Wie zählt man die Umdrehungen auf einer sich schnell drehenden Motorwelle mit Glasfasern?
Die Messung der Drehzahl (Zählen von Umdrehungen) an einer sich schnell drehenden Motorwelle wird in der Technik hauptsächlich mittels berührungsloser externer Lichtmodulation durchgeführt, kann aber auch mit hochpräziser dopplersonischer optischer Interferenz kombiniert werden.
Im Folgenden wird dies aus den Perspektiven der optischen Physik und der Sensortechnik erläutert:
Eins. Kernarbeitsprinzip: Lichtmodulation und Impulserfassung (Gängigste Methode)
Für die Hochgeschwindigkeitsmessung von Motoren ist die gebräuchlichste Methode der lichtreflektierende Glasfaser-Tachometer (Fiber Optic Tachometer Probe), deren physikalisches Prinzip wie folgt lautet:
1. Aufbau und Anordnung der optischen Sonde
- Sondenspitze (fest am Stator): In der Regel werden geteilte Glasfasern (Y-förmige Bifurkationsfasern oder koaxiale Faserbündel) verwendet. Sende-fasern leiten einen stabilen Laser- oder LED-Lichtstrahl, der auf die Oberfläche der rotierenden Motorwelle fokussiert/projiziert wird; Empfangs-fasern sammeln das von der Wellenoberfläche gestreute/reflektierte Licht und leiten es zu einem Fotodetektor (PD).
Die Sonde ist fest an der Motorabdeckung oder einer Halterung montiert und berührt die Motorwelle nicht (Arbeitsabstand normalerweise 1\ \text{mm} \sim 20\ \text{mm}). - Oberflächenmerkmale der Welle (Rotormarkierungen): An der Oberfläche der Motorwelle werden Bereiche mit unterschiedlichen optischen Reflexionseigenschaften angebracht, z. B.:
- Hochreflektierende Aufkleber / polierte Oberflächen (hohe Reflexion) und absorbierende Beschichtungen (niedrige Reflexion);
- Mechanische Passfedernuten, offene Nuten oder spezielle Zahnnuten auf der Welle.
2. Prozess der Lichterzeugung und Impulsbildung
Wenn die Motorwelle mit hoher Geschwindigkeit rotiert, überstreichen die Bereiche mit unterschiedlicher Reflexion periodisch die Glasfaserspitze:
- Beim Auftreffen auf hochreflektierende Bereiche nimmt der von der Empfangs-faser gekoppelte Lichtstrom sprunghaft zu;
- Beim Auftreffen auf dunkle Bereiche oder Streubereiche von Nuten fällt der Lichtstrom sprunghaft ab.
Die Glasfaser überträgt dieses zeitlich periodisch schwankende Lichtintensitätssignal an eine Hochgeschwindigkeits-Fotoelektrische Umwandlungs- und Aufbereitungsschaltung, die es in ein TTL-Rechteckwellen-Impulsfolge mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis umwandelt.
3. Umrechnung von Umdrehungen und Drehzahl
Angenommen, die gemessene Impulsfrequenz beträgt f (Einheit: \text{Hz} ), und die Anzahl der auf der Wellenoberfläche angebrachten Merkmale pro Umdrehung ist P (am häufigsten ist eine einzelne Markierung, d. h. P = 1 ), dann ist die Drehzahl des Motors ( \text{RPM} ) wie folgt berechnet:
\text{RPM} = \frac{60 \cdot f}{P}
Die Gesamtdrehzahl N ist die kumulierte Zählung der Lichtimpulse innerhalb eines Zeitintegralzeitraums:
N = \frac{1}{P} \int_{0}^{t} f \, dt
Eins. Fortgeschrittene Methode: Glasfaser-Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung (LDV)
Wenn die Oberfläche der Motorwelle nicht markiert oder genutet werden kann, kann die Glasfaser-Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesstechnik angewendet werden:
- Ein Einzelfrequenz-Laser wird durch eine polarisationserhaltende Glasfaser auf die rotierende Wellenoberfläche projiziert. Das von der mikroskopischen Oberflächenrauheit gestreute Licht erfährt eine Doppler-Frequenzverschiebung \Delta \nu ;
- Die Größe der Doppler-Frequenzverschiebung ist proportional zur linearen Geschwindigkeit v der Wellenoberfläche:
\Delta \nu = \frac{2 v}{\lambda} \cos \theta
(wobei \lambda die Wellenlänge des Lasers und \theta der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und dem tangentialen Geschwindigkeitsvektor der Wellenoberfläche ist)
3. Nach der Demodulation des Differenzfrequenzsignals durch eine Glasfaser-Interferenzlichtbahn kann die momentane Winkelgeschwindigkeit und Drehzahl direkt aus dem Wellendurchmesser D abgeleitet werden.
Drei. Warum werden Glasfasern häufig für die Hochgeschwindigkeits-Motorüberwachung verwendet?
Im Vergleich zu herkömmlichen Hall-Sensoren, Wirbelstromsensoren oder optischen Encodern bietet die Glasfasermessung deutliche physikalische Vorteile:
- Natürliche Immunität gegen elektromagnetische Störungen (Immunity to EMI): Die Wicklungen des Motorstators, Wechselrichter und Treiber erzeugen beim Betrieb extrem starke elektromagnetische Harmonische und transiente Spitzen. In Glasfasern werden Photonen übertragen, die von keiner Hochspannung oder elektromagnetischen Störung beeinflusst werden;
- Hohe Frequenzantwort: Keine mechanische Trägheit, in Verbindung mit GHz-Photodetektor-Chips können Drehzahlen von Zehn- bis Hunderttausenden von Umdrehungen pro Minute ( \ge 100.000\ \text{RPM} ) problemlos erfasst werden;
- Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit: Glasfaser-Sonden sind rein passive Komponenten und können den rauen Hochtemperaturbedingungen in der Nähe von Motorlagern standhalten.
Vier. Technische Abgrenzung der Produkte
Im Bereich der industriellen Prüftechnik gehört der spezialisierte lichtreflektierende Glasfaser-Tachometer/Tachometer-Sonde (Fiber Optic Tachometer) zu den allgemeinen optoelektronischen Prüfinstrumenten und gehört nicht zur Kernproduktlinie von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
Die Kernprodukte von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. konzentrieren sich auf Glasfaser-Gitter (FBG)-Sensoren (einschließlich Temperatur, Dehnung, Spannung, dreidimensionale Kräfte usw.) und Glasfaser-Demodulationssysteme. Glasfaser-Gitter werden üblicherweise zur Überwachung von dynamischen Dehnungsbelastungen, Temperaturfeldern und Wellenschwingungen von Motorrotoren oder -statorn verwendet und nicht direkt als externe Tachometer für die Impulserfassung eingesetzt.