基于二维PSD的任意转角激光对中仪

    低质量的轴对中校准将会增加机器的振动、轴承和密封件的磨损,造成联轴器的损坏以及过高的能源消耗.英国皇家研究机构的一份调查报告指出,50%以上的机器故障都是由于传动设备联轴器不对中引起的[1].目前检测机器不对中的主要方法有振动测量法、塞尺法和百分表法.振动测量的FFT分析只能定性给出机器的诊断信息,不易定量给出不对中量;塞尺法操作简便,但由于肉眼的分辨率只有0.1 mm,故无法实现精确对中;如果使用得当,百分表对中精度可以达到0.01mm,但是其测量方法和机器对中计算比较复杂,工作强度大,效率低,要求工人有丰富的经验.有数据表明目前只有7%的机组对中精度达到厂家规定的允差.

    因此有必要设计一台能够自动精密检测同轴度的对中设备,目前国外已出现了转动90°的激光对中仪,文中旨在设计一个基于二维PSD任意转角测量的激光对中仪.

    1　位敏探测器PSD

    当一个半导体的p-n结或Schottky结的结面受到非均匀光照设施,便会产生横向光电效应,位敏探测器(position sensitive detectors,PSD)即是利用横向光电效应做成的探测器件^[2],其输出信号与光点在光敏面上的位置有关.

    二维PSD可用来测定光点在平面上的二维(X,Y)坐标,按其结构可分为双侧双电极型PSD和单侧四电极型PSD,而枕形PSD是后者的改进型,具有边缘误差小,响应速度快和易于加反偏电压等优点^[3].

    图1为枕形PSD的结构示意图,四个电极输出的光电流与光斑坐标(X,Y)之间有如下关系.

    2　测量原理

    如图2所示,假设二维PSD和激光器(LD)分别垂直安装在A轴和B轴上,如果A与B精确同轴,当两轴同步转动时,由LD发出的光束在PSD光敏面上形成的光斑是一个固定点;如果A轴与B轴不同轴(即存在径向、角度偏差),则在PSD光敏面上形成的光斑轨迹将是一条封闭曲线.该曲线上任一点的坐标由两轴的相对位置决定,将此曲线上的坐标经过数学反演,就可得到A轴与B轴的不同轴度(径向和角度)偏差[4].

    以PSD支柱轴线与A轴轴线的交点为原点O,A轴轴线为Z轴,PSD支柱轴线为x轴建立右手坐标系(如图2所示).设PSD光敏面所在位置为(r,0,0),B轴轴线的单位矢量为(D_x,D_y,D_z),且D_z>0,即A轴的轴心线与B轴的轴心线的夹角为锐角,B轴的轴心线与XOY平面的交点为(x₀,y₀,0),经过某个时间t,两轴转过的角度定义为θ.则有

    根据空间解析几何的原理,推导出入射光斑的坐标值(X,Y)与未知量的关系如下.

    当任意转动两个角度(θ₁和θ₂),由位敏探测器PSD测得两组坐标值(x_1,y₁)和(x₂,y₂),再联立方程(3),得到一个五元四次非线性方程组,用拟牛顿法可解得一组实根,即径向偏差值(x₀,y₀)和B轴的单位矢量(D_x,D_y,D_z).