CN102519573B

CN102519573B - 一种远距离非接触振动测量装置及振动参数的计算方法

Info

Publication number: CN102519573B
Application number: CN 201110424027
Authority: CN
Inventors: 杨若夫; 王运付; 杨春平; 敖明武; 吴健
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102519573A

Abstract

一种远距离非接触测振装置，属激光测振领域。装置由光学系统、被测振动目标和信号处理部分构成，在光学系统中，包含有激光器、光纤两端准直器、望远镜、针孔滤波器和线阵CCD等。由激光器发出的激光分成两路，一路作为信号光，另一路为参考光，两路光通过针孔滤波器后形成两路衍射光，经平面镜反射到聚焦透镜并在焦平面上产生干涉条纹。用线阵CCD将干涉条纹转换为电信号，并输到信号处理部分进行振动参数计算。本发明配备有望远系统，通过调节望远系统焦距，可对不同距离物体进行振动测量，采用线阵CCD作为光探测器，扩大了测量范围、简化了数据处理过程并因此提高了测量精度。

Description

一种远距离非接触振动测量装置及振动参数的计算方法

技术领域

本发明属于激光测量振动领域，特别是能够利用线阵CCD进行高速、实时测量，能够利用望远系统进行远距离的非接触振动测量。

背景技术

振动测量是当前的热门的研究课题，在已有的测振技术中，有压电陶瓷接触测量，激光多普勒测量、激光干涉测量、散斑法测量等技术。

2010年公布的一份专利《一种激光零差测振光学系统及其信号处理方法》，其专利号为201010129624.5，其结构图如附图1，该系统是由激光器1，准直器2，分光棱镜3，平面反射镜4，二象限探测器5和被测目标6组成。从激光器1发出的激光经准直器2准直后，通过分光棱镜3分成两束，其中一束被平面镜4反射后再次透过分光镜3并投向二象限探测器5，作为参考光束，另一束光经被测目标6反射后，被分光棱镜3反射并投向二象限探测器5，此为信号光束。参考光束和信号光束在二象限探测器5表面发生干涉，由二象限探测5输出两路有固定相位差的信号U1,、U2，该两路信号再进入信号处理部分。在信号处理部分，对两路信号进行平滑滤波、单位圆校正、相位微分相除等算法，可以将振动信号还原出来。该测试系统优点是使用器件少，但仍存在有如下缺陷：首先，该装置采用的是象元数等于2或大于2的探测器，（实际应用中只用到其中的两个象元）同时要调节光路使产生的干涉条纹间距大于二象限探测器光敏面的直径，这在实际操作中是很困难的，尤其当光敏面和光线不能垂直时，探测器将无法正确反应干涉条纹的变化。其次，在信号处理过程中，最小二乘法一般无法直接获得正交信号，而需要对非正交信号进行单位圆校正，因此存在附加误差。第三，该装置中采用的是迈克尔逊干涉系统，光路中的干扰信息难以有效避免。

发明内容

针对原振动测量系统存在的问题，本发明提供一种新的振动测量装置，减少调试难度，简化处理算法，尽可能避免干扰，以提高测量精度、扩大测量范围和便于测量操作。

该装置由三部分组成如附图2，分别是由虚线框起来的光学系统、被探测的振动目标7和信号处理部分15。其中光学系统部分由带准直扩束激光器1，高反射直角棱镜2，光衰减器组3，笫一反射平面镜4，第二反射平面镜5，光纤两端准直器6，望远系统8，分光镜9，针孔滤波器10，笫三反射平面镜11，聚焦透镜12，线阵CCD13和线阵CCD采卡14组成。

带准直扩束激光器1发出的激光束由分光镜9分成两束，一束较强的光透过分光镜射向振动物体7，由振动物体7漫反射产生的光被望远系统8收集，并耦合到光纤两端准直器6，然后出射到笫二反射平面镜5射向针孔滤波器10，该束光带有振动物体7的振动信息，作为信号光；另一束较弱的光经笫一反射平面镜4反射后，透过光衰减器组3，再经高反射直角棱镜2，使折回的光束与入射光束有空间位移，再经第一反射平面镜4转向，也射向针孔滤波器10，构成参考光。调整光路使两束光保持平行。两束光均只有一部分通过针孔滤波器，形成两束衍射光，经第三反射平面镜（11）转向，再透过聚焦透镜（12）在焦平面上产生干涉条纹，干涉条纹中的最大光强对应的位置与振动物体7的位移量具有确定的比例关系，如附图4。在干涉条纹所在位置放置线阵CCD13，将干涉条纹转换为电信号，电信号经线阵CCD采集卡14采集后输出到信号处理部分。

信号处理部分是一台微型计算机。计算程序基于本专利第一发明人杨若夫先生在2009年12月物理学报上的一篇文章《基于能动分块反射镜的两路光纤放大器相位探测及其相干合成实验研究》提到的算法，但加以改进并应用到本测振系统中。基本步骤是在每帧中确认条纹最大值的位置，然后转换成振动物体7的位移值，按每帧顺序排序以获得振动物体7的位移变化函数，对该函数实行微分运算，就可以还原出振动信号。

本装置具有以下优点：

①配备有望远系统8，通过调节望远系统焦距，可以对不同距离物体进行振动测量；②采用线阵CCD作为光探测器，线阵CCD的像素间距比之一般象限探测器的像素间距小，可以分辨更微小的变化以提高测量精度；③采用针孔滤波器10，去除多余干扰光，保证干涉条纹的清晰度和准确性；④装置中采用光纤两端准直器6，可以使装置不受外界冲击震动的影响，还可以将光准直成平行光束。

附图说明

图1是已有技术，《一种激光零差测振光学系统机器信号处理方法》的结构图，其中：1—激光器，2—光束准直器，3分光棱镜，4—平面镜，5—二象限光电探测器，6—扬声器。

图2是本发明的装置结构图

其中：1—激光器，2—高反射直角棱镜，3—衰减透镜组，4、5、11—分别为第一、第二、第三反射平面镜，6—光纤两端准直器，7是测量目标，9—分光镜，10—针孔滤波器，12—聚焦透镜，13—线阵CCD，14—线阵CCD采集卡，15—计算机

图3是振动还原算法的流程图

图4是平移相位差和每帧图像中光强最大值对应坐标之间的关系图

图5是线阵CCD上干涉条纹的光强分布图

具体实施方式

结合附图2，本发明的远距离非接触振动测量装置中，图中13线阵CCD采用TCD1001P线阵CCD器件，像元数具有128，采集频率可以达到2MHz，CCD驱动程序和采集程序采用天津市琦瑶科技有限公司的产品；图中1采用532nm半导体泵浦固体激光器；图中9分光镜的分光比为反射系数比透射系数为1：99；图中7被测目标采用正弦信号驱动的扬声器；图中8是望远镜；图中6是光纤两端准直器；图中4、5、11分别是反射平面镜；图中10是针孔滤波器；图中12是凸透镜；图中3是光衰减器组，由一组光衰减片组成；图中2是高反直角棱镜；图中14是线阵CCD采集卡；图中15是计算机。

接通激光器1电源，激光器发出准直的激光，并投射到分光棱镜9上，一小部分光被反射到第一反射平面镜4，再经过高反直角棱镜2折回，经第一反射平面镜4反射射向针孔滤波器10，成为干涉的参考光；在分光棱镜9上透射的大部分光射向扬声器7上，光波会在扬声器表面发生漫反射，反射光的一部分进入望远镜的物镜，此时调节望远系统，让进入望远镜的光聚焦于光纤两端准直器6的右端，在光纤准直器的左端射出，并经过第二反射平面镜5反射射向10针孔滤波器，是为信号光。两束光均只有一部分通过针孔滤波器，形成两束衍射光，经第三反射平面镜11转向，再透过聚焦透镜12，在线阵CCD所在的焦平面位置上产生干涉条纹。此时线阵CCD可感应干涉条纹的变化，转换为电信号，并经过线阵CCD采集卡14输入到计算机内部。

计算机内部的操作过程是：

1．顺序采集第i帧图像（i=0，1，2……），i=1时为第一帧图像，判断是否为第一帧图像（i=0?）。

①如果是第一帧图像（i=0），判断此帧图像中最大光强的个数j（最大光强的个数为1或者2）。如果有一个最大光强（j=1），计算条纹的振动周期L，并找到本帧图像最大峰值所对应坐标P0，之后触发采集第二帧图像并存储进入稍后的计算；如果有两个最大光强（j=2），放弃本帧图像的数据记录，并触发采集下一帧图像作为第一帧图像。

②如果不是第一帧图像（i≠0），判断此帧图像中最大光强的个数j。如果有一个最大光强（j=1），寻找本帧图像最大峰值对应坐标Pi，之后存储用于稍后的计算并触发采集下一帧（i+1）图像；如果有两个最大光强，取靠近P（i-1）的最大光强的坐标为Pi，存储用于稍后的计算并触发采集下一帧（i+1）图像。

2．求第i帧和第（i-1）帧图像的最大峰值坐标差的绝对值Di=|Pi-P(i-1)|并和L比较，定义坐标移动量Si且令S0=0。

①如果Di<L，坐标移动量是S（i+1）=Si+（P（i+1）-Pi）；

②如果Di>L，坐标移动量S（i+1）=Si+Pi(2L-Di)/|Pi|；

3．计算振动位移量，振动位移量是Vi=S(i+1)λ/(2L)，其中Vi是随采集帧频变化的函数，λ是激光波长。在得到振动位移量之后，还可以继续更多的操作，比如计算振动频率、速度、加速度等信息。

Claims

1.一种远距离非接触振动测量装置，包括有光学系统、被测振动目标和信号处理部分，其特征在于所述的光学系统由带准直扩束激光器（1），高反射直角棱镜（2），光衰减器组（3），第一反射平面镜（4），第二反射平面镜（5），光纤两端准直器（6），望远系统（8），分光镜（9），针孔滤波器（10），第三反射平面镜（11），聚焦透镜(12)，线阵CCD(13)和线阵CCD采集卡（14）组成；带准直扩束激光器（1）发出的激光在分光镜（9），分成两束光，一束较强的光透过分光镜射向振动物体（7），由振动物体（7）漫反射产生的光被望远系统（8）所收集，耦合到光纤两端准直器（6），再出射到笫二反射平面镜（5），通过第二反射平面镜（5）反射射向针孔滤波器（10），构成干涉的一束光，该束光带有振动物体(7)的振动信息，作为信号光；另一束较弱光经笫一反射平面镜（4）反射后，透过光衰减器组（3），再经高反射直角棱镜（2），产生一定空间位移并折回，经笫一反射平面镜（4）转向，也射向针孔滤波器（10），构成干涉的参考光；调整光路使两路光保持平行，到达针孔滤波器（10），两束光均只有一部分通过针孔滤波器，形成两束衍射光，经第三反射平面镜（11）转向，再透过聚焦透镜（12）在焦平面上产生干涉条纹,采用线阵CCD（13）检测干涉条纹，并经线阵CCD采集卡（14）采集后输出到信号处理部分。

2.采用权利要求1所述的装置，进行振动参数的计算方法，其特征在于有一定空间距离的两束激光，透过聚焦透镜之后，在焦平面上产生位置变化的干涉条纹，每帧干涉条纹中的最大光强对应的位置与振动物体（7）的位移量具有确定的比例关系，顺序采集每帧条纹图像，可以获得振动物体（7）的位移随帧数的变化函数，对该函数实行微分运算，就可以还原出振动信号。