激光扭矩测量中散斑统计学理论及试验研究

论文摘要

本文基于激光束从回转轴反射而形成的周期性的散斑分布特性开展了双激光束扭矩仪的理论探讨和试验研究。它依靠从被测表面反射回来的入射光束形成的散斑图形来工作。当被测表面回转时,在任意平面内观测到的散斑图形随着被测表面每转一转而精确地重复出现。用适当的光学传感器采集散斑图形可产生唯一的瞬时正比于空间分布于传感器的有效作用面积的总光强的周期信号。为了测量时变扭矩要二束独立的激光束照射在轴上,两个激光束相距一定的距离。当轴处于无载荷转动时,即扭矩为零时,轴上各截面之间不发生扭转角位移。此时同时记录下被测两个截面上的散斑图象,并分析其谐波构成和它们各自的初相位角,作为参照基准。当轴有载荷转动时,即扭矩不为零时,轴上各截面之间发生扭转角位移。此时同时记录下被测两个截面上的散斑图象,并分析其谐波构成和它们各自的初相位角。轴传递扭矩时的相位差减去零扭矩时的相位差就是扭矩产生的两个截面的角变形。于是根据轴的几何参数和弹性参数就可得到轴的扭矩。由于激光测扭矩是依靠散斑工作的,因此对散斑统计学进行了研究,并对散斑带来的负面影响进行了讨论,提出了解决措施。利用散斑统计学理论并结合HN150激光发生器的散斑试验,深入讨论了被测物体在平移、回转等运动时散斑的分布规律及其统计学特性,推导了在复平面内散斑强度和相位的一般表达方式。重点讨论了激光扭矩仪的散斑统计学所涉及的散斑强度的相关函数及具有一定作用面积的光学传感器的空间总体特性。特别是散斑对回转轴的轴向振动的灵敏度、对轴的回转运动的灵敏度进行了讨论。还对散斑干扰问题进行了讨论,如：激光光路长度差异引起的散斑干涉、“伪振动”干扰、频率拓展干扰等。在此基础上介绍了激光扭矩仪依靠散斑图像工作的基本原理。当该表面转动时,如果不计轴的振动,则在任意平面内观测到的散斑图像随着转动周期精确的重复出现。当轴发生扭转时,其周期性及其各阶频率和幅值不变,但它们的相位发生了改变。正是相位的变化量反映出轴的扭转变形的大小。作者提出了散斑信号局部增强方法。利用该方法获得了周期性大峰值信号。解决了普通反光带引起的传感器输出信号为近似于白噪声且信号微弱的问题。在此基础上,讨论了现代时频信号分析的理论和方法。对激光扭矩仪光学传感器的输出信号进行小波给定软阈值消噪处理和Wigner-Ville重心重排处理。然后对消噪后的信号做FFT分析,得到我们所需要的幅值和相位。基于上面的基础理论分析,作者设计、开发了双激光扭矩仪,包括其系统构成及其工作方式。利用作者开发的原理样机,在自行设计、制造的试验台上进行了大量的试验研究。通过上述的研究工作,得出了以下结论：（1）理论分析和试验验证表明,用适当的光学传感器采集散斑图像得到确定的周期信号,该信号瞬时正比于传感器作用面积上的总光强。它所表现出来的在轴的回转频率及其倍频上的大致相等的峰值表明了信号的周期性。（2）被照射物体的横移和回转所决定的散斑统计特性决定了激光扭矩仪的工作特性。在激光扭矩仪的光学系统中有两个要求是互相矛盾的：首先必须尽量减弱轴的轴向运动对散斑周期性的影响,即使传感器对轴向运动的灵敏度减至最小；其次,还必须使传感器对轴的回转运动的灵敏度最大。（3）对轴的轴向运动产生的散斑特性的研究表明,有三个参数可以调整,以便使相关距离最大。第一,改变光束中间细部至靶标的间距可以改变入射光束在被照射表面的光束直径,于是也就改变了散斑的尺寸。第二,改变靶标至传感器的间距也可以改变散斑的尺寸。第三,容易改变的参数就是传感器本身的尺寸,增大传感器的尺寸就相当于增大了轴的轴向相对位移。在设计激光扭矩仪时,最有意义的是轴表面与传感器间的距离为Z≤0.5m。（4）散斑干扰直接影响着激光扭矩仪的测量精度,如：激光光路长度差异引起的散斑干涉、“伪振动”干扰、频率拓展干扰等。在讨论各种干扰成因的理论基础上,总结出在激光扭矩仪的抗干扰措施。（5）在分析双激光源的优点的基础上,从散斑统计学的观点确定了入射激光束的几个参数,如：光束直径、喉口细部直径等。确定了光学传感器的形状为长方形,确定其最佳尺寸,特别是轴向尺寸,使轴向振动的影响减至最小。确定了传感器与被测轴的最佳距离等几个重要的参数。（6）提出了散斑信号局部增强方法。利用该方法获得了周期性大峰值信号。解决了普通反光带引起的传感器输出信号为近似于白噪声且信号微弱的问题。在此基础上,讨论了现代时频信号分析的理论和方法。对激光扭矩仪光学传感器的输出信号进行小波给定软阈值消噪处理和Wigner-Ville重心重排处理。然后对消噪后的信号做FFT分析,得到我们所需要的幅值和相位。（7）试验结果对作者在本文中所阐述的基本原理、方法进行了验证,试验表明作者提出的双激光散斑测扭矩技术从原理、方法到系统设计都是可行的。精度也获到了比较满意的结果,显示出工程实用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 扭矩测量方法简介
• 1.2 扭矩测量研究的国内外现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 激光扭矩仪原理简介
• 2.1 激光扭矩仪基本工作原理简介
• 2.2 激光扭矩仪的工作过程
• 2.3 小结
• 3 激光散斑统计特性及理论公式
• 3.1 激光散斑的形成
• 3.2 激光散斑统计学
• 3.2.1 复平面内的随机现象
• 3.2.2 散斑的强度和相位
• 3.2.3 散斑的大小
• 3.3 散斑强度的时-空互相关函数
• 3.3.1 物体在平面内平移
• 3.3.2 回转物体产生的散斑统计特性
• 3.4 散斑总强度的自相关函数
• 3.4.1 激光扭矩测量中的散斑统计学
• 3.4.2 对轴向运动的灵敏度
• 3.4.3 对轴回转的灵敏度
• 3.5 小结
• 4 激光测扭矩测量中的干扰问题的理论分析
• 4.1 激光扭振仪中的散斑干扰问题
• 4.2 散斑干涉在多普勒信号调制中引起的"伪振动"
• 4.3 关于"伪振动"源的讨论
• 4.4 频率拓展问题
• 4.5 小结
• 5 激光扭矩仪的工作原理
• 5.1 激光扭矩仪原理
• 5.2 激光扭矩仪的设计
• 5.2.1 CM和DM模块的设计
• 5.2.2 光学探头（传感器）的参数的选取
• 5.3 小结
• 6 散斑的局部增强及信号的时频分析
• 6.1 散斑强度局部增强
• 6.2 现代时频信号分析理论及应用
• 6.2.1 功率谱
• 6.2.2 相干函数
• 6.2.3 傅立叶变换（FT）及短时傅立叶变换（STFT）
• 6.2.4 Wigner--Ville分布及其改进算法
• 6.2.5 小波变换与小波包分析
• 6.2.6 局域波分析
• 6.3 信号时频处理示例
• 6.3.1 小波分析用于信号预处理
• 6.3.2 激光扭矩仪输出信号的小波处理
• 6.4 小结
• 7 激光扭矩仪原理样机的试验研究
• 7.1 双激光扭矩测量试验台
• 7.2 各种载荷下的扭矩测量
• 7.2.1 各种载荷下激光扭矩仪输出的时序波形
• 7.2.2 双激光扭矩仪实验结果
• 7.2.3 试验结果与理论计算结果对比
• 7.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 主要符号说明
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介