非接触式微分差相关瞬时速度传感方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械量、几何量及流体物理量测量，具体涉及一种非接触式微分差相关瞬时速度传感方法，属于速度检测技术领域。
[0002]
【背景技术】
[0003]线速度和转速等参量是确定气液固态物或其系统的运动特性或工作状态的重要参数。通过测量速度参量，可了解和判断这些物质的运动状态和性能，能监测自然灾害或灾难事故，可提高控制机械或其系统运动的准确性，提取故障信息以用于系统的故障诊断等。因此，速度测量是检测技术的重要组成部分，在运动机械及其系统、气体及流体的监测或故障诊断中有很广泛的应用。
[0004]目前，应用较广、精度较高、可用于瞬时旋转速度的传感方法主要是基于如光栅、磁栅、时栅和角数字编码盘等角位移传感器的转速测量方法。这类方法需在被测体上安装高精度的栅式分度盘，并在分度盘附近安装信号拾取装置，其装置笨重、复杂、不便于安装，难以同时用于气液固态物线速度和转速的非接触式测量。而适于非接触式测量速度的方法主要有激光多普勒法(LDV)、粒子图像测速法(PIV)、空间滤波测速法(SFV)等。LDV法是利用运动粒子散射激光时产生的多普勒效应，根据激光多普勒频移量确定粒子的运动线速度。其优点是精度高、线性度好、动态响应快、无需校正等，其缺点主要是系统复杂，对转速的灵敏度低，在测量气液态物时需要大小合适的示踪粒子。PIV法是在流场中散布示踪粒子，用脉冲激光入射到所测流场，连续两次或多次记录示踪粒子的图像，再用光学杨氏条纹法或自相关法或互相关法等获得速度信息。PIV法可进行全息成像或层析摄影，能重建速度场分布和用于二维及三维速度测试，精度较高；其不足是难以测量瞬时速度，需考虑示踪粒子的图像特性，其系统和数据处理较复杂，成本高。SFV法是将被测体的随机分布图像通过周期性排列的狭缝进行空间滤波，再光电转换为准正弦性的电信号，获取该电信号的中心频率，由该中心频率计算出被测体的线速度。该方法具有装置简单、成本低、计算量小的特点，但目前主要用于测量线速度而很少用于遥测转速。其原因是其中心频率只与线速度有关，用于转速测试时需确定旋转半径，但在气态液态流场或固体物遥测中旋转半径是波动的且难以精确测量，同时其信号频率不含旋转方向信息。此外，SFV法的输出信号具有一定的随机性，其中心频率难以准确测定，从而影响测量精度。
[0005]非接触式测速法具有众多优点，如不扰动被测物，便于使用，极大地得到了人们的青睐。但上述速度测试法的共同不足是:测试系统或其光学成像系统较复杂，不便于携带；气体液体流场中示踪粒子运动的随机波动或固体物质的随机分布图像都会引起输出信号或图像的随机性扰动，影响测量精度，对涡旋速度或转速的测量精度和效率都比较低；若为提高测量精度，常采用激光光源、高速或高灵敏度的摄像装置，系统成本很高。
[0006]
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种系统简单、成本低、使用方便、可非接触或远距离地检测瞬时线速度和旋转速度的非接触式微分差相关瞬时速度传感方法。本方法无需在被测体上安装任何基准分度盘和光标记，不改变被测体的任何结构和特性，可用于固态气态液态等物质的线速度、旋转速度或涡旋流速的测量。在该方法中，被测体表面越不均匀越有利于测量，用于转速检测时被测体的轴向及径向晃动、安装偏心和对准误差等均不影响测量结果，抗干扰能力和环境适应性极强。
[0008]为实现本发明目的，采用了以下技术方案:
非接触式微分差相关瞬时速度传感方法，步骤如下，
1)让光源照射在被测体上使被测体产生随机分布图像，该随机分布图像经过光学成像系统成像到象限光电传感器上；
2)象限光电传感器输出的信号经A/D转换与数据采集后，用微分差相关计算得到速度特征延时量；
3)利用所得到的速度特征延时量和速度计算法计算出被测体的速度，速度的符号确定被测体的运动方向。
[0009]所述被测体可以是平移运动的固体、液体或气体，此时所述象限光电传感器为由两个相同的光电探测器相距一定距离行排列而构成的二象限光电传感器；该二象限光电传感器的两光电探测器分别输出一路信号，两路信号组成一对信号；该对信号经所述A/D转换与数据采集后得到一对采样数据序列，该对采样数据序列包含两组采样数据序列。
[0010]所述被测体也可以是固态、液态或气态的旋转物体或涡旋流场，此时所述象限光电传感器是由两个相同的二象限光电传感器相距一定距离Z分布排列而构成的四象限光电传感器；所述二象限光电传感器由两个相同的光电探测器相距一定距离行排列而构成；所述分布排列是指两个二象限光电传感器相距一定间距Z而首尾对齐平行排列或者首尾错开一定距离平行排列；每个二象限光电传感器的两光电探测器分别输出一路信号，两路信号组成一对信号；四象限光电传感器共输出两对信号；该两对信号经所述A/D转换与数据采集后得到两对采样数据序列，每对采样数据序列包含两组采样数据序列。
[0011]第2)步中用微分差相关计算得到速度特征延时量的步骤如下:
2.1)将一对采样数据序列中的两组采样数据序列分别进行数值微分得到两组数值微分值；所述数值微分是指依序将每组采样数据序列中相邻的两个数据进行相减运算而形成一组新的数据序列；
2.2)将其中一组数值微分值延时或超前平移一个时间量，再将平移过的一组数值微分值和未平移的一组数值微分值分别依序对应相减，每个相减的差取绝对值，所有绝对值求累加和，得到一个相关计算值；
2.3)改变平移时间量，重复步骤2.2)，如此多次改变平移时间量，即可得到在不同平移时间量下的多个相关计算值；
2.4)在所有相关计算值中搜索出最小相关计算值和其对应的时间平移量，该最小相关计算值对应的时间平移量除以数据采样的时间间隔即得速度特征延时量。
[0012]当被测体是平移运动的固体、液体或气体时，第3)步中利用所得到的速度特征延时量和速度计算法计算被测体速度的公式为V=PAmT0)，式中/?二象限光电传感器中两个光电探测器之间的距离，4为二象限光电传感器输出信号的采样周期，是二象限光电传感器的速度特征延时量；H直的大小表示了被测体的线速度大小，H直符号代表了被测体的线位移方向。
[0013]当被测体是固态、液态或气态的旋转物体或涡旋流场时，第3)步中利用所得到的速度特征延时量和速度计算法计算被测体速度的公式为ω ={/Bil-1/一 P八LT)，式中分别为两个二象限光电传感器的速度特征延时量，/?二象限光电传感器中两个光电探测器之间的距离，Z为两个二象限光电传感器之间的间距，Ti为两个二象限光电传感器输出信号的采样周期；w值表示了被测体的转速大小，w值符号代表了被测体的旋转方向。
[0014]与现有方法相比，本发明具有如下有益效果:
O无需在被测体上安装任何测量基准分度盘或标记，不改变被测体的结构和功能特性，可遥测和非接触式测量被测体的转速或线速度，也可用于角或线位移、角或线加速度的测量，抗干扰性和对环境的适应能力强。
[0015]2)本方法是用偶数个光电探测器组成象限光电传感器，根据象限光电传