專利名稱：振動測量及監控系統的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種測量及監控系統，特別是關于一種振動的測量及監控系統。
背景技術：
振動測量及監測覆蓋了機械、電子、建筑、地質等廣泛領域，在研究材料的特性方面也有很大的應用背景。特別是隨著3C產品小型化、輕量化的發展趨勢，制造3C產品的精密模具及精密加工技術需要以高速主軸進行低切削量的快速切削，而主軸本身軸承的摩擦或偏心將會導致高速精密主軸產生振動，進而影響精密加工的精度。另外，這些包括高速旋轉軸的機器具有固有的共振頻率，當機器旋轉部件的工作頻率與機器的固有頻率吻合時，就會增加機器及旋轉部件的振動，甚至會發生故障，導致可能的破壞，這包括加工精度不夠、機械斷裂、甚至人身傷害。為了提高機器的加工精度、減少對機器的損害及對人身的傷害，就必須對機器旋轉部件的振動進行測量或監測，使機器在超出可接受振動極限或共振點附近時可以關閉或暫停機器，或由一種控制設備在機器超出不同設定限制范圍時執行不同的動作，讓振動恢復至可接受的限制范圍內。從而保證加工產品的精度且避免工作在共振點的附近，進而避免損壞或是避免發生進一步的損壞。
目前，常用的振動測量裝置是采用測量線圈在磁場中運動而產生的電動勢大小來判斷振動的結構，由于磁場本身的不均勻分布很難消除，且一些設備或儀器工作過程中亦會產生一些磁場分布，因此存在測量振動的頻帶不夠寬，振幅的動態范圍小，特別是在測量微弱振動信號時靈敏度低，使得其應用領域受到很大限制。
一種現有軸承振動加速度測量的信號的拾取裝置的結構，如圖6所示，其用以拾取軸承20的振動，其由加速度計21、測力彈簧22、傳動桿23、底座24、端蓋25、套筒26等結構組成，傳動桿21與軸承26的非轉動部分相接觸，在振動測量時，被測軸承20的內圈被驅動軸(圖未示)驅動旋轉，軸承20外圈受軸向負載的作用保持靜止，軸承20外圈外徑表面徑向振動通過傳動桿23傳入加速度計21并轉變成電荷量由電纜輸出，進而分析其振動。
上述測量方法均為接觸式測量，其需要與被測物體相接觸才能有效感知被測物的振動狀態，故，其無法直接量測高速旋轉物體如精密機械加工的高速旋轉軸的振動。
發明內容鑒于以上內容，有必要提供一種非接觸振動測量及監控系統。
一種振動測量及監控系統，用以對一被測物的振動進行測量或監控，其包括一激光系統，該激光系統可發射一激光束；一光感測系統，該光感測系統與所述激光系統相對設置，該光感測系統與所述激光系統相對設置，用以感測所述激光系統發出的激光束傳輸至光感測系統的光強度變化，所述被測物部分阻斷激光系統及光感測系統之間的光束；一處理系統接收光感測系統輸出的電流信號且經轉換處理計算旋轉軸的位置，再結合時間的量測，計算處理出被測物的振動參數。
相對現有技術，所述振動測量及監控系統利用激光的光束受到物體遮蔽后，產生光強度變化，利用光傳感器測得光強度變化而輸出的電流信號的改變，即可結合時間的量測計算出物體的振動量。其采用光學非接觸式測量，被測物體-旋轉軸始終不接觸測量系統，可避免使被測物體-旋轉軸表面會因摩擦而導致受損，且可對高速運動物體進行振動量測。且其未利用常規壓電傳感器，其可抗電磁干擾及強輻射、測試頻帶寬、精度高，應用領域大大擴展。
另外，因光束傳播速度快，其對振動變化的響應快，進而能測量到的振動頻帶寬。
再次，因光感測系統可測知的強度變化范圍大，因而可測量的振幅的動態范圍大，且振動信號甚至微弱振動信號引起的光強度變化均能被光接受組件所接收，故靈敏度高。
圖1是本發明振動測量及監控系統較佳實施方式的示意圖；圖2是本發明振動測量及監控系統的激光系統較佳實施方式示意圖；圖3是本發明振動測量及監控系統較佳實施方式振動掃描示意圖；圖4是高斯激光束的場分布特性圖；圖5(A)是高斯激光束的光強度分布曲線圖5(B)是高斯激光束的光強度積分區域示意圖；圖6是現有振動測量示意圖。
具體實施方式請參閱圖1及圖2，本發明較佳實施方式的振動測量及監控系統1用以測量或監控一旋轉軸10的振動參數，該振動測量及監控系統1包括一激光系統11、一光感測系統12及一處理系統(圖未示)以及一結果輸出裝置(圖未示)。激光系統11用以發出平行的激光束13，其由激光器111及多個透鏡112構成，該激光器111通常為氣體激光器，如氦-氖激光器，其發出的激光束為高斯光束。光感測系統12與激光系統11相對設置，其通過光傳感器121感測入射至其表面的光強度分布并轉換為電流信號輸出。處理系統可為計算機系統或微處理器，其接收光感測系統12輸出的電流信號經轉換處理計算旋轉軸的位置(詳后述)，再結合時間的量測，計算處理出轉軸的振動參數。結果輸出裝置用以將所測量旋轉軸的振動參數輸出，其可為一顯示接口或打印設備，亦可為自動報警系統，處理系統中設定其正常振動范圍，當被測物體振動超出設定范圍即通過自動報警系統給操作人員警示或由控制裝置自動調節。
工作時，使被測量旋轉軸10垂直與激光束13置于激光系統11及光感測系統12之間，開啟該振動測量及監控系統1，激光系統11發出激光束13，該激光束13部分為旋轉軸10所阻斷。當旋轉軸10轉動時，旋轉軸10在其徑向振動，使激光束13被旋轉軸10所阻斷的部分發生變化，從而入射至光感測系統12的光強發生變化，光感測系統12將光強的變化信號轉變成電流信號輸給處理系統，處理系統處理計算出轉軸的位置，并結合時間的量測得出轉軸的振動參數并通過輸出裝置輸出。
可以理解，如非特殊需要，亦可省去結果輸出裝置，而由控制設備直接根據測量或監控結果控制機器的運轉，另，本發明振動測量及監控系統亦可對其他非旋轉軸的振動進行測量及監控。
請參圖4至圖5，所述振動測量及監控方法是應用激光刀緣法原理，以下就本振動測量及監控方法的實現原理進行詳細說明。當激光以基本的橫向電磁模態震蕩，則產生的光束強度為高斯空間分布形態，如此的激光束13稱為高斯光束，其電場分布，如圖3所示，若以數學模型來表示，則可寫成E(r,z)=E0W0W(z)×exp(-r2W2(z))---(a)]]>
×exp{-j[kz-tan(zzR)]}---(b)---(Eq-1)]]>×exp[-jkr22R(z)]---(c)]]>上式等號后第一項(a)為一振幅因子(Amplitude factor)，其表示振幅r值而改變的關系；而第二項(b)為光波沿軸向(longitudinal)z的相位變化關系；第三項(c)則為表示光波沿徑向(Radial)r的相位變化關系。
其中，r＝(x2+y2)0.5，W0為束腰半徑(Beam waist radius)，E0為束腰處的電場強度，λ為波長，j為虛數符號。在該平面上，光波波前(Wave front)的曲率半徑R(0)→∞，為一平面且光束的直徑最小。W(z)和R(z)分別為距束腰半徑(Beam waist)距離為z的平面上的光點半徑(Spot size或Beamsize)及其波前的曲率半徑，且波數k=2πλ,]]>若把原點(z＝0)設在腰部則W(z)=W0[1+(λzπW02)2]1/2=W0[1+(zzR)2]1/2---(Eq-2)]]>R(z)=[1+(πW02λz)2]=z[1+(ZRZ)2]---(Eq-3)]]>上式中，ZR=πW02λ]]>定義為雷利范圍(Rayleigh range)，束腰(Waist)處距離為ZR(Z＝ZR)的平面上，其光點面積正好為束腰面積(Waist area)的兩倍[W(zR)＝W0]，且其波曲率半徑R為最小。
當光束傳播距離z＞＞ZR時，R≈z，W≈λzπW0,]]>高斯光束近似一位在腰部的點光源發出的光，其法發散角(Divergence angle)可近似為θ=dW(z)dz=W0ZR=λπW0---(Eq-4)]]>由此可見W0及λ決定了高斯光束的所有性質。
由于光波的電場變化甚快，故在檢測上皆以光強度的方式處理。而通常檢測系統是檢測到光的強度分布而不是振幅，因此由(Eq-1)式和其公軛復數相乘而得光的強度分布，以直角坐標表的如下
I=E·E*=I0exp{-2[(x-x0)2+(y-y0)2W2}---(Eq-5)]]>其中x0，y0是光束的中心；I0-Imax為光束中心點的光強度；W為光束截面半徑(spot size或beam size)，是高斯光束的半徑，定義成光強度I0自中心點向兩邊降至I0的e-2(約為0.1353倍)時，兩點間跨越距離的一半。
請同時參閱圖1與圖4，假定掃描的方向是x軸，則未被旋轉軸10遮避的部分激光束13，經由傳感器121所接受的光強度信號為S(xa)=∫-∞∞∫xa∞I(x,y)dxdy]]>=∫-∞∞∫xa∞I0exp{-2[(x-x0)2+(y-y0)2]W2}dxdy]]>(Eq-6)=I0(πW22)12∫xaexp{-2(x-x0)2W2}dx]]>其中xa為旋轉軸10邊緣在x坐標軸所在位置。
由上式(Eq-6)可得到整個激光束區域的光強度分布曲線如圖5(A)所示。今考慮兩個位置的相應差值，亦即xk與xk+Δx所對應的光強度信號差為SA(xk)-SB(xk+Δx)=∫-∞∞∫xk+ΔxxkI(x,y)dxdy---(Eq-7)]]>上式(Eq-7)的結果相當于圖5(B)中類似狹縫區域部分的光強度作積分。
若將S(xa)除上激光總能量引起的信號S(∞)；即全部激光束13未被遮斷(xa→-∞)的總能量信號，則可將S(xa)做正規化處理，得一無因次量光強度信號，抵抗因環境撓動造成量測信號的變化為S‾(xa)=S(xa)S(∞)=(2πω2)12∫xa∞exp[-2(x-x0)ω]dx---(Eq-8)]]>通過以上所述數學模型，通過被測轉軸阻斷光源與光傳感器之間的光束，造成傳感器表面光強度變化，利用光傳感器測知光強度變化輸出變化的電流信號，再經過ADC(模擬-數字轉換器，Analog-Digital converter)轉換后以計算機或微處理器經Eq-7、Eq-8計算到轉軸位置，結合時間軸的測量，則可以得到轉軸的振動量。
權利要求
1.一種振動測量及監控系統，用以對一被測物的振動進行測量或監控，其特征在于該振動測量及監控系統包括一激光系統、一光感測系統及一處理系統，所述激光系統可發射一激光束，所述光感測系統與所述激光系統相對設置，用以感測所述激光系統發出的激光束傳輸至光感測系統的光強度變化，所述被測物部分阻斷激光系統及光感測系統之間的光束，所述處理系統接收光感測系統輸出的信號經轉換處理計算旋轉軸的位置，再結合時間的量測，計算處理出轉軸的振動參數。
2.如權利要求1所述的振動測量及監控系統，其特征在于該振動測量及監控系統進一步包括一結果輸出裝置。
3.如權利要求1所述的振動測量及監控系統，其特征在于該激光系統由激光器與多個透鏡構成。
4.如權利要求1所述的振動測量及監控系統，其特征在于該激光器是氣體激光器。
5.如權利要求1或4所述的振動測量及監控系統，其特征在于該激光器是氦-氖激光器。
6.如權利要求1所述的振動測量及監控系統，其特征在于該激光束為高斯光束。
7.如權利要求1所述的振動測量及監控系統，其特征在于該光感測系統包括一光傳感器。
8.如權利要求7所述的振動測量及監控系統，其特征在于該光傳感器為光敏二極管。
9.如權利要求1所述的振動測量及監控系統，其特征在于該處理系統為一計算機系統。
10.如權利要求1所述的振動測量及監控系統，其特征在于該處理系統為一微處理器。
11.如權利要求2所述的振動測量及監控系統，其特征在于該結果輸出裝置為顯示接口、打印設備、報警系統中一種或幾種相結合。
全文摘要
本發明提供一種振動測量及監控系統，用以對一被測物的振動進行測量或監控。該振動測量及監控系統包括一激光系統，該激光系統可發射一激光束；一光感測系統，該光感測系統與所述激光系統相對設置，所述被測物部分阻斷激光系統及光感測系統之間的光束；一處理系統根據感測系統感測的結果處理計算旋轉軸的振動。其采用光學非接觸式測量，可對高速運動物體進行振動量測，且可抗電磁干擾及強輻射、測試頻帶寬、精度和靈敏度高，應用領域大大擴展。
文檔編號G01M7/00GK1924536SQ20051003703
公開日2007年3月7日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者簡揚昌 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司