振动测量及监控系统

摘要

本发明提供一种振动测量及监控系统，用以对一被测物的振动进行测量或监控。该振动测量及监控系统包括：一激光系统，该激光系统可发射一激光束；一光感测系统，该光感测系统与上述激光系统相对设置，该光强度变化为其中，x代表坐标轴，xa代表被测物在x坐标轴所在位置，x0是光束的中心，W为光束截面半径，上述被测物部分阻断激光系统及光感测系统之间的光束；一处理系统根据感测系统感测的结果处理计算被测物的振动。其采用光学非接触式测量，可对高速运动物体进行振动量测，且可抗电磁干扰及强辐射、测试频带宽、精度和灵敏度高，应用领域大大扩展。

权利要求

1.一种振动测量及监控系统，用以对一被测物的振动进行测量或监控，其特征在于该振动测量及监控系统包括一激光系统、一光感测系统及一处理系统，上述激光系统可发射一激光束，上述光感测系统与上述激光系统相对设置，用以感测上述激光系统发出的激光束传输至光感测系统的光强度变化，该光强度变化为其中，x代表坐标轴，xa代表被测物在x坐标轴所在位置，x0是光束的中心；W为光束截面半径，是高斯光束的半径，即光束中心点的光强度I0自中心点向两边降至光强度I0的e-2倍时，两点间跨越距离的一半；上述被测物部分阻断激光系统及光感测系统之间的光束，上述处理系统接收光感测系统输出的信号经转换处理计算被测物的位置，再结合时间的量测，计算处理出被测物的振动结构。

2.如权利要求1所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该振动测量及监控系统进一步包括一结果输出装置。

3.如权利要求1所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该激光系统由激光器与多个透镜构成。

4.如权利要求3所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该激光器是气体激光器。

5.如权利要求3所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该激光器是氦-氖激光器。

6.如权利要求1所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该激光束为高斯光束。

7.如权利要求1所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该光感测系统包括一光传感器。

8.如权利要求7所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该光传感器为光敏二极管。

9.如权利要求1所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该处理系统为一计算机系统。

10.如权利要求1所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该处理系统为一微处理器。

11.如权利要求2所述的振动测量及监控系统，其特征在于：该结果输出装置为显示接口、打印设备、报警系统中一种或几种相结合。

说明书

【技术领域】

本发明是关于一种测量及监控系统，特别是关于一种振动的测量及监控系统。

【背景技术】

振动测量及监测覆盖了机械、电子、建筑、地质等广泛领域，在研究材料的特性方面也有很大的应用背景。特别是随着3C产品小型化、轻量化的发展趋势，制造3C产品的精密模具及精密加工技术需要以高速主轴进行低切削量的快速切削，而主轴本身轴承的摩擦或偏心将会导致高速精密主轴产生振动，进而影响精密加工的精度。另外，这些包括高速旋转轴的机器具有固有的共振频率，当机器旋转部件的工作频率与机器的固有频率吻合时，就会增加机器及旋转部件的振动，甚至会发生故障，导致可能的破坏，这包括加工精度不够、机械断裂、甚至人身伤害。为了提高机器的加工精度、减少对机器的损害及对人身的伤害，就必须对机器旋转部件的振动进行测量或监测，使机器在超出可接受振动极限或共振点附近时可以关闭或暂停机器，或由一种控制设备在机器超出不同设定限制范围时执行不同的动作，让振动恢复至可接受的限制范围内。从而保证加工产品的精度且避免工作在共振点的附近，进而避免损坏或是避免发生进一步的损坏。

目前，常用的振动测量装置是采用测量线圈在磁场中运动而产生的电动势大小来判断振动的结构，由于磁场本身的不均匀分布很难消除，且一些设备或仪器工作过程中亦会产生一些磁场分布，因此存在测量振动的频带不够宽，振幅的动态范围小，特别是在测量微弱振动信号时灵敏度低，使得其应用领域受到很大限制。

一种现有轴承振动加速度测量的信号的拾取装置的结构，如图6所示，其用以拾取轴承20的振动，其由加速度计21、测力弹簧22、传动杆23、底座24、端盖25、套筒26等结构组成，传动杆21与轴承26的非转动部分相接触，在振动测量时，被测轴承20的内圈被驱动轴(图未示)驱动旋转，轴承20外圈受轴向负载的作用保持静止，轴承20外圈外径表面径向振动通过传动杆23传入加速度计21并转变成电荷量由电缆输出，进而分析其振动。

上述测量方法均为接触式测量，其需要与被测物体相接触才能有效感知被测物的振动状态，故，其无法直接量测高速旋转物体如精密机械加工的高速旋转轴的振动。

【发明内容】

鉴于以上内容，有必要提供一种非接触振动测量及监控系统。

一种振动测量及监控系统，用以对一被测物的振动进行测量或监控，其包括：一激光系统，该激光系统可发射一激光束；一光感测系统，该光感测系统与上述激光系统相对设置，该光感测系统与上述激光系统相对设置，用以感测上述激光系统发出的激光束传输至光感测系统的光强度变化，该光强度变化为其中，x代表坐标轴，xa代表被测物在x坐标轴所在位置，x0是光束的中心，W为光束截面半径，上述被测物部分阻断激光系统及光感测系统之间的光束；一处理系统接收光感测系统输出的电流信号且经转换处理计算被测物的位置，再结合时间的量测，计算处理出被测物的振动结构。

相对现有技术，所述振动测量及监控系统利用激光的光束受到物体遮蔽后，产生光强度变化，利用光传感器测得光强度变化而输出的电流信号的改变，即可结合时间的量测计算出物体的振动量。其采用光学非接触式测量，被测物体-旋转轴始终不接触测量系统，可避免使被测物体-旋转轴表面会因摩擦而导致受损，且可对高速运动物体进行振动量测。且其未利用常规压电传感器，其可抗电磁干扰及强辐射、测试频带宽、精度高，应用领域大大扩展。

另外，因光束传播速度快，其对振动变化的响应快，进而能测量到的振动频带宽。

再次，因光感测系统可测知的强度变化范围大，因而可测量的振幅的动态范围大，且振动信号甚至微弱振动信号引起的光强度变化均能被光接受组件所接收，故灵敏度高。

【附图说明】

图1是本发明振动测量及监控系统较佳实施方式的示意图；

图2是本发明振动测量及监控系统的激光系统较佳实施方式示意图；

图3是本发明振动测量及监控系统较佳实施方式振动扫描示意图；

图4是高斯激光束的场分布特性图；

图5(A)是高斯激光束的光强度分布曲线图；

图5(B)是高斯激光束的光强度积分区域示意图；

图6是现有振动测量示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式的振动测量及监控系统1用以测量或监控一旋转轴10的振动结构，该振动测量及监控系统1包括：一激光系统11、一光感测系统12及一处理系统(图未示)以及一结果输出装置(图未示)。激光系统11用以发出平行的激光束13，其由激光器111及多个透镜112构成，该激光器111通常为气体激光器，如氦-氖激光器，其发出的激光束为高斯光束。光感测系统12与激光系统11相对设置，其通过光传感器121感测入射至其表面的光强度分布并转换为电流信号输出。处理系统可为计算机系统或微处理器，其接收光感测系统12输出的电流信号经转换处理计算旋转轴的位置(详后述)，再结合时间的量测，计算处理出转轴的振动结构。结果输出装置用以将所测量旋转轴的振动结构输出，其可为一显示接口或打印设备，亦可为自动报警系统，处理系统中设定其正常振动范围，当被测物体振动超出设定范围即通过自动报警系统给操作人员警示或由控制装置自动调节。

工作时，使被测量旋转轴10垂直与激光束13置于激光系统11及光感测系统12之间，开启该振动测量及监控系统1，激光系统11发出激光束13，该激光束13部分为旋转轴10所阻断。当旋转轴10转动时，旋转轴10在其径向振动，使激光束13被旋转轴10所阻断的部分发生变化，从而入射至光感测系统12的光强发生变化，光感测系统12将光强的变化信号转变成电流信号输给处理系统，处理系统处理计算出转轴的位置，并结合时间的量测得出转轴的振动结构并通过输出装置输出。

可以理解，如非特殊需要，亦可省去结果输出装置，而由控制设备直接根据测量或监控结果控制机器的运转，另，本发明振动测量及监控系统亦可对其他非旋转轴的振动进行测量及监控。

请参图4至图5，所述振动测量及监控方法是应用激光刀缘法原理，以下就本振动测量及监控方法的实现原理进行详细说明。当激光以基本的横向电磁模态震荡，则产生的光束强度为高斯空间分布形态，如此的激光束13称为高斯光束，其电场分布，如图3所示，若以数学模型来表示，则可写成：

$E(r,z)=E_0\frac{W_0}{W\left(z\right)}\times \exp (-\frac{r^2}{W^2\left(z\right)})---\left(a\right)$

$\times \exp \{-j[\mathrm{kz}-\tan \left(\frac{z}{z_R}\right)\left]\right\}---\left(b\right)---(\mathrm{Eq}-1)$

$\times \exp [-\mathrm{jk}\frac{r^2}{2R\left(z\right)}]---\left(c\right)$

上式等号后第一项(a)为一振幅因子(Amplitude factor)，其表示振幅r值而改变的关系；而第二项(b)为光波沿轴向(longitudinal)z的相位变化关系；第三项(c)则为表示光波沿径向(Radial)r的相位变化关系。

其中，r＝(x2+y2)0.5，W0为束腰半径(Beam waist radius)，E0为束腰处的电场强度，λ为波长，j为虚数符号。在该平面上，光波波前(Wave front)的曲率半径R(0)→∞，为一平面且光束的直径最小。W(z)和R(z)分别为距束腰半径(Beam waist)距离为z的平面上的光点半径(Spot size或Beamsize)及其波前的曲率半径，且波数若把原点(z＝0)设在腰部则：

$W\left(z\right)=W_0{[1+{\left(\frac{\mathrm{\lambda z}}{\pi {W_0}^2}\right)}^2]}^{1/2}=W_0{[1+{\left(\frac{z}{z_R}\right)}^2]}^{1/2}---(\mathrm{Eq}-2)$

$R\left(z\right)=[1+{\left(\frac{\pi {W_0}^2}{\mathrm{\lambda z}}\right)}^2]=z[1+{\left(\frac{Z_R}{Z}\right)}^2]---(\mathrm{Eq}-3)$

上式中，定义为雷利范围(Rayleigh range)，束腰(Waist)处距离为ZR(Z＝ZR)的平面上，其光点面积正好为束腰面积(Waist area)的两倍且其波曲率半径R为最小。

当光束传播距离z＞＞zR时，R≈z，高斯光束近似一位在腰部的点光源发出的光，其法发散角(Divergence angle)可近似为：

$\theta =\frac{\mathrm{dW}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=\frac{W_0}{Z_R}=\frac{\lambda }{\pi W_0}---(\mathrm{Eq}-4)$

由此可见W0及λ决定了高斯光束的所有性质。

由于光波的电场变化甚快，故在检测上皆以光强度的方式处理。而通常检测系统是检测到光的强度分布而不是振幅，因此由(Eq-1)式和其公轭复数相乘而得光的强度分布，以直角坐标表的如下：

$I=E·E^{*}$

$=I_0\exp \left\{\frac{-2[{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}{W^2}\right\}---(\mathrm{Eq}-5)$

其中x0，y0是光束的中心；I0＝Imax为光束中心点的光强度；W为光束截面半径(spot size或beam size)，是高斯光束的半径，定义成：光强度I0自中心点向两边降至I0的e-2(约为0.1353倍)时，两点间跨越距离的一半。

请同时参阅图1与图4，假定扫描的方向是x轴，则未被旋转轴10遮避的部分激光束13，经由传感器121所接受的光强度信号为：

$S\left(x_a\right)=\underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\underset{x_a}{\overset{\infty }{\int }}I(x,y)\mathrm{dxdy}$

$=\underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\underset{x_a}{\overset{\infty }{\int }}{I}_0\exp \left\{\frac{-2[{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2]}{W^2}\right\}\mathrm{dxdy}---(\mathrm{Eq}-6)$

$=I_0{\left(\frac{{\mathrm{\pi W}}^2}{2}\right)}^{\frac{1}{2}}\underset{x_a}{\overset{\infty }{\int }}\exp \left\{\frac{-2{(x-x_0)}^2}{W^2}\right\}\mathrm{dx}$

其中xa为旋转轴10边缘在x坐标轴所在位置。

由上式(Eq-6)可得到整个激光束区域的光强度分布曲线如图5(A)所示。今考虑两个位置的相应差值，亦即xk与xk+Δx所对应的光强度信号差为：

$S_A\left(x_k\right)-S_B(x_k+{\Delta }_x)={\int }_{-\infty }^{\infty }{\int }_{x_k+{\Delta }_x}^{x_k}I(x,y)\mathrm{dxdy}---(\mathrm{Eq}-7)$

上式(Eq-7)的结果相当于图5(B)中类似狭缝区域部分的光强度作积分。

若将S(xa)除上激光总能量引起的信号S(∞)；即全部激光束13未被遮断(xa→-∞)的总能量信号，则可将S(xa)做正规化处理，得一无因次量光强度信号，抵抗因环境挠动造成量测信号的变化为：

$\bar{S}\left(x_a\right)=\frac{S\left(x_a\right)}{S(\infty )}={\left(\frac{2}{\pi W^2}\right)}^{\frac{1}{2}}{\int }_{x_a}^{\infty }\exp \left[\frac{-2(x-x_0)}{W}\right]\mathrm{dx}---(\mathrm{Eq}-8)$

通过以上所述数学模型，通过被测转轴阻断光源与光传感器之间的光束，造成传感器表面光强度变化，利用光传感器测知光强度变化输出变化的电流信号，再经过ADC(模拟-数字转换器，Analog-Digital converter)转换后以计算机或微处理器经Eq-7、Eq-8计算到转轴位置，结合时间轴的测量，则可以得到转轴的振动量。