CN101556185B - 双重频移激光多普勒振动测量装置 - Google Patents

Abstract

一种双重频移激光多普勒振动测量装置，特点是在测量光路中加入由洛匈棱镜、波晶片和第一反射镜组成的双重频移机构，并以洛匈棱镜和波晶片入射表面与测量光波传播方向相垂直位置摆放。本发明具有结构简单，成本低，灵敏度高等优点，适用于低速振动物体振动参数的测量。

Description

双重频移激光多普勒振动测量装置

技术领域

本发明涉及振动测量装置，特别是一种双重频移激光多普勒振动测量装置，尤其适用于低速振动物体的振动参数的测量。

背景技术

光学多普勒效应是指产生光波的光源和接受光波的探测器处于相对运动状态下出现的探测器接收到的光频率相对光源的光波频率存在频移的现象，且该频移量与相对运动状态有关。激光多普勒测振方法是利用光学多普勒效应，通过检测待测物体表面的散射光与光源光波之间的频率差对振动物体进行测量。由于是对光信号进行测量，是一种非接触、高分辨率、高精度的振动测量方法，被广泛应用于实际测振场合。在公知的激光多普勒测振系统中，待测物振动速度的大小决定了多普勒频移量的大小，使得在测量低速振动物体时，激光多普勒测振方法受到灵敏度不足的限制，不能用于低速振动物体的振动参数测量。因此，设计一种灵敏度高，结构简单，成本低的激光测振装置是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统激光多普勒振动测量装置低速振动测量效果不理想，提供一种双重频移激光多普勒振动测量装置，该装置具有结构简单、成本低和灵敏度高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种双重频移激光多普勒振动测量装置，其特点在于该装置的构成包括激光光源，由洛匈棱镜、1/4波片和第一反射镜组成双重频移机构，在所述的激光光源的激光输出方向设置所述的分光元件，在所述的分光元件的透射光方向，即探测光方向依次是洛匈棱镜、1/4波片，在所述的分光元件与所述的洛匈棱镜之间和所述的洛匈棱镜的分束角方向是所述的第一反射镜，在所述的分光元件的反射光方向有第二反射镜，在所述的第二反射镜的反射光透过所述的分光元件的输出方向设置光电探测器。

所述的分光元件是半透半反镜。

所述的洛匈棱镜和1/4波片的入射表面与测量光波传播方向相垂直。

所述的激光光源可采用He-Ne激光器，或其他频率稳定，波长λ＝632.8nm，以连续激励方式运行的可见光激光器，其频率和功率可依据具体情况而定，用于产生装置所用光源。采用连续可见激光器可以提高振动测量过程的可视性和易操作性。

所述的洛匈棱镜是由两块按一定方式切割下来的晶体三棱镜组合而成。将该双重频移机构放置在分光元件与待测物之间的测量区域内，处于测量光波的传播路径上。该结构使每一返回分光元件的测量光波都两次入射到待测物表面，产生双重多普勒频移。

所述的参考检测元件由反射镜和光电探测器组成。将参考光波与返回后的测量光波一起通过所述的光电探测器检测，测出相对的频移量。

本发明的优点：

本发明双重频移激光多普勒振动测量装置利用洛匈棱镜、1/4波片和第一反射镜组成的双重频移机构，使得测量光波与待测物体发生两次多普勒效应，增大了测量光波与参考光波之间的频移量。双重频移激光多普勒振动测量装置与传统激光多普勒振动测量装置相比，有效的提高测量的灵敏度，提升了激光多普勒振动测量方法的测量能力。具有结构简单，成本低，灵敏度高等优点。

附图说明

图1是本发明双重频移激光多普勒振动测量装置的光路原理图。

图2是本发明双重频移机构的原理图。

图3是本发明的洛匈棱镜分束原理图。

图中：1-激光器，2-半透半反镜，3-光电探测器，4-洛匈棱镜，5-1/4波片，6-第一反射镜，7-第二反射镜，8-待测物。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明双重频移激光多普勒振动测量装置的光路原理图。由图可见本发明双重频移激光多普勒振动测量装置，该装置包括激光光源1，由洛匈棱镜4、1/4波片5和第一反射镜5组成双重频移机构，在所述的激光光源1的激光输出方向设置分光元件2，该分光元件2将激光束分为透射光和反射光，在所述的分光元件2的透射光方向，即探测光方向依次是所述的洛匈棱镜4、1/4波片5，在所述的分光元件2与所述的洛匈棱镜4之间和所述的洛匈棱镜4的分束角方向是所述的第一反射镜6，在所述的分光元件2的反射光即参考光方向有第二反射镜7，在所述的第二反射镜7的反射光透过所述的分光元件2的输出方向设置光电探测器3。

所述的分光元件2是半透半反镜。

所述的洛匈棱镜4和1/4波片5的入射表面与光波传播方向相垂直。

激光光源1发出的光波，经过半透半反镜2分为测量光和参考光，测量光通过洛匈棱镜4、1/4波片5和第一反射镜6组成的双重频移机构前后两次入射到待测物8表面，产生双重多普勒频移，而后再次通过半透半反镜2与参考光波产生干涉，并由光电探测器3探测两光波。

图2是本发明双重频移激光多普勒振动测量装置的双重频移结构的原理图。该结构由洛匈棱镜4、1/4波片5和第一反射镜6构成。测量光波为如图2所示的平行偏振光，正入射到洛匈棱镜4和1/4波片5后入射到待测物8处，发生第一次多普勒频移；反射回的光束偏振方向偏转90°，此时通过洛匈棱镜4的光波传播路径发生偏转，与原入射路径之间成一夹角传播，并由第一反射镜6反射再次通过所述的洛匈棱镜4和1/4波片5入射到待测物8表面，发生第二次多普勒频移，最终以原入射路径反向返回并在所述的半透半反镜2与所述的参考光相遇，产生干涉。

图3是本实施例的洛匈棱镜的分束原理图。图中洛匈棱镜4选用α-BBO材料，其顶角θ＝60°；当波长λ＝632.8nm时，该晶体对o光和e光的折射率分别为：n_o＝1.65178，n_e＝1.53027。φ为出射角，即洛匈棱镜4的分束角由下列公式确定：

$\mathrm{\φ}={\sin }^{-1}\left[\sin \mathrm{\θ}(n_o\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{{n_e}^2-n_o^2{\sin }^2\mathrm{\θ}})\right]$

经计算得出该洛匈棱镜的分束角φ＝14°，可见洛匈棱镜的分束能力能够满足装置结构中反射镜6的安装要求。

本实施例在传统激光多普勒振动测量装置的测量光路中加入双重频移机构。提高测量装置对待测物振动速度的响应，从而提高激光多普勒振动测量装置的灵敏度。

本发明双重频移激光多普勒振动测量装置，在相同条件下，具有比传统激光多普勒振动测量装置更高的灵敏度，特别适合于低速振动测量场合。本发明具有结构简单、成本低和灵敏度高的特点，具有很高的推广价值和使用价值。

Claims (3)

1.一种双重频移激光多普勒振动测量装置，其特征在于：该装置的构成包括激光光源(1)，由洛匈棱镜(4)、1/4波片(5)和第一反射镜(6)组成双重频移机构，在所述的激光光源(1)的激光输出方向设置分光元件(2)，在所述的分光元件(2)的透射光方向，即探测光方向依次是洛匈棱镜(4)、1/4波片(5)，在所述的分光元件(2)与所述的洛匈棱镜(4)之间和所述的洛匈棱镜(4)的分束角方向是所述的第一反射镜(6)，在所述的分光元件(2)的反射光方向有第二反射镜(7)，在所述的第二反射镜(7)的反射光透过所述的分光元件(2)的输出方向设置光电探测器(3)。

2.根据权利要求1所述的双重频移激光多普勒振动测量装置，其特征在于所述的分光元件(2)是半透半反镜。

3.根据权利要求1所述的双重频移激光多普勒振动测量装置，其特征是所述的洛匈棱镜(4)和1/4波片(5)的入射表面与测量光波传播方向相垂直。

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