CN103063860A - 基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法 - Google Patents

基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103063860A
CN103063860A CN2013100140905A CN201310014090A CN103063860A CN 103063860 A CN103063860 A CN 103063860A CN 2013100140905 A CN2013100140905 A CN 2013100140905A CN 201310014090 A CN201310014090 A CN 201310014090A CN 103063860 A CN103063860 A CN 103063860A
Authority
CN
China
Prior art keywords
runner
laser
sine bellows
turning wheel
rotate speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2013100140905A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103063860B (zh
Inventor
杜静
倪小伟
罗敏
何玉林
谢双义
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University
Original Assignee
Chongqing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University filed Critical Chongqing University
Priority to CN201310014090.5A priority Critical patent/CN103063860B/zh
Publication of CN103063860A publication Critical patent/CN103063860A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103063860B publication Critical patent/CN103063860B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法，包括如下步骤：（1）、在转轮内、距离转轮中心半径为R的圆周方向上连续均布有正弦波纹，正弦波纹周期T满足
Figure 2013100140905100004DEST_PATH_IMAGE002
；（2）、激光发射器发射激光，激光从轴向上射入正弦波纹，在转轮的另一端通过线性耦合器测出折射后的位移；（3）、计算激光的入射角；（4）、计算转轮在时间间隔
Figure 2013100140905100004DEST_PATH_IMAGE004
内的速度v；（5）、由公式
Figure 2013100140905100004DEST_PATH_IMAGE006
计算出转轮的转速。本发明利用光在正弦波纹上的折射原理，构建了偏移距离与转速的函数关系，通过任意时刻偏移距离的测量即可得到此时刻的瞬时转速，实现了瞬时转速测量的连续性，为转速的精确测量提供了一种更有效的方法。

Description

基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法
技术领域
本发明涉及一种高速转轮转速测量方法，尤其涉及一种对于瞬时转轮转速测量要求较高的领域。
背景技术
转速是传动***中极为重要的一个状态参数,在很多运动***的测控中,都需要对转速进行测量,转速测量的精度很大程度上直接影响***的控制情况,只有对转速的高精度检测才能实现控制***的高精度，它是关系测控效果的一个非常重要的因素。
目前测量转速的方法主要有四种：机械式、电磁式、光电式和激光式。（一）机械式主要利用离心力原理，通过一个随轴转动的固定质量重锤带动自由轴套上下运动，根据不同转速对应不同轴套位置获得测量结果原理简单直接，测量精度不高。（二）电磁式***由电磁传感器和安装在轴上的齿盘组成，主轴转动带动齿盘旋转，齿牙通过传感器时引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲，通过脉冲得到转速值。由于受齿盘加工精度、齿牙最小分辨间隔、电路最大计数频率等限制，测量不能保证连续性，对于高精度的转速测量，测量精度不能保证。（三）光电式结构类似于电磁式结构，把旋转齿盘换作光电编码盘或黑白相间的反射条纹，把电磁传感器换作光电接收器，通过对反射回来的光脉冲信号计数得到测量结果，所测转速值和电磁式一样为两个计数脉冲间距的平均值，转速测量不连续，测量精度不能保证。（四）激光测速技术(LDV)是一种正在发展中的测速技术，通过激光多普勒效应获得转动体的瞬时角速度，理论上具有很高的瞬时转速测量精度，但目前实际产品精度不够高，并且价格昂贵，在实际使用上受到限制。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种连续测量转速，提高瞬时转速测量精确性的基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法，该方法包括如下步骤：
（1）、在转轮内、距离转轮中心半径为R的圆周方向上连续均布有正弦波纹，正弦波纹周期T 满足                                               
Figure 2013100140905100002DEST_PATH_IMAGE002
，正弦波纹由折射率为N的玻璃制成，正弦波纹在轴向上的厚度为
Figure 2013100140905100002DEST_PATH_IMAGE004
；
（2）、激光发射器从转轮的一端发射激光，激光从轴向上射入正弦波纹，经正弦波痕发生两次折射后，在转轮的另一端通过线性耦合器测出折射后的位移s；
（3）、通过下列公式计算出激光的入射角
Figure 2013100140905100002DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 2013100140905100002DEST_PATH_IMAGE008
；
上式中：位移s由线性耦合器测出， 
Figure 939580DEST_PATH_IMAGE004
为正弦波纹在轴向上的厚度，N为玻璃的折射率，h为正弦波纹波峰与波谷之间的中点在轴向方向上到线性耦合器的距离，将s、、N和h带入上式计算激光的入射角
Figure 670831DEST_PATH_IMAGE006
；
（4）、计算转轮在时间间隔内的速度v；
在
Figure DEST_PATH_IMAGE012
时刻由线性耦合器测得的位移为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，由步骤（3）计算出时刻激光的入射角；在时刻由线性耦合器测得的位移为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，由步骤（3）计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE022
时刻激光的入射角
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；时间间隔
Figure 959741DEST_PATH_IMAGE010
＝
Figure 369994DEST_PATH_IMAGE018
﹣
Figure 483444DEST_PATH_IMAGE012
；
由
Figure DEST_PATH_IMAGE026
计算出时间间隔
Figure 782576DEST_PATH_IMAGE010
内的速度v；
（5）、由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE028
计算出转轮的转速，R为正弦波纹距离转轮中心的半径。
本发明的有益效果是：本发明利用光在正弦波纹上的折射原理，构建了偏移距离与转速的函数关系，通过任意时刻偏移距离的测量即可得到此时刻的瞬时转速，实现了瞬时转速测量的连续性，为转速的精确测量提供了一种更有效的方法，解决了现有技术中转速测量不连续的缺点。
附图说明
图1为在转轮内设置正弦波纹的结构示意图；
图2为图1中沿A—A方向的结构示意图；
图3为激光发射器发射激光在玻璃上发生二次折射的结构示意图；
图4为正弦波纹上二次折射法向量偏转的修正的坐标图；
图5为激光发射器与正弦波痕相向运动的坐标图；
图6为基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法，该方法包括如下步骤：
（1）、在转轮内、距离转轮中心半径为R的圆周方向上连续均布有正弦波纹，正弦波纹周期T 满足，如图1所示，正弦波纹由折射率为N的玻璃制成，正弦波纹在轴向上的厚度为。
（2）、激光发射器从转轮的一端发射激光，激光从轴向上射入正弦波纹，经正弦波痕发生两次折射后，在转轮的另一端通过线性耦合器（本实施例中，线性耦合器采用线性CCD，即电荷耦合器）测出折射后的位移s，如图2所示。由于在整个圆周上分布着周期非常小的正弦波纹，由于其数量巨大，因此每一个周期都可认为是在直角坐标系下的标准正弦函数，通过激光发射器发射激光，经正弦波痕发生两次折射后，偏离
Figure DEST_PATH_IMAGE030
一定的距离s，由于激光发射器连续发射激光，随着激光发射器与正弦波痕的相对移动，折射后距离s同样为关于时间t的连续函数
Figure DEST_PATH_IMAGE032
。
（3）、通过下列公式计算出激光的入射角
Figure 539682DEST_PATH_IMAGE006
；
（3.1）、一次折射与二次折射的法向量平行情况下的理论
如图3，根据光的折射原理，当光以入射角
Figure 889892DEST_PATH_IMAGE006
由空气射入玻璃，同时经过玻璃射入空气，经过两次折射，入射光线和射出光线必定平行，却偏离一定的距离，设为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，玻璃的厚度为
Figure 291792DEST_PATH_IMAGE004
，根据折射原理作图， 
CD=
Figure 473375DEST_PATH_IMAGE034
Figure DEST_PATH_IMAGE036
则    
又因为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
所以
Figure DEST_PATH_IMAGE042
                                  （1）
根据光的折射定律 
Figure DEST_PATH_IMAGE044
(N为折射率)              （2）
（1）式和（2）式结合推出
Figure DEST_PATH_IMAGE046
      （3）。
（3.2）、考虑正弦波纹上二次折射法向量偏转的修正方程
如图4，由于在进行二次折射时，法向量与原来的法向量偏离一定的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，因此需要对原来的方程进行修正，通过坐标变换求偏转角
Figure 731224DEST_PATH_IMAGE048
，以EP为横坐标，EF为纵坐标建立坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE052
点坐标为（
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 942631DEST_PATH_IMAGE004
），以EH为横坐标，EQ为纵坐标建立坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，则点坐标为（
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
），
通过坐标转换公式有
Figure DEST_PATH_IMAGE064
即
Figure DEST_PATH_IMAGE066
         （4）
又因为
Figure DEST_PATH_IMAGE068
 即            （5）
将（5）式带入（4）式，
（4）式变为
Figure DEST_PATH_IMAGE072
 （6）
由（6）式推出
Figure DEST_PATH_IMAGE074
         （7）
又因为 ， 
Figure DEST_PATH_IMAGE078
  （其中
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为不考虑法向量偏转的情况下二次射出角，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
为实际情况下的二次射出角），
    （8）                              
上式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为实际情况与不考虑法向量偏角情况下的二次射出角之差。
Figure DEST_PATH_IMAGE088
   
上式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为实际情况与不考虑法向量偏角情况下的位移差，
Figure DEST_PATH_IMAGE091
为正弦波纹波峰与波谷之间的中点在轴向方向上到线性耦合器的距离。
在正弦函数上，光的入射角等于在此位置的函数切线的斜率，
三角函数切线的斜率等于在此点处的导数值
Figure DEST_PATH_IMAGE095
故有
Figure DEST_PATH_IMAGE097
即
即
Figure DEST_PATH_IMAGE101
               （9）
将（8）式带入（9）式
（10）
Figure DEST_PATH_IMAGE105
                 （11）
将（7）式代入（11）式
Figure DEST_PATH_IMAGE107
   （12）
如（12）式所示，正弦波纹厚度与折射率N均为已知，通过线性耦合器测出位移s，代入（12）式即可算出入射角
Figure 834975DEST_PATH_IMAGE006
。
（4）、计算转轮在时间间隔
Figure 136643DEST_PATH_IMAGE010
内的速度v；
如图5所示，激光发射器与正弦波痕相向运动，假设正弦波痕不动，激光发射器向右运动，在时刻位移为
Figure DEST_PATH_IMAGE109
，线性耦合器上测得的位移为
Figure 759703DEST_PATH_IMAGE014
，在
Figure 565722DEST_PATH_IMAGE022
时刻位移为，线性耦合器上测得的位移为
Figure 394001DEST_PATH_IMAGE020
。
在正弦函数上，光的入射角等于在此位置的函数切线的斜率，
故在
Figure DEST_PATH_IMAGE113
处  
Figure DEST_PATH_IMAGE115
在
Figure DEST_PATH_IMAGE117
处  
Figure DEST_PATH_IMAGE119
又因为三角函数切线的斜率等于在此点处的导数值
故
Figure DEST_PATH_IMAGE121
                                      （13）
Figure DEST_PATH_IMAGE123
                                         （14）
由（13）式和（14）式推出
Figure 383866DEST_PATH_IMAGE109
与
故在时间间隔内，位移增量为
Figure DEST_PATH_IMAGE125
设在此时间间隔
Figure 488460DEST_PATH_IMAGE010
内，速度
Figure DEST_PATH_IMAGE127
   （15）
由于与
Figure 490231DEST_PATH_IMAGE024
已有（12）式求出，将其带入（15）中即可求出速度v。
（5）、由公式
Figure 139518DEST_PATH_IMAGE028
计算出转轮的转速，R为正弦波纹距离转轮中心的半径。
传感器在测量转速时只需要测量激光的偏移距离s，故需要一个光电检测器检测偏移距离s，本文采用线性CCD，同时采用了DSP***进行信号处理，***结构如图6所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）、在转轮内、距离转轮中心半径为R的圆周方向上连续均布有正弦波纹，正弦波纹周期T 满足                                                
Figure 2013100140905100001DEST_PATH_IMAGE001
，正弦波纹由折射率为N的玻璃制成，正弦波纹在轴向上的厚度为
Figure 280509DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）、激光发射器从转轮的一端发射激光，激光从轴向上射入正弦波纹，经正弦波痕发生两次折射后，在转轮另一端通过线性耦合器测出折射后的位移s；
（3）、通过下列公式计算出激光的入射角
Figure 2013100140905100001DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 211556DEST_PATH_IMAGE004
；
上式中：位移s由线性耦合器测出， 
Figure 965885DEST_PATH_IMAGE002
为正弦波纹在轴向上的厚度，N为玻璃的折射率，h为正弦波纹波峰与波谷之间的中点在轴向方向上到线性耦合器的距离，将s、、N和h带入上式计算激光的入射角
Figure 101648DEST_PATH_IMAGE003
；
（4）、计算转轮在时间间隔
Figure 2013100140905100001DEST_PATH_IMAGE005
内的速度v；
在
Figure 967711DEST_PATH_IMAGE006
时刻由线性耦合器测得的位移为
Figure 2013100140905100001DEST_PATH_IMAGE007
，由步骤（3）计算出
Figure 147019DEST_PATH_IMAGE006
时刻激光的入射角；在
Figure 2013100140905100001DEST_PATH_IMAGE009
时刻由线性耦合器测得的位移为
Figure 940980DEST_PATH_IMAGE010
，由步骤（3）计算出
Figure 2013100140905100001DEST_PATH_IMAGE011
时刻激光的入射角
Figure 712365DEST_PATH_IMAGE012
；时间间隔
Figure 378969DEST_PATH_IMAGE005
＝
Figure 395467DEST_PATH_IMAGE009
﹣
Figure 893444DEST_PATH_IMAGE006
；
由
Figure DEST_PATH_IMAGE013
计算出时间间隔
Figure 38993DEST_PATH_IMAGE005
内的速度v；
（5）、由公式
Figure 989631DEST_PATH_IMAGE014
计算出转轮的转速，R为正弦波纹距离转轮中心的半径。
CN201310014090.5A 2013-01-15 2013-01-15 基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法 Expired - Fee Related CN103063860B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310014090.5A CN103063860B (zh) 2013-01-15 2013-01-15 基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310014090.5A CN103063860B (zh) 2013-01-15 2013-01-15 基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103063860A true CN103063860A (zh) 2013-04-24
CN103063860B CN103063860B (zh) 2014-04-09

Family

ID=48106571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310014090.5A Expired - Fee Related CN103063860B (zh) 2013-01-15 2013-01-15 基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103063860B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105954534A (zh) * 2016-06-15 2016-09-21 吉林大学 基于面结构光和光敏电阻的运动汽车轮速检测***

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5602946A (en) * 1995-12-22 1997-02-11 Ntn Technical Center (Usa) Fiber optic sensor system for detecting movement or position of a rotating wheel bearing
CN1209200A (zh) * 1996-02-27 1999-02-24 奥普托普通装置有限公司 可光编程的编码器装置和方法
JP2005345192A (ja) * 2004-06-01 2005-12-15 Advics:Kk 移動速度検出器及びその検出回路
CN101819092A (zh) * 2010-03-25 2010-09-01 重庆大学 安装在轴承上的耦合式智能轴承监测装置
CN102012435A (zh) * 2010-10-12 2011-04-13 深圳华鹰世纪光电技术有限公司 无源转速计数装置及其计数方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5602946A (en) * 1995-12-22 1997-02-11 Ntn Technical Center (Usa) Fiber optic sensor system for detecting movement or position of a rotating wheel bearing
CN1209200A (zh) * 1996-02-27 1999-02-24 奥普托普通装置有限公司 可光编程的编码器装置和方法
JP2005345192A (ja) * 2004-06-01 2005-12-15 Advics:Kk 移動速度検出器及びその検出回路
CN101819092A (zh) * 2010-03-25 2010-09-01 重庆大学 安装在轴承上的耦合式智能轴承监测装置
CN102012435A (zh) * 2010-10-12 2011-04-13 深圳华鹰世纪光电技术有限公司 无源转速计数装置及其计数方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨海马等: "一种新型光学转速测量方法的研究", 《仪器仪表学报》, vol. 26, no. 8, 31 August 2005 (2005-08-31), pages 85 - 87 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105954534A (zh) * 2016-06-15 2016-09-21 吉林大学 基于面结构光和光敏电阻的运动汽车轮速检测***

Also Published As

Publication number Publication date
CN103063860B (zh) 2014-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11579162B2 (en) Apparatus and method for measuring rotational speed of rotary shaft based on variable density sinusoidal fringe
CN103837095B (zh) 一种三维激光扫描方法及装置
CN203083579U (zh) 非开挖管道的高精度三维轨迹检测***
CN202230099U (zh) 风杯式光纤风速检测仪及风速探头
CN102967270B (zh) 测量发动机叶尖间隙的方法及其***
CN103983290A (zh) 复合型绝对值编码器
US4172994A (en) Electro-optic apparatus for measuring the speed of angular rotation of one body relative another using moire patterns
CN102853998A (zh) 变距动态目标模拟***及其使用方法
CN206193235U (zh) 一种电力巡检机器人用二维激光雷达标定装置
CN103471590A (zh) 一种运动惯性追踪***
CN103399165A (zh) 一种大型风电机组旋转检测装置
CN202649229U (zh) 一种激光反射式大靶面测速光幕靶
CN104076165B (zh) 非接触式瞬时转速传感方法
CN103063860B (zh) 基于正弦波纹上光的折射原理的转轮转速测量方法
GB2455800A (en) Method and apparatus for monitoring the rotational speed of a shaft
CN102798356A (zh) 一种伺服转动平台的精确角度测量方法
CN104019929B (zh) 基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法
CN102608348B (zh) 针对不规则脉冲信号测量转速的方法
CN104698217A (zh) 非接触式微分差相关瞬时速度传感方法
CN202421211U (zh) 多普勒测风激光雷达速度精确校准仪
CN103913217B (zh) 基于psd激光三角法的提升机主轴振动检测方法
CN105403723B (zh) 电机转速测量方法
CN103674470A (zh) Piv流场速度修正方法
US20200391705A1 (en) Aircraft wheel and brake assembly
CN203965127U (zh) 可便携的光电跟踪性能检测装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140409

Termination date: 20180115

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee