双频激光干涉转速测量新方法

　　1　引言

　　测量转速一般采用定角测时或定时测角的方法。这两种测量方法均具有局限性,一是不能测量转速的瞬时值;二是转速测量误差受时间测量误差和转角测量误差的制约。时间测量误差虽已达到10-9~10-11数量级,而转角测量误差目前还仍徘徊在10-4~10-5数量级上。为解决上述问题本文提出了一种新的双频激光干涉转速测量方法。

　　2　工作原理

　　测量原理如图1所示,由激光器1发出的左旋和右旋偏振光,频率分别为f1和f2,并且f1和f2相差很小,经过λ/4波片2后变成偏振方向互相垂直的线偏振光,又经过分光镜3分为两束光,其中反射光经检偏器4和聚焦透镜5发生干涉并被光电接收器6接收,作为参考信号。透射光经偏振分光镜13后分为两束,垂直方向的偏振光发生反射,平行方向的偏振光穿过偏振分光镜。反射光经λ/4波片11后照射到角锥反射棱镜10上,此路光线反射回来再次经过λ/4波片11,由于光线两次经过λ/4波片,其偏振方向旋转90°,因此返回的光线偏振方向变为平行方向,直接穿过偏振分光镜13和λ/4波片14。

　　此光束经反射镜17反射到角锥棱镜18、20,并经反射镜22反射后沿原路返回,由于此路光线也是两次经过λ/4波片,偏振方向旋转90°,变成垂直方向,经过偏振分光镜13后被反射到λ/4波片12和反射镜15上。返回的光线又是两次经过λ/4波片12,其偏振方向变成平行方向,因此直接穿过偏振分光镜13到达光电接收器7上;在原始入射到偏振分光镜的光束中,偏振方向平行的光线经λ/4波片12照射到反射镜15上,返回光线由于两次经过λ/4波片12,其偏振方向变成垂直方向,因此经偏振分光镜后被反射到λ/4波片14、反射镜16上,返回的光线两次经过λ/4波片14,偏振方向旋转90°变成平行方向,直接穿过偏振分光镜13、λ/4波片11,并经角锥棱镜10再经过λ/4波片11后偏振方向变为垂直方向,被偏振分光镜反射,并与另一路光线发生干涉,干涉信号由光电接收器7接收,作为测量信号。光电接收器6、7接收的干涉信号表达式分别为:

式中:E6、E7为光电接收器接收的干涉信号; A6、A7为信号幅值;t为时间;Δf为由于角锥棱镜18、20在离心力作用下发生位移而产生的多普勒频差。将两路信号送入到信号处理电路中进行处理,找出Δf与转速的关系,即可实现转速测量。

　　3　系统的特性分析

　　3.1　转速与Δf的关系

　　结构上设置角锥棱镜与弹性体联在一起,弹性体是一平行四边形梁式结构,如图2所示。这种结构的弹性体有如下特点:(1)弹性体的可动端沿作用力方向保持平动;(2)该结构属框架的结构,抗偏载能力强;(3)刚度较低,适于小力值测量或位移测量。在这里利用的是它的平动性进行位移测量,并把位移量转换成转速量,当转台的转速固定时,作用在角锥棱镜上的离心力与弹性力大小相等而方向相反,即: