CN101907485B - 非接触结构微振动监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非接触结构微振动监测装置，其特征在于：包括热光源、透镜、小孔、分光镜、参考镜、待检测的振动结构、光纤、光谱仪和带有数据采集和处理系统的电脑，热光源、透镜、小孔、透镜、分光镜、待检测的振动结构成一直线排列，其垂直方向上排列有参考镜、分光镜、透镜；透镜的光路信号连接到光纤的一端，光纤的另一端连接到光谱仪的输入端，光谱仪的输出端通过通讯总线与带有数据采集和处理系统的电脑相连接。该装置能实现高精度实时在线监测结构的振动，特别是微米级的振动检测。该装置直接测量结构的振动位移，检测精度可以达到亚微米级。

Description

非接触结构微振动监测装置
技术领域
本发明属于光测力学、振动状态监测和分析等技术领域，特别涉及非接触结构微振动监测装置。 
背景技术
现有的振动监测多采用接触式测量，如利用压电式加速度传感器的测量方法，此类加速度传感器在安装的时候多采用蜡或者小螺栓结构等来固定。一般情况下,蜡会影响结构阻尼的测量；小螺栓结构和加速度传感器自身的附加重量会影响结构的模态从而导致结构振动测量的误差，特别是对于结构比较轻的场合。而且，加速度传感器所能测量的频率范围有个最小值，即所谓的“截止频率”，一般在0.1 ~ 1 Hz,这就限制了超低频振动的测量。在高精密微电子生产设备领域中，有关学者研究发现低频振动成份严重影响着精密仪器的性能。 
发明内容
本发明非接触结构微振动监测装置，其特征在于：包括热光源（1）、透镜（2，4和8）、小孔（3）、分光镜（5）、参考镜（6）、待检测的振动结构（7）、光纤（9）、光谱仪（10）和带有数据采集和处理系统的电脑（11），热光源（1）、透镜（2）、小孔（3）、透镜（4）、分光镜（5）、待检测的振动结构（7）成一直线排列，其垂直方向上排列有参考镜（6）、分光镜（5）、透镜（8）；透镜（8）的光路信号连接到光纤（9）的一端，光纤（9）的另一端连接到光谱仪（10）的输入端，光谱仪（10）的输出端通过通讯总线与带有数据采集和处理系统的电脑（11）相连接，所述热光源（1）为钨丝卤素灯。 
本发明技术方案如下： 
本发明非接触结构微振动监测装置，其特征在于：包括热光源
（1）、透镜（2， 4和8）、小孔（3）、分光镜 （5）、参考镜（6）、待检测的振动结构（7）、光纤（9）、光谱仪（10）和带有数据采集和处理系统的电脑（11），热光源（1）、透镜（2）、小孔（3）、透镜（4）、分光镜 （5）、待检测的振动结构（7）成一直线排列，其垂直方向上排列有参考镜（6）、分光镜 （5）、透镜（8）；透镜（8）的光路信号连接到光纤（9）的一端，光纤（9）的另一端连接到光谱仪（10）的输入端，光谱仪（10）的输出端通过通讯总线与带有数据采集和处理系统的电脑（11）相连接。
该装置能实现高精度实时在线监测结构的振动，特别是微米级的振动检测。该装置直接测量结构的振动位移，检测精度可以达到亚微米级。 
附图说明
图1为本发明实施例的系统装置图； 
图2为本发明实施例的振动结构图；
图3为利用本发明检测结构振动的时域(a)和频域图（b）。
具体实施方式
参看图1，包括热光源 
（1）、透镜（2， 4和8）、小孔（3）、分光镜 （5）、参考镜（6）、待检测的振动结构（7）、光纤（9）、光谱仪（10）和带有数据采集和处理系统的电脑（11），热光源（1）、透镜（2）、小孔（3）、透镜（4）、分光镜 （5）、待检测的振动结构（7）成一直线排列，其垂直方向上排列有参考镜（6）、分光镜 （5）、透镜（8）；透镜（8）的光路信号连接到光纤（9）的一端，光纤（9）的另一端连接到光谱仪（10）的输入端，光谱仪（10）的输出端通过通讯总线与带有数据采集和处理系统的电脑（11）相连接。
图2是本发明实施例的应用实例，具体是粘贴在电子喇叭（12）上的有机玻璃（13）。该结构的振动是由NI卡（14）驱动电子喇叭产生。 
图3给出了该结构振动的时域波形（a）和频域波形(b)。由图3(b）可以获知结构振动的频率和幅值。该系统直接测量结构的振动位移，检测精度可以达到亚微米级。 
本发明的工作过程如下：热光源（1）是由钨丝卤素灯产生，其发出的光经过凸透镜（2）产生热光源的像，再利用小孔（3）得到其中一钨丝发出的光。该光经过透镜（4）聚光，然后利用分光镜（5）将光分成两路，一路光照到参考镜，另一路光照到待检测的振动结构（7）。两束光分别在参考镜和振动结构表面发生反射到分光镜的另一侧发生双光束干涉并由透镜（8）将光聚入光纤。光纤的另一端连接到光谱仪（10）的输入端，光谱仪的输出端通过通讯总线将光谱信号传送至带有数据采集和处理系统的电脑（11）。在电脑上完成实时数据采集，利用频域光谱分析方法实时提取振动结构表面位移的时域数据曲线（如图3（a）所示），并且利用傅立叶变换算法由时域曲线得到振动的频域曲线（如图3(b)所示），从中就可以获得结构振动的参数，比如振动幅值和振动频率。 
该发明改变了光学相干层析系统目前只能用于检测结构内部特性的现状，首次将光学相干层析系统拓展到振动工程领域。它是一种非接触的振动测量方法，不需要将传感器安装在结构上，从而不会因传感器自身的重量影响结构的模态而导致测量的误差(比如压电式加速度传感器)。另外由于本发明采用频谱较宽的热光源，所以检测精度和动态范围极高，可实现亚微米级的微振动测量。另外，该测量系统能实现较大的振动检测范围，可以从零赫兹到几千赫兹（最大的检测频率要根据光谱仪的性能而定），完全可以满足工程领域的振动测量。特别是在超低频振动领域，由于该发明不存在前面所述的“截止频率”，所以它在高精密仪器的振动测量和振动控制上有着非常广阔的应用前景。 

Claims (1)

1.一种非接触结构微振动监测装置，其特征在于：包括热光源（1）、三个透镜（2，4，8）、小孔（3）、分光镜（5）、参考镜（6）、待检测的振动结构（7）、光纤（9）、光谱仪（10）和带有数据采集和处理系统的电脑（11），热光源（1）、第一透镜（2）、小孔（3）、第二透镜（4）、分光镜（5）、待检测的振动结构（7）成一直线排列，其垂直方向上排列有参考镜（6）、分光镜（5）、第三透镜（8）；第三透镜（8）的光路信号连接到光纤（9）的一端，光纤（9）的另一端连接到光谱仪（10）的输入端，光谱仪（10）的输出端通过通讯总线与带有数据采集和处理系统的电脑（11）相连接，所述热光源（1）为钨丝卤素灯。
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