基于面內激光測振儀電動機轉速測量

汪輝， 宋耀東， 楊興， 宋云峰， 馬修水， 馬勰， 于凱東

（1.浙江大學，杭州 310000；2.舜宇智能科技有限公司，浙江 余姚 315400；3.浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波 315000；4.上海大學,上海 200072）

0 引言

電動機作為運動控制系統的核心部件在工業生產中被廣泛應用，然而電動機長期運行會發生故障，輕則影響正常生產，造成經濟損失，重則危害人身安全，因此需要對電動機運行狀態進行監測和診斷[1]。作為反映電動機工作狀態的一個重要參數，電動機轉速對于發現電動機故障有著至關重要的作用。

電動機轉速的測量方式有很多種，按照工作原理劃分，可以分為數字式、模擬式和同步式3種方式[2]。隨著計算機技術的快速發展和傳感技術的廣泛應用，數字式測量法和其他2種測量方法相比，優勢越來越大，因此現在普遍采用數字式測量法。根據測量原理來劃分，數字式測量法可分為3種：測頻法（M法）、測周期法（T法）、頻率周期同步法（同步M/T法）。M法是通過測量單位時間內脈沖發生器產生的脈沖數來計算轉速。T法是通過測量單孔碼盤2次脈沖間的時間，再以晶體振蕩產生的標準脈沖來度量這一時間，從而得出轉速。這2種測速方式各有適用范疇，測頻法一般用于高速測量，當轉速降低時，測量誤差也隨之增大。而測周期法一般用于低速測量，當轉速升高時，測量誤差也隨之增大。同步M/T法綜合這2種測量方式，它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內脈沖發生器所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速[3]。以上3種方法均需借助光電或磁電傳感器實現，即安裝光電編碼器或永久磁鋼等[4]。這些傳感器有的與電動機同軸連接，有的由電動機直接帶動旋轉，是典型的接觸式測量方法。在使用微電動機的一些場合，比如說動力調諧陀螺儀的驅動電動機上，如果使用這種方法，在電動機的驅動軸上安裝傳感器，在轉動中必然會產生附加力矩，從而對陀螺儀造成損害。在某些電動機的轉軸上甚至根本無法安裝傳感器，所以，這些方法也很難滿足遠距離遙測的要求。因此在電動機體積較小、被測空間有限和不能在電動機轉軸上附加物體等條件下，以上方法很難滿足測量要求。此外，由于需要安裝傳感器，傳感器的結構和安裝情況，會不可避免地帶來誤差。

本文介紹的面內激光多普勒測振儀（ILV-S01），采用非接觸式測量方法，靈敏度高、線性誤差小、動態響應快，能夠較精確地測量電動機轉速。

1 面內LDV測量原理

面內LDV測量光路原理如圖1所示，光束Ⅰ和光束Ⅱ2束光頻率相差fc=40 MHz,2束光經透鏡Ⅰ聚焦于被測物表面，散射光再經透鏡Ⅰ變為平行光，再經反射鏡反射，經過透鏡Ⅱ匯聚到光電接收器表面，最后由光電接收器將光電信號傳送給信號處理系統[5-6]。被測物以速度v運動，光束Ⅰ和光束Ⅱ與速度v的夾角分別為θ1和θ2，其中一束散射光與速度v的夾角為θ3，激光的頻率為f0，fc為聲光調制的頻率。則光束Ⅰ和光束Ⅱ在被測物表面發生散射后，產生的散射光多普勒頻移為[7]：

圖1 面內LDV測量光路圖

光本質上是一種電磁波，光束Ⅰ和光束Ⅱ散射光到達接收器的光振動可以寫為：

式中：A1和A2為光波振幅；φ1和φ2為初相位。光電接收器輸出i（t）正比于合振動的平方，因此

式中，B為常數，與光電接收器光電轉換效率有關[8]。

對上式平方項展開，濾去高頻光學頻率項，可以得到

直流項也可以通過濾波器濾掉。交流項的頻率為：

式中，α=θ1-θ2，在本實驗激光測振儀光學系統中，sin（α/2）=5/43，由此可得，被測物的速度v=43cΔf/（10f0），與多普勒頻移Δf呈線性關系。

光電接收器輸出的信號頻率為fc+Δf，如果直接由數據采集卡進行A/D采樣，為了防止頻譜混疊，采樣頻率至少為2（fc+Δf），即80 MHz+2Δf,現有數據采集卡不支持這么大的采樣頻率，故需要對信號進行頻譜遷移，以方便A/D采樣。設計鎖相放大器實現頻譜遷移，其結構如圖2所示。

圖2 鎖相放大器

相敏檢波器是鎖相放大器實現頻譜遷移的最重要環節。如圖2所示，輸入到相敏檢波器的測量信號和參考信號分別為：

式中，V1和V2分別為測量信號和參考信號的幅值。相敏檢波器本質上是個乘法單元，因此相敏檢波器實際上是進行了v1和v2的乘法運算，輸出結果為

對輸出進行積化和差運算，得到結果為兩項之和，第一項為兩輸入的差頻分量，第二項則為和頻分量。這樣，信號v1經過相敏檢波器之后，其頻譜在頻率軸上發生了偏移，即從原頻fc+Δf偏移到Δf和2fc+Δf，如圖3所示。

圖3 相敏檢波器的頻譜遷移

相敏檢波器前的放大器和帶通濾波器分別是為了放大信號和抑制噪聲，為了使中心頻率為0的信號通過，在相敏檢波器后放置一個低通濾波器，濾除中心頻率為2fc的信號以及頻帶之外的噪聲[9]。這樣信號就可以通過數據采集卡進行A/D采樣了，模擬信號轉換為數字信號后，再由計算機進行FFT處理，在頻譜圖上取幅值最大的頻率，即為頻差Δf。

2 實驗

直流電動機的轉軸是電動機輸出機械效率的主要部件，當輸入電壓恒定時，它能夠產生勻速的轉動，并且轉動的速度與輸入電壓成正比。本次實驗使用27A280型直流電動機，其額定電壓是12 V,額定轉速是7500 r/min,實際測量其轉軸直徑為3 mm。實驗裝置如圖4所示，實驗中，用直流穩壓電源給電動機施加12 V的直流電壓，因此理論上電動機主軸上一點的線速度為

圖4 入射光束與電動機轉軸位置示意圖

實驗時，將直流電動機豎直放置、轉軸空載，兩入射光束通過透鏡匯聚在轉軸側面上一點處[10]。調節電動機的相對位置，通過濾波器觀察輸出信號，當輸出信號頻率達到40 MHz時，信號強度達到最佳，如圖5所示。測量光束與被測轉軸的相對位置如圖4所示，兩束測量光束所在的平面垂直于轉軸軸線，這樣就可以利用面內LDV測速的原理測得轉軸上一點的線速度，利用簡單的換算關系即可得到電動機轉速。

圖5 信號強度最佳時控制箱輸出信號

調好電動機位置后，給電動機通電，轉軸以恒定速度轉動，光學頭采集電動機速度信號，對采集信號進行放大及濾波處理，再由數據采集卡進行采集，采集到的數據由專用軟件QuickSA進行數據處理得出轉動線速度。線速度和多普勒頻移的關系為

3 結果與誤差分析

為了驗證實驗系統的穩定性和可靠性，在保證信號強度較佳的前提下，在2個不同的位置進行了2次實驗，每次實驗均進行了2次通斷電，得到實驗數據如圖6所示。

圖6中系列1和系列2分別代表2次實驗，黑色和黃色線是每200個數據取平均值所得。可以看出，2次實驗數據重復性較好，移動平均后曲線較平滑，毛刺較少，說明數據較穩定。圖中可以看出，電動機轉速在1240 mm/s左右，即1.24 m/s，與理論速度1.18 m/s之間的相對誤差為5.1%，說明本激光測振儀能夠較好地測量電動機轉速。

實驗的誤差來源很多。有實驗系統本身的誤差，比如光路誤差、電路誤差等。還有由外界環境引起的誤差，比如雜散光的干擾、電源的不穩定[11]；分析這些誤差有助于進一步提高測量精度[12]。

圖6 兩次實驗測得電動機轉速數據

光路系統中的誤差可能來源于激光器、光電檢測器以及光學鏡面。激光器發出的光并不是頻率單一的單色光，頻率具有一定加寬并且不穩定，這些問題會導致計算多普勒頻移時發生偏差。激光的單色性取決于激光器的結構和制作工藝，激光器電源的不穩定會導致激光的不穩定，因此，應當選用性能良好、電源穩定的激光器，使用前將其預熱一段時間，使測量時頻率穩定。光電檢測器是獲取多普勒信號的關鍵器件，它的主要噪聲有熱噪聲、散粒噪聲、低頻噪聲和暗電流[13]，這些噪聲經過放大器后，會隨著信號一起被放大，所以應選用性能優良的光電檢測器。由于光學鏡面不可能是理想的鏡面，不可避免地會向周圍散射雜散光，并有一定的像差，這些雜散光的引入和像差的產生也會影響到光路系統[14]。因此，對光路的優化處理是很有必要的。

硬件電路也是主要的誤差來源。本次實驗中的電路要處理的信號中心頻率為40 MHz,已經到了射頻的范圍，所以電磁兼容設計對減小電路的誤差起了很關鍵的作用。為了抑制射頻信號的干擾，電子元器件應盡量采用貼片式的封裝，貼片封裝的電子元器件體積小、功耗小、暴露的引線部分小，可以大大減小電路元器件之間電磁發射帶來的影響，抑制電磁干擾[15]。此外，在信號傳輸過程中，應采用屏蔽電纜，屏蔽電纜的屏蔽層接地，可以減小外界信號的影響。其他誤差包括由于電動機安裝位置不理想引起的誤差，若電動機轉軸并非完全垂直于水平面，轉動時會引起誤差。同樣若電動機安裝得不牢固，電動機轉動的同時必然會附帶一定的振動，為后續信號帶來干擾。這就需要良好的緊固件和安裝方法。

4 結 論

用面內激光測振儀測量電動機轉速，實驗結果表明，測量準確度較高。相比于傳統加速度計需要依附在被測物表面，面內激光測振儀以激光作為信息攜帶的媒質，只需激光束照射到被測物表面即可，測量方便，不影響被測物狀態，可靠性更強。在物體振動和速度測量領域，激光測振儀都有廣闊的應用前景。

[參 考 文 獻]

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