CN101750142A - 振动的光学量测方法及光学量测系统 - Google Patents

Abstract

一种振动的光学量测方法及光学量测系统，对光源发出的光进行移频分光循两不同光路行进，其中经过移频的光作为参考光，未移频的光经过极化分光镜、1/4波板成圆偏极光再被待测物反射，并在接触待测物被反射的过程中因待测物的振动而成移频的物光，再令物光与参考光彼此发生干涉，最后由电荷耦合元件摄像机撷取影像后，即可以个人电脑对此进行处理与运算，从而快速、准确，且无须接触待测物地得到待测物振动的相关参数。

Description

振动的光学量测方法及光学量测系统

技术领域

本发明涉及一种量测方法与量测系统，特别是涉及一种量测待测物的振动状况的光学量测方法与光学量测系统。

背景技术

大部分的机台在运作时必然会产生振动，这些振动会造成所谓的杂讯干扰，进而影响『真实资讯』的获得；因此如何量测、获得待测物的振动的相关参数，例如振动频率、振幅..等，进而将真实讯号与此等因为待测物本身振动所造成的『杂讯』分离，是非常重要的工作。

目前，对于待测物振动的量测，可分为接触式与非接触式两类，接触式的量测多是利用现有的加速规、速度计..等等量测设备，直接装设在待测物上，进而取得待测物的振动的状况。

接触式量测的缺点在于量测设备与待测物彼此造成的限制，也就是说，当待测物相对量测设备体积极大时，经过量测设备所取得的待测物的振动状况，仅是该待测物设置量测设备的局部区域的振动状况，而非待测物的整体振动状况；而当待测物相对量测设备体积相当甚至较小时，不仅设置量测设备变得不易，同时经过量测设备所取得的待测物的振动状况，也增加了量测设备自身的运作状况，此时得到的振动状况，当然也就不是待测物的振动状况了。

非接触式的量测多是采用照光、分析光行为运算得到待测物的振动状况，例如台湾专利第I227777号专利案「一种环境杂讯振幅调制光斑影像振动量测系统」，揭示运算在同一表征振动作用力下的至少两待测物影像，进而获得环境杂讯作为振幅调制的技术手段，又例如台湾专利第I287613号专利案「双轴六自由度振动量测系统」，揭示利用一组四象限探测器，借由光点移动至象限器的位置，以精确量测出待测物的位移、振动频率、角位移与角频率的技术手段。

相较于接触式的振动量测，非接触式的振动量测确实可以较为精确地得到待测物的振动状况，也相对没有待测物与量测设备彼此间的限制，因此广受业界所重视，也因此，发展更多不同的非接触式的振动量测方法，以及相关的光学量测系统，是相关技术领域人士努力的目标。

发明内容

本发明的目的是在提供一种新的、且可进行高频振动的光学量测方法及光学量测系统。

本发明的本发明一种振动的光学量测方法，包含一光学量测系统架设步骤、一待测物设置步骤、一照光步骤、一干涉发生步骤，及一接收处理步骤。

该光学量测系统架设步骤设置一组光学量测系统，该光学量测系统包含一发出预定波域的光的光源、一供该光源发出且未被移频的光行进的第一光路径，一供该光源发出且被移频的光行进的第二光路径，及一位于该第二光路径终端的光接收处理装置的光学量测系统。

该待测物设置步骤将待测物置于该第一光路径终端。

该照光步骤使该光源发光并对发出的光分光移频，其中，未被移频的光沿该第一光路径行进，且被移频的光沿该第二光路径行进。

该干涉发生步骤让沿该第一光路径行进的光接触待测物并反射，且在接触待测物并反射的过程中被待测物的振动作用而移频，之后转进至该第二光路径行进而与原本在该第二光路径上行进的光彼此作用而产生一干涉光。

该接收处理步骤令该光接收处理装置接收该干涉光，并自该干涉光配合该光源发出的光与对该光源移频时输入的资料，计算得到待测物振动的频率。

另外，本发明一种振动的光学量测系统包含一光源、一第一光路径、一第二光路径、一第一光学组件、一第二光学组件、一第三光学组件，及一光接收处理装置。

该光源发出预定波域的光。

该第一光路径的终端对应位于待测物上。

该第二光路径与该第一光路径具有介于该光源与该第一光路径终端之间的一第一交会点与一第二交会点。

该第一光学组件设在该第一光路径上并位于该光源与该第一光路径终端之间，将该光源发出的光分光移频，并使未被移频的光循该第一光路径行进，被移频的光自该第一交会点转循该第二光路径行进。

该第二光学组件设在该第一光路径上并位于该第一交会点与该第一光路径终端之间，而使光通过后改变形式成线性光。

该第三光学组件设在该第二光路径上并位于该第一交会点与该第二光路径终端之间，并涵盖该第二交会点，使光通过后改变形式成线性光，且让原本被移频而自该第一交会点转循该第二光路径行进且通过该第三光组件的光，与原本未被移频而循第一光路径行进且自该第二交会点转进至该第二光路径行进且通过该第三光学组件的光彼此相干涉，且继续循该第二光路径向该第二光路径终端行进。

该光接收处理装置设在该第二光路径终端以接收光，并以该光源发出的光与该第一光学组件分光移频的资料运算处理接收到的光。

本发明的有益效果在于：提供一种新的、利用光学分析与影像处理方式对待测物进行快速、精确且为非接触式的振动光学量测方法与光学量测系统，且此光学量测系统可以简单微缩而易于携带，便于测量人员随时、随地进行现场量测。

附图说明

图1是一流程图，说明本发明一种振动的光学量测方法的一较佳实施例；及

图2是一示意图，说明实施图1本发明时的一光学量测系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

参阅图1、图2，本发明振动的光学量测方法的一较佳实施例，包含光学量测系统架设步骤11、待测物设置步骤12、照光步骤13、干涉发生步骤14，及接收处理步骤15等五个步骤，而可快速、精确，且无须接触待测物100即可量测得知该待测物100的振动状况。

如图2所示，该光学量测系统架设步骤11是设置一组光学量测系统2。

该光学量测系统2包含一光源21、一第一光路径22、一第二光路径23、一第一光学组件24、一第二光学组件25、一第三光学组件26，及一光接收处理装置27。

该光源21发出预定波域的光；本例中是以产生雷射光的雷射光产生器211，搭配设置在该雷射光产生器211前的一物镜212与一准直透镜213，将雷射光发散后再汇聚转成平行光射出作为光源21。

该第一光路径22的终端对应位于待测物100上。

该第二光路径23与该第一光路径22具有介于该光源21与该第一光路径21终端之间的一第一交会点231与一第二交会点232。

该第一光学组件24设在该第一光路径22上并位于该光源21与该第一光路径22终端之间，将该光源21发出的光分光移频，使未被移频的光循该第一光路径22行进，被移频的光自该第一交会点231转循该第二光路径23行进；在本例中，该第一光学组件24包括一设在该第一交会点231上的声光调制器241，及一可将预定波长输入至该声光调制器241的声波输入器242，且当该声波输入器242输入预定波长的声波时，该声光调制器241对该光源21发出的光分光移频。

该第二光学组件25设在该第一光路径22上并位于该第一光学组件24与该第一光路径22终端之间，而使光通过后改变形式成线性光；在本例中，该第二光学组件25包括一临靠近该第一光学组件24的极化分光镜251，及一临靠近该第一光路径22终端的1/4波板252，而使该光源21发出且未被移频的光通过该极化分光镜251后成线性光，之后再通过该1/4波板252成右旋圆光。

该第三光学组件26设在该第二光路径23上并位于该第一交会点231与该第二光路径23终端之间，并涵盖该第二交会点232，使光通过后改变形式成线性光，且让原本被移频而自该第一交会点231转循该第二光路径行进且通过该第三光组件26的光，与原本未被移频而循第一光路径22行进且自该第二交会点232转进至该第二光路径23行进且通过该第三光学组件26的光彼此相干涉，且继续循该第二光路径23向该第二光路径23终端行进；在本例中，该第三光学组件26包括一位在该第二交会点232的分光镜261、一位于该第一交会点231与该分光镜261之间的1/2波板262、一设在该第一光学组件24与该1/2波板262之间的棱镜263，及一位于该分光镜261与该第二光路径23终端之间的偏极片264，该1/2波板262让光源21发出且被移频的光通过后成线性偏振光，该棱镜263拉近第一、二光路径22、23彼此的相对距离、缩减整体光学量测系统2的体积，该偏极片调整偏光角度，使通过分光镜261的两道光发生干涉现象，再由光接收处理装置27撷取干涉影像。

该光接收处理装置27设在该第二光路径23终端以接收光，并在接收该光源21发出的光(因待测物100振动而被移频的光)与经过该第一光学组件24分光移频的光后，进行接收到的光的运算处理，进而获得待测物100的振动资讯；在本例中，该光接收处理装置27包括一位于该第二光路径23终端且可取像的电荷耦合元件摄像机271，及一可撷取该电荷耦合元件摄像机271取得的影像并进行运算处理与观看的计算器272。

参阅图1、图2，该待测物设置步骤12将待测物100置于该第一光路径22终端。

该照光步骤13使该光源21发光并对发出的光分光移频，其中，未被移频的光沿该第一光路径22行进，被移频的光沿该第二光路径23行进。

在本例中，是以雷射光产生器211产生雷射光，并透过物镜212与准直透镜213后，将雷射光发散后再汇聚转成平行光射出，并利用声波输入器242输入预定波长的声波于声光调制器241而将平行光分光移频。

该干涉发生步骤14是让沿该第一光路径22行进的光接触待测物100并反射，且在接触待测物100并反射的过程中被待测物100本身的振动作用而移频，之后转进至该第二光路径23行进时，与原本在该第二光路径23上行进的光彼此作用而产生一干涉光。

在本例中，循第一光路径22行进且未被移频的平行光通过该极化分光镜251后成线性光，之后再通过1/4波板252成右旋圆光行进，接触到待测物100并被待测物100反射后，因为待测物100本身的振动，而成被移频的左旋圆光(此时，被移频的频率只与待测物100本身的振动相关)，再通过1/4波板252成线性光反向循第一光路径22行进，并在通过该极化分光镜251时被限制而朝该第二交会点232方向行进，之后通过该分光镜261循该第二光路径23并朝向该第二光路径23终点方向行进。

同时，循第二光路径23行进的被移频的平行光通过该菱镜263、1/2波板262后成线性偏振光朝第二交会点232行进，通过该分光镜232循该第二光路径23并朝向该第二光路径23终点方向行进。

此时，原本循第一光路径22行进而被待测物100振动作用而被移频的光，与原本即循第二光路径23由第一光组件24移频的光都在该第二光路径23上行进，且在通过该偏极片264后彼此干涉而产生一干涉光，并继续朝向该第二光路径23终端行进。

该接收处理步骤15是令该光接收处理装置27接收该干涉光，并自该干涉光配合该光源21发出的光与对该光源21发出的光移频时输入的资料，即可计算得到待测物100振动的频率。

在本例中，是用电荷耦合元件摄像机271撷取干涉光成影像，再利用计算器272将此影像与已知的待测物100的原始影像、光源21的资料(波长、频率)、声波输入器242输入的波长，即可计算得到待测物100振动的频率、振幅等振动状况的资料。当然，此步骤并非一定要采用电荷耦合元件摄像机271，事实上，只需要内建相关光撷取、或影像处理软体的个人电脑，即可以借着运算干涉光、或撷取到的影像，进而与光源21波长被移频后的频率等原始资讯相运算比较，即可得到待测物100的振动频率、振幅与干涉影像。

由上述说明可知，本发明是将光源21发出的光以第一光学组件24进行移频分光，其中，经过移频的光作为参考光，未移频的光经过第二光学组件25成圆偏极光后，再被待测物100反射，并在接触、被反射的过程中因待测物100的振动而成移频的物光，之后再以第三光学组件26令物光与参考光通过后彼此相干涉，最后即可由光接收处理装置27撷取影像、进行处理与运算，从而快速、准确，且无须接触待测物100即可得到待测物100振动的相关参数。

由于本发明提出的量测系统，多是采用目前已有的、品质稳定、价格低廉的光学元件，例如物镜、准直透镜、1/4波板、1/2波板、分光镜、棱镜、偏极片等等，同时，整组量测系统并无光路长度的限制，所以可以有效缩减价格成本，同时也可以缩小改良成携带式的量测设备，而直接由测量人员携带至现场进行量测，大幅提升量测的便利性，与现场随机量测的准确性。

此外，本发明主要是借着已知的光源、输入波长、待测物原始影像等资料，计算物光与参考光彼此干涉的结果，所以不易受到现场外在因素的干扰，且可进行极为高频振动(100kHz以上)的量测，而适用于各级的待测物的振动量测，确实达到本发明的创作目的。

Claims (11)

1.一种振动的光学量测方法，其特征在于：

该振动的光学量测方法包含

一光学量测系统架设步骤，设置一组光学量测系统，该光学量测系统包含一发出预定波域的光的光源、一供该光源发出且未被移频的光行进的第一光路径，一供该光源发出且被移频的光行进的第二光路径，及一位于该第二光路径终端的光接收处理装置的光学量测系统；

一待测物设置步骤，将待测物置于该第一光路径终端；

一照光步骤，使该光源发光并对发出的光分光移频，其中，未被移频的光沿该第一光路径行进，且被移频的光沿该第二光路径行进；

一干涉发生步骤，让沿该第一光路径行进的光接触待测物并反射，且在接触待测物并反射的过程中被待测物的振动作用而移频，之后转进至该第二光路径行进而与原本在该第二光路径上行进的光彼此作用而产生一干涉光；及

一接收处理步骤，令该光接收处理装置接收该干涉光，并自该干涉光配合该光源发出的光与对该光源移频时输入的资料，计算得到待测物振动的频率。

2.如权利要求1所述振动的光学量测方法，其特征在于：该光学量测系统架设步骤所设置的该光学量测系统，还包含一临靠该光源地设置于该第一光路径上的声光调制器，及一可将预定波长输入至该声光调制器的声波输入器，且当该声波输入器输入预定波长的声波时，该声光调制器对该光源发出的光分光移频。

3.如权利要求2所述振动的光学量测方法，其特征在于：该光学量测系统架设步骤所设置的该光学量测系统，还包含一设置于该第一光路径上并位于该声光调制器与待测物之间的一极化分光镜，与一1/4波板，而使循该第一光路径并朝向该待测物行进的光依序通过该极化分光镜与该1/4波板后成一线性右旋光接触该待测物。

4.如权利要求3所述振动的光学量测方法，其特征在于：该光学量测系统架设步骤所设置的该光学量测系统，还包含一设置于该第二光路径上并位于该声光调制器与该光接收处理装置之间的一棱镜、一1/2波板、一分光镜，与一偏极片，而使循该第二光路径并朝向该光接收处理装置行进的光依序通过该棱镜与1/2波板后成一线性偏振光再依序通过该分光镜与偏极片。

5.如权利要求4所述振动的光学量测方法，其特征在于：该线性右旋光被该待测物反射循该第一光路径并朝向该光源方向行进而依序通过该1/4波板与该极化分光镜后成一线性左旋光并转进至该第二光路径上行进，且在通过该分光镜与该偏极片后与通过该分光镜与偏极片的该线性偏振光作用而产生该干涉光。

6.如权利要求1或4所述振动的光学量测方法，其特征在于：该光学量测系统架设步骤所设置的该光学量测系统的光接收处理装置是一可取像的电荷耦合元件摄像机，及一可撷取该电荷耦合元件摄像机取得的影像并进行运算处理与观看的计算器。

7.一种振动的光学量测系统，其特征在于：

该振动的光学量测系统包含

一光源，发出预定波域的光；

一第一光路径，终端对应位于待测物上；

一第二光路径，与该第一光路径具有介于该光源与该第一光路径终端之间的一第一交会点与一第二交会点；

一第一光学组件，设在该第一光路径上并位于该光源与该第一光路径终端之间，将该光源发出的光分光移频，并使未被移频的光循该第一光路径行进，被移频的光自该第一交会点转循该第二光路径行进；

一第二光学组件，设在该第一光路径上并位于该第一交会点与该第一光路径终端之间，而使光通过后改变形式成线性光；

一第三光学组件，设在该第二光路径上并位于该第一交会点与该第二光路径终端之间，并涵盖该第二交会点，使光通过后改变形式成线性光，且让原本被移频而自该第一交会点转循该第二光路径行进且通过该第三光组件的光，与原本未被移频而循第一光路径行进且自该第二交会点转进至该第二光路径行进且通过该第三光学组件的光彼此相干涉，且继续循该第二光路径向该第二光路径终端行进；及

一光接收处理装置，设在该第二光路径终端以接收光，并以该光源发出的光与该第一光学组件分光移频的资料运算处理接收到的光。

8.如权利要求7所述振动的光学量测系统，其特征在于：该第一光学组件包括一设在该第一交会点上的声光调制器，及一可将预定波长输入至该声光调制器的声波输入器，且当该声波输入器输入预定波长的声波时，该声光调制器对该光源发出的光分光移频。

9.如权利要求7所述振动的光学量测系统，其特征在于：该第二光学组件包括一临靠近该第一光学组件的极化分光镜，及一临靠近该第一光路径终端的1/4波板。

10.如权利要求7所述振动的光学量测系统，其特征在于：该第三光学组件包括一位在该第二交会点的分光镜、一位于该第一交会点与该分光镜之间的1/2波板、一位在该第一交会点与该1/2波板之间的棱镜，及一位于该分光镜与该第二光路径终端之间的偏极片。

11.如权利要求7所述振动的光学量测系统，其特征在于：该光接收处理装置包括一位于该第二光路径终端且可取像的电荷耦合元件摄像机，及一可撷取该电荷耦合元件摄像机取得的影像并进行运算处理与观看的计算器。

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