基于PSD的转轴测量系统研究

　　1　引　言

　　在科学研究和工业生产中,经常需要对转子的转速及其偏心度进行测量。传统的转速测量方法一般有电磁检测法[1,2]和光电检测法[3]。电磁检测法是利用转子的转动,引起磁场的周期性变化,然后磁敏传感器将信号检测出来,从而得到转子的转速。但电磁式传感器测速仪易受电磁干扰,对周围环境要求高,安装调试困难。由于一般的光电转速测量仪则需要在转子表面贴上反射率较高的材料,因此这种方法并非完全意义上的非接触式测量。当油污、粉层比较严重时,用该方法测量的可靠性将大大降低。以上方法只能测量转子的转速,不能得到转子偏心度的参数。

　　转子的偏心度通常是采用机械接触的方法[4]检测转子表面轮廓的起伏而得到。这种接触式测量在实际应用中有很大的局限性。当转子的转速比较高时,这种测量方法就不再适用。也有用非接触式的方法,例如:采用变压器式位移传感器[5]或电涡流传感器[6]测量偏心度,但这些方法的传感器距离转子比较近,给安装调试带来了困难。

　　现提出了一种基于位置敏感探测器(position sensitive detector, PSD)的激光三角法非接触式光电检测方法。利用此方法设计制作的转轴测量系统,能够同时准确地检测出转子的转速和偏心度。该测量系统结构简单、安装方便、精度高、动态性能和可靠性好,能够用于在线实时测量。

　　2　工作原理

　　系统涉及激光三角法测距原理[7],如图1所示。激光束聚焦在物体的表面,产生漫反射,与入射光束成θ角度的透镜L把反射光汇聚在PSD探测器上形成像点。当物体的表面靠近激光器到A位置时,PSD上的像点向下移动到a点;同理,当物体的表面远离激光器到B位置时,PSD上的像点向上移动到b点。因此PSD上的像点位置的变化Δx1、Δx2分别反映了物体相应的移动ΔZ1、ΔZ2。

　　由简单的几何关系可以得到:

　　式(1)、式(2)中,l为激光束聚焦的物体表面到透镜L的距离,l′为PSD像面到透镜L的距离。

　　当Φ=90°,θ=45°,并且Δx1,2远小于n时,式(1),式(2)可以化简为:

　　式(3)、式(4)中,为光学系统的横向放大率。

　　综合式(3)、式(4)可以进一步得出物体任意位置的移动量ΔZ与PSD上像点的位置变化量Δx的关系:

　　二是偏心度测量原理,偏心度表示转子径向偏心的程度,一般用转子最大半径与最小半径之差来表示,如图2所示。当转子旋转一周时,系统所测得的最大位移量即是转子偏心度。如图2(b)中E的大小即为图2(a)转子的偏心度。