一种宽量程、高精度的瞬时转速传感器及测量方法

本发明属于转速测量的，具体是指一种宽量程、高精度的瞬时转速传感器及测量方法。

背景技术：

1、转速是机械传动系统及旋转机械运行状态监控中的核心参数，转速测量对于高精尖领域设备的性能优化和安全保障具有至关重要的意义。现代机械系统对动态运行参数的高精度实时监测需求显著增加，传统方法在动态响应、瞬时精度以及复杂工况适应性方面的局限性日益凸显。在航空航天领域，高精度转速测量广泛应用于飞行器推进系统、航空发动机性能优化以及姿态控制中，尤其是在高温、高振动等极端工况下，转速监测是确保设备稳定运行的关键。在能源领域，风力发电和核能设备中的转速动态监测直接影响发电效率和系统安全性，而在轨道交通中，高速列车和磁悬浮列车依赖于实时转速测量优化动态平衡与性能调节。此外，医疗设备如外科手术机器人和人工心脏泵，以及军事领域的无人机控制和导弹制导系统，同样需要具备高动态响应能力的瞬时转速监测，以支持高精度和实时性的操作需求。

2、传统的转速测量技术通常分为接触式和非接触式两类。接触式转速测量技术（如机械式离心转速计）通过与旋转部件直接连接来获取转速信息，其结构相对简单，但存在明显的缺点。由于直接接触会导致机械磨损，接触式方法的测量精度和使用寿命会随着运行时间的增加显著下降。此外，接触式传感器通常会增加设备的额外质量，可能对旋转部件的动态特性产生不利影响，特别是在高动态场景下，这种额外负担更为突出。因此，接触式测量方法难以满足现代工业对高精度和长寿命测量装置的需求。

3、非接触式转速测量技术由于无需与旋转部件直接接触，避免了机械磨损问题，具有更高的可靠性和灵活性，已成为现代工业应用的主流方向。常见的非接触式方法包括光电转速编码器、磁感应式传感器、多普勒效应式传感器和光学干涉式传感器等。其中，光电编码器利用旋转轴上的刻线盘，通过光电传感器检测旋转角度的变化来计算转速，具有较高的精度和分辨率。然而，其测量精度受刻线密度和光源尺寸的限制，在超低速测量时，由于脉冲信号间隔较大，难以实现瞬时转速的高精度检测。磁感应式传感器通过检测旋转部件引起的磁场变化获取转速信息，响应速度较快，但容易受到外界磁场干扰，同时对转子表面材料有一定要求，需附加铁磁性材料以提高测量灵敏度，在复杂电磁环境中适用性较差。静电转速计通过检测旋转轴表面静电荷的变化实现转速测量，在某些特定条件下能够实现非接触测量，但其性能容易受到转子表面静电荷不足的限制，无法稳定工作于低电荷或无电荷环境。多普勒效应式传感器利用激光多普勒效应，通过检测旋转表面对激光反射的频率变化计算转速，属于灵敏度较高的非接触式测量方法。然而，在静止或低速运行状态下，多普勒频移信号微弱甚至消失，导致系统检测能力显著下降，限制了其在超低速工况下的应用。光学干涉式传感器基于光的波动特性，通过检测干涉条纹相位变化来计算转速信息，具有高精度和良好的非接触性能。但传统光学干涉方法通常采用单束探测光设计，容易受到旋转轴偏心和振动的干扰，导致测量误差较大，同时在动态响应和宽量程适应性方面仍存在技术瓶颈。

4、现有转速传感器在量程范围上存在显著限制，低速测量时，磁电式传感器对微弱信号不敏感，光电编码器脉冲间隔过大，多普勒效应传感器频移信号微弱，难以实现高精度检测；而在高速测量中，接触式传感器因机械磨损和热量积累限制性能，非接触式传感器则可能因动态模糊或信号处理能力不足而失准。此外，传统传感器对振动、偏心和环境干扰敏感，难以适应复杂工况，且无法在低速和高速两端同时保持高精度测量。

5、现有的接触式和非接触式转速测量技术尽管各有优势，但仍无法全面满足现代工业对高精度、宽范围、动态实时响应以及复杂工况适应性的要求。同时，安装复杂、维护成本高昂也限制了这些技术在危险或苛刻环境中的应用。因此，设计一种可靠、高效、适应性强的非接触式转速测量方法对于解决现有技术的不足，具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题于提供一种宽量程、高精度的瞬时转速传感器及测量方法。

2、本发明是这样实现的：

3、一种宽量程、高精度的瞬时转速传感器，包括：宽带光源、光纤耦合器、光谱仪、信号处理装置、信号探测臂、信号参考臂和转轴；

4、所述转轴，包括：圆柱体轴部和形貌加工部，所述形貌加工部的半径呈周期性变化；

5、所述宽带光源、所述光谱仪、所述信号探测臂和所述信号参考臂分别经光纤连接所述光纤耦合器；所述光谱仪连接所述信号处理装置；

6、所述信号探测臂对准所述转轴的所述形貌加工部；

7、所述信号参考臂对准所述转轴的所述圆柱体轴部；

8、所述宽带光源发出的光通过所述光纤耦合器被分成两束：其中一束光为探测光，通过所述信号探测臂传输至所述形貌加工部，在反射后返回至所述光纤耦合器；另一束光为参考光，通过所述信号参考臂传输至所述圆柱体轴部，反射后同样返回至所述光纤耦合器；

9、所述探测光和所述参考光在所述转轴表面位于同一高度，光路对称；

10、所述光纤耦合器对返回的两束光进行叠加，生成干涉条纹信号；

11、所述信号处理装置，用于对干涉条纹进行采样和解析，实时获得所述转轴的旋转角度和转速信息。

12、进一步地，所述形貌加工部的半径呈周期性的线性变化或正弦波变化。

13、进一步地，所述形貌加工部位于所述圆柱体轴部的端部或中部的任意位置。

14、进一步地，所述形貌加工部和所述圆柱体轴部一体成型或套接。

15、一种宽量程、高精度的瞬时转速传感器的测量方法，包括如下步骤：

16、在所述转轴旋转过程中，参考光照射在所述圆柱体轴部的平滑表面，其反射光程保持恒定，探测光照射在所述形貌加工部的区域，其反射光程随旋转产生周期性变化；

17、所述光谱仪的波长探测范围为λ1-λ2，其频谱分辨率与波长范围的关系满足公式：（1）

18、式中，为介质的折射率；

19、通过所述形貌加工部的半径的变化设计，将圆周运动引入的角位移调制为表面轮廓半径的周期性变化，使其在旋转过程中引起光路深度的连续变化，形成周期性的波形信号；

20、假设所述转轴旋转一圈产生个周期的波信号，则在单个周期内半径为r的所述转轴的轮廓半径函数满足下列关系:（2）

21、式中为一个周期内的半径变化最大值，为半个周期的角度值；

22、所述转轴的最小角度分辨率为：（3）

23、采样间隔时间范围为，则相邻采样点间可分辨的最低转速变化和最高转速变化为：

24、（4）

25、（5）

26、由式（3）和式（5）可知，（6）

27、转速与加速度计算在单个周期内满足：

28、（7）

29、（8）

30、式中为位移系数，为轮廓半径变化最大值，为所设计的所述形貌加工部的轮廓周期数，为半个周期的角度值，为初始转速，为加速度；

31、通过对采集到的数据进行数据拟合，能得到与之间的函数关系，则通过各项系数求得初始转速及加速度，进而利用所得的加速度及初始转速得到任意时刻t的转速n：

32、n=an*t+n0           （9）。

33、本发明的优点在于：

34、1.本发明通过高灵敏度和差分设计，显著扩展了量程范围，实现了从超低速到超高速的高精度测量，同时具备抗干扰能力强、实时响应快、环境适应性高等优势，克服了传统技术的局限性，为复杂工况下的动态监测提供了可靠解决方案。

35、2.本发明不依赖脉冲间隔信号，而是通过对微小光程变化的检测，实时捕获转速变化，避免了光电编码器在低速时的“脉冲间隔空白期”问题。其高灵敏度使其在超低速工况下依然能够输出稳定且高精度的测量结果。

36、3.本发明通过探测光和参考光的干涉条纹变化来获取转速信息，其信号的频率极高，不依赖机械转动部件的限制，完全由光学和电子信号的采样频率决定，能够实时捕获超高速旋转中的细微变化。传统接触式传感器因机械摩擦和热量积累，在超高速时容易失效，而光学相干技术完全采用非接触设计，无机械部件的摩擦或磨损问题，适合超高速场景下的长期运行。

37、4. 本发明的转轴设计为具有形貌加工部的圆柱体转轴，具有结构简单、分辨率高、灵敏度强、抗电磁干扰能力优越、采样频率高以及动态响应速度快等特点，适用于多种转速测量场景，尤其是在高精尖领域中的应用。

38、5.本发明提供了一种基于光学干涉的差分式宽量程、高动态响应、高精度非接触式转速传感器测量系统，通过设计探测光与参考光的差分光路，利用两束光光程差的干涉信号，最大程度消除旋转轴偏心和振动对测量结果的影响，显著提高测量精度和抗干扰能力，并且适用于超低速和动态工况下的高精度实时测量。非接触式设计避免了机械磨损和系统干扰，特别适用于高温、高磁等复杂工况场景，显著提升了传感器的适用性和可靠性。

39、6.相比于传统的光电编码器，本发明通过设计探测光和参考光的差分光路，实现了对干涉信号的高精度解析。差分设计有效消除了旋转轴偏心、振动以及环境干扰对测量精度的影响，大幅提升了测量的可靠性和抗干扰能力。同时，本发明的脉冲密度显著提高，具备更高的分辨率和采样频率，不仅能够实现高精度测量，还适用于超低转速的检测，拓展了传感器的应用范围。

40、7.本发明仅需一路探测光即可实现转速测量，简化了系统结构并降低了光路调节的复杂性。光纤光路的设计进一步增强了信号强度，提升了干涉效果和测量精度。差分光路与光纤设计相结合，使得传感器具有出色的抗振动能力，确保其在动态环境下的稳定性和高动态响应性能。通过优化光路和干涉条件，本发明在操作简便性和系统可靠性方面具有显著优势。

41、8.本发明的转速测量方法将角度的检测转化为光学路径的变化，避免了电磁干扰、机械磨损等问题。过优化光路设计与信号处理算法，转速传感器实现了从超低速到超高速的宽范围测量，并具备快速动态响应能力。