 必须验算是否有x 1≥x 3。如果不成立则说明投射参数设计不合理, 如果成立则说明视场最大有效范围为x 2。
(上接第566页)
移与实际位移呈线性关系, 且位移测量的不确定度小于±10μm 。经实际测量表明, 该测量系统灵敏度高, 可获取的信息量大, 电路经过了处理并得到了有效的屏蔽, 可在磁场环境下工作。在数字信号处理中, 复杂的离散时域信号经DFT 变换后可将其转换到频率域中去分析, 能快速方便地提取有用的信息。给出了转子在策动频率为50Hz 时各阶振动模态的频率与振幅。为了实现在线跟踪测量, 采用了多线程高级编程技术。测量中的采样频率和取样点数的选择不仅决定了频率分辨率, 而且还会影响到所测得的振幅精度。该系统的测量频率的分辨率可达0. 6Hz 。参考文献:
[1]赵丁选. 光机电一体化设计使用手册[M ]. 北京:化学工业出版
社, 2003. [2]罗翼, 程桂芬. 信号、系统与自动控制原理[M ]. 北京:机械工业
出版社, 2000.
[3]木林森, 高峰霞, 等. Visual C ++6. 0使用与开发[M ]. 北京:清
华大学出版社, 1998. [4]孙月明, 唐任仲. 机械振动学[M ]. 杭州:浙江大学出版社,
1991.