非接觸式微分差相關(guān)瞬時(shí)速度傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械量、幾何量及流體物理量測(cè)量，具體涉及一種非接觸式微分差相關(guān)瞬時(shí)速度傳感方法，屬于速度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]線(xiàn)速度和轉(zhuǎn)速等參量是確定氣液固態(tài)物或其系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性或工作狀態(tài)的重要參數(shù)。通過(guò)測(cè)量速度參量，可了解和判斷這些物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和性能，能監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害或?yàn)?zāi)難事故，可提高控制機(jī)械或其系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，提取故障信息以用于系統(tǒng)的故障診斷等。因此，速度測(cè)量是檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，在運(yùn)動(dòng)機(jī)械及其系統(tǒng)、氣體及流體的監(jiān)測(cè)或故障診斷中有很廣泛的應(yīng)用。
[0004]目前，應(yīng)用較廣、精度較高、可用于瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度的傳感方法主要是基于如光柵、磁柵、時(shí)柵和角數(shù)字編碼盤(pán)等角位移傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。這類(lèi)方法需在被測(cè)體上安裝高精度的柵式分度盤(pán)，并在分度盤(pán)附近安裝信號(hào)拾取裝置，其裝置笨重、復(fù)雜、不便于安裝，難以同時(shí)用于氣液固態(tài)物線(xiàn)速度和轉(zhuǎn)速的非接觸式測(cè)量。而適于非接觸式測(cè)量速度的方法主要有激光多普勒法(LDV)、粒子圖像測(cè)速法(PIV)、空間濾波測(cè)速法(SFV)等。LDV法是利用運(yùn)動(dòng)粒子散射激光時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，根據(jù)激光多普勒頻移量確定粒子的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)速度。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、線(xiàn)性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無(wú)需校正等，其缺點(diǎn)主要是系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)轉(zhuǎn)速的靈敏度低，在測(cè)量氣液態(tài)物時(shí)需要大小合適的示蹤粒子。PIV法是在流場(chǎng)中散布示蹤粒子，用脈沖激光入射到所測(cè)流場(chǎng)，連續(xù)兩次或多次記錄示蹤粒子的圖像，再用光學(xué)楊氏條紋法或自相關(guān)法或互相關(guān)法等獲得速度信息。PIV法可進(jìn)行全息成像或?qū)游鰯z影，能重建速度場(chǎng)分布和用于二維及三維速度測(cè)試，精度較高；其不足是難以測(cè)量瞬時(shí)速度，需考慮示蹤粒子的圖像特性，其系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，成本高。SFV法是將被測(cè)體的隨機(jī)分布圖像通過(guò)周期性排列的狹縫進(jìn)行空間濾波，再光電轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)正弦性的電信號(hào)，獲取該電信號(hào)的中心頻率，由該中心頻率計(jì)算出被測(cè)體的線(xiàn)速度。該方法具有裝置簡(jiǎn)單、成本低、計(jì)算量小的特點(diǎn)，但目前主要用于測(cè)量線(xiàn)速度而很少用于遙測(cè)轉(zhuǎn)速。其原因是其中心頻率只與線(xiàn)速度有關(guān)，用于轉(zhuǎn)速測(cè)試時(shí)需確定旋轉(zhuǎn)半徑，但在氣態(tài)液態(tài)流場(chǎng)或固體物遙測(cè)中旋轉(zhuǎn)半徑是波動(dòng)的且難以精確測(cè)量，同時(shí)其信號(hào)頻率不含旋轉(zhuǎn)方向信息。此外，SFV法的輸出信號(hào)具有一定的隨機(jī)性，其中心頻率難以準(zhǔn)確測(cè)定，從而影響測(cè)量精度。
[0005]非接觸式測(cè)速法具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如不擾動(dòng)被測(cè)物，便于使用，極大地得到了人們的青睞。但上述速度測(cè)試法的共同不足是:測(cè)試系統(tǒng)或其光學(xué)成像系統(tǒng)較復(fù)雜，不便于攜帶；氣體液體流場(chǎng)中示蹤粒子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)波動(dòng)或固體物質(zhì)的隨機(jī)分布圖像都會(huì)引起輸出信號(hào)或圖像的隨機(jī)性擾動(dòng)，影響測(cè)量精度，對(duì)渦旋速度或轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度和效率都比較低；若為提高測(cè)量精度，常采用激光光源、高速或高靈敏度的攝像裝置，系統(tǒng)成本很高。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便、可非接觸或遠(yuǎn)距離地檢測(cè)瞬時(shí)線(xiàn)速度和旋轉(zhuǎn)速度的非接觸式微分差相關(guān)瞬時(shí)速度傳感方法。本方法無(wú)需在被測(cè)體上安裝任何基準(zhǔn)分度盤(pán)和光標(biāo)記，不改變被測(cè)體的任何結(jié)構(gòu)和特性，可用于固態(tài)氣態(tài)液態(tài)等物質(zhì)的線(xiàn)速度、旋轉(zhuǎn)速度或渦旋流速的測(cè)量。在該方法中，被測(cè)體表面越不均勻越有利于測(cè)量，用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)時(shí)被測(cè)體的軸向及徑向晃動(dòng)、安裝偏心和對(duì)準(zhǔn)誤差等均不影響測(cè)量結(jié)果，抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)。
[0008]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，采用了以下技術(shù)方案:
非接觸式微分差相關(guān)瞬時(shí)速度傳感方法，步驟如下，
1)讓光源照射在被測(cè)體上使被測(cè)體產(chǎn)生隨機(jī)分布圖像，該隨機(jī)分布圖像經(jīng)過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成像到象限光電傳感器上；
2)象限光電傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集后，用微分差相關(guān)計(jì)算得到速度特征延時(shí)量；
3)利用所得到的速度特征延時(shí)量和速度計(jì)算法計(jì)算出被測(cè)體的速度，速度的符號(hào)確定被測(cè)體的運(yùn)動(dòng)方向。
[0009]所述被測(cè)體可以是平移運(yùn)動(dòng)的固體、液體或氣體，此時(shí)所述象限光電傳感器為由兩個(gè)相同的光電探測(cè)器相距一定距離行排列而構(gòu)成的二象限光電傳感器；該二象限光電傳感器的兩光電探測(cè)器分別輸出一路信號(hào)，兩路信號(hào)組成一對(duì)信號(hào)；該對(duì)信號(hào)經(jīng)所述A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集后得到一對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列，該對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列包含兩組采樣數(shù)據(jù)序列。
[0010]所述被測(cè)體也可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的旋轉(zhuǎn)物體或渦旋流場(chǎng)，此時(shí)所述象限光電傳感器是由兩個(gè)相同的二象限光電傳感器相距一定距離Z分布排列而構(gòu)成的四象限光電傳感器；所述二象限光電傳感器由兩個(gè)相同的光電探測(cè)器相距一定距離行排列而構(gòu)成；所述分布排列是指兩個(gè)二象限光電傳感器相距一定間距Z而首尾對(duì)齊平行排列或者首尾錯(cuò)開(kāi)一定距離平行排列；每個(gè)二象限光電傳感器的兩光電探測(cè)器分別輸出一路信號(hào)，兩路信號(hào)組成一對(duì)信號(hào)；四象限光電傳感器共輸出兩對(duì)信號(hào)；該兩對(duì)信號(hào)經(jīng)所述A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集后得到兩對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列，每對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列包含兩組采樣數(shù)據(jù)序列。
[0011]第2)步中用微分差相關(guān)計(jì)算得到速度特征延時(shí)量的步驟如下:
2.1)將一對(duì)采樣數(shù)據(jù)序列中的兩組采樣數(shù)據(jù)序列分別進(jìn)行數(shù)值微分得到兩組數(shù)值微分值；所述數(shù)值微分是指依序?qū)⒚拷M采樣數(shù)據(jù)序列中相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相減運(yùn)算而形成一組新的數(shù)據(jù)序列；
2.2)將其中一組數(shù)值微分值延時(shí)或超前平移一個(gè)時(shí)間量，再將平移過(guò)的一組數(shù)值微分值和未平移的一組數(shù)值微分值分別依序?qū)?yīng)相減，每個(gè)相減的差取絕對(duì)值，所有絕對(duì)值求累加和，得到一個(gè)相關(guān)計(jì)算值；
2.3)改變平移時(shí)間量，重復(fù)步驟2.2)，如此多次改變平移時(shí)間量，即可得到在不同平移時(shí)間量下的多個(gè)相關(guān)計(jì)算值；
2.4)在所有相關(guān)計(jì)算值中搜索出最小相關(guān)計(jì)算值和其對(duì)應(yīng)的時(shí)間平移量，該最小相關(guān)計(jì)算值對(duì)應(yīng)的時(shí)間平移量除以數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間間隔即得速度特征延時(shí)量。
[0012]當(dāng)被測(cè)體是平移運(yùn)動(dòng)的固體、液體或氣體時(shí)，第3)步中利用所得到的速度特征延時(shí)量和速度計(jì)算法計(jì)算被測(cè)體速度的公式為V=PAmT0)，式中/?二象限光電傳感器中兩個(gè)光電探測(cè)器之間的距離，4為二象限光電傳感器輸出信號(hào)的采樣周期，是二象限光電傳感器的速度特征延時(shí)量；H直的大小表示了被測(cè)體的線(xiàn)速度大小，H直符號(hào)代表了被測(cè)體的線(xiàn)位移方向。
[0013]當(dāng)被測(cè)體是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的旋轉(zhuǎn)物體或渦旋流場(chǎng)時(shí)，第3)步中利用所得到的速度特征延時(shí)量和速度計(jì)算法計(jì)算被測(cè)體速度的公式為ω ={/Bil-1/一 P八LT)，式中分別為兩個(gè)二象限光電傳感器的速度特征延時(shí)量，/?二象限光電傳感器中兩個(gè)光電探測(cè)器之間的距離，Z為兩個(gè)二象限光電傳感器之間的間距，Ti為兩個(gè)二象限光電傳感器輸出信號(hào)的采樣周期；w值表示了被測(cè)體的轉(zhuǎn)速大小，w值符號(hào)代表了被測(cè)體的旋轉(zhuǎn)方向。
[0014]與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
O無(wú)需在被測(cè)體上安裝任何測(cè)量基準(zhǔn)分度盤(pán)或標(biāo)記，不改變被測(cè)體的結(jié)構(gòu)和功能特性，可遙測(cè)和非接觸式測(cè)量被測(cè)體的轉(zhuǎn)速或線(xiàn)速度，也可用于角或線(xiàn)位移、角或線(xiàn)加速度的測(cè)量，抗干擾性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。
[0015]2)本方法是用偶數(shù)個(gè)光電探測(cè)器組成象限光電傳感器，根據(jù)象限光電傳