CN102721505B - 基于光干涉的气压分布测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于光干涉的气压分布测量装置，包括光源、干涉显微镜、第一光电传感器、分光转换器、数据采集器、计算机、透明玻璃板、反射平台、系统支架；其中，透明玻璃板与反射平台组成间距可调的填装被测气体的气腔；系统支架包括高度可调的第一支架与第二支架，第一支架与第二支架装设在透明玻璃板上方；光源、干涉显微镜、第一光电传感器、分光转换器均装设于第一支架与第二支架之间。本发明可测量厚度为微米量级的气膜和气膜内部气压动态变化，测量精度高，可广泛应用于气压检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及气压测量技术，特别是涉及一种基于光干涉的气压分布测量装置。
背景技术
气体轴承是一种采用气体作为润滑介质的流体膜润滑轴承。在轴与轴承座内侧的刚性层或柔性层之间，作为润滑介质的气体形成气膜，该气膜的内部气压使转子浮起，避免轴与轴承座之间的直接接触。在气体轴承正常运转情况下，气膜呈楔形。气膜是否为理想楔形与气膜内部气压的分布是气体轴承载荷范围、运转状态、输出精度等性能的关键因素。因此，对气膜内部气压分布进行测量具有重要的意义。
目前，对气膜等内部气压实时变化的气压分布的测量方法比较少。如专利号为ZL 00234624.9的中国实用新型专利“相干激光气体压力变化高精度监测仪”采用了取压的方法测量气体压力，将光学气体腔与被测气体的容器相连通，利用气体在不同的气压与温度下对光的折射率不同的原理，根据两束激光在光学气体腔中的反射次数以及两束激光光束相干涉产生的干涉条纹，测量气压分布比较均匀的气体的气压，并确定测量精度。这里，光学气腔中的气膜厚度为毫米量级，而且被测气体的气压为静态气压，同时静压取压口会影响原气体压力场分布。
由此可见，现有技术无法测量气膜内部的气体压力动态变化时的气压，也无法测量毫米量级以下的气膜气压，而且测量精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量精度高、厚度为微米量级和内部气压动态变化的基于光干涉的气压分布测量装置。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：包括支架以及安装在支架内的光源、干涉显微镜、第一光电传感器和分光转换器，在干涉显微镜的下端设置有由透明玻璃板与反射平台组成的填装被测气膜的气腔；
光源用于将生成的包含两种或两种以上单色光的原复合光发送至干涉显微镜；
干涉显微镜用于对光源发送的原复合光预处理，并将得到的预处理复合光按比例分为两束，一束预处理复合光被发送至第一光电传感器，另一束预处理复合光被发送至透明玻璃板；对透明玻璃板返回的反射光进行放大处理，并将得到的放大反射光发送至分光转换器；
第一光电传感器用于将干涉显微镜发送的一束预处理复合光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器；
分光转换器用于从干涉显微镜发送的放大反射光中提取两种或三种单色光，并将提取到的各单色光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器；
数据采集器用于将采集的第一光电传感器发送的预处理复合光电信号与分光转换器发送的各单色光电信号转发至计算机；
计算机，用于预先存储气体折射率与气体压强之间的对应关系；对来自数据采集器的预处理复合光电信号与各单色光电信号进行处理，根据得到各单色光电信号产生的干涉信号强度与预处理复合光电信号的信号强度确定被测区域内的气体折射率，再根据气体折射率与气体压强之间的对应关系，确定被测区域内气膜的内部气压分布。
所述基于光干涉的气压分布测量装置还包括第一分束器、干涉摄像仪和干涉照相机；
其中，第一分束器设置在干涉显微镜与分光转换器之间，将透明玻璃板返回的放大反射光按比例分为两束：一束放大反射光被发送至干涉摄像仪，另一束放大反射光被发送至所述分光转换器；
干涉摄像仪将捕捉到的一束放大反射光发送至干涉照相机；
干涉照相机对来自干涉摄像仪的一束放大反射光进行成像，并将成像信息发送至计算机。
所述干涉显微镜包括准直镜、第二分束器、物镜；其中，准直镜与第二分束器在同一水平位置，物镜设于第二分束器的垂直下方；
准直镜对所述光源发送的原复合光进行平行化处理，并将得到的预处理复合光发送至第二分束器；
第二分束器将来自准直镜的预处理复合光按比例分为两束：一束预处理复合光被发送至第一光电传感器，另一束预处理复合光被发送至物镜，同时将来自物镜的放大反射光转发至所述分光转换器或第一分束器；
物镜将来自第二分束器的另一束预处理复合光发送至所述透明玻璃板；将所述透明玻璃板返回的反射光进行放大，并将得到的放大反射光发送至第二分束器。
所述分光转换器包括第三分束器、第一吸收针孔镜、第一干涉滤光片（、第二光电传感器、第二吸收针孔镜、第四分束器、第二干涉滤光片、第三光电传感器、第三干涉滤光片、第四光电传感器；其中，
第三分束器将来自所述干涉显微镜或第一分束器的放大反射光按比例分为两束，一束放大反射光被发送至第一吸收针孔镜，另一束放大反射光被发送至第二吸收针孔镜；
第一吸收针孔镜将来自第三分束器的一束放大反射光通过所述第一吸收针孔镜自身的吸收针孔进行平行化处理后，将得到的第一平行化放大反射光发送至第一干涉滤光片；
第一干涉滤光片从第一吸收针孔镜发送的第一平行化放大反射光中提取波长为λ1的第一单色光，并将该第一单色光发送至第二光电传感器；
第二光电传感器将来自第一干涉滤光片的第一单色光由光信号转换为电信号后发送至所述数据采集器；
第二吸收针孔镜对来自第三分束器的另一束放大反射光通过所述第二吸收针孔镜自身的吸收针孔进行平行化处理后，将得到的第二平行化放大反射光发送至第四分束器；
第四分束器将来自第二吸收针孔镜的第二平行化放大反射光按比例分为两束，一束第二平行化放大反射光被发送至第二干涉滤光片，另一束第二平行化放大反射光被发送至第三干涉滤光片；
第二干涉滤光片从第四分束器发送的一束第二平行化放大反射光中提取波长为λ2的第二单色光，并将该第二单色光发送至第三光电传感器；
第三光电传感器将第二干涉滤光片发送的第二单色光由光信号转换为电信号后发送至所述数据采集器；
第三干涉滤光片用于从来自第四分束器的另一束第二平行化放大反射光中提取波长为λ3的第三单色光，并将该第三单色光发送至第四光电传感器；
第四光电传感器将第三干涉滤光片发送的第三单色光由光信号转换为电信号后发送至所述数据采集器。
所述透明玻璃板下表面有半透膜。
所述透明玻璃板与反射平台组成间的填装被测气膜的气腔的间距可调，其调节精度为微米量级。
本发明所述基于光干涉的气压分布测量装置中，数据采集器的采集速度可达数兆数据点每秒，相邻采集数据之间的采集时间间隔很短，相邻采集数据可看作是气膜内部的动态气压；而且，干涉显微镜对玻璃板返回的反射光具有放大处理的功能；基于上述原因，本发明能实现微米量级和内部气压动态变化的气膜气压测量，且测量精度较高。
附图说明
图1为本发明实施例1的组成结构示意图；
图2为本发明实施例2所述基于光干涉的气压分布测量装置的第二种组成结构示意图;
图3为本发明干涉显微镜2的组成结构示意图；
图4为本发明分光转换器4的组成结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
参见图1，本发明所述基于光干涉的气压分布测量装置包括光源1、干涉显微镜2、第一光电传感器3、分光转换器4、数据采集器5、计算机6、透明玻璃板7、反射平台8、系统支架9；其中，透明玻璃板7与反射平台8组成间距可调的填装被测气膜的气腔；系统支架9包括高度可调的第一支架91与第二支架92，第一支架91与第二支架92装设在透明玻璃板7上方；光源1、干涉显微镜2、第一光电传感器3、分光转换器4均装设于第一支架91与第二支架92之间；
光源1，用于将生成的包含两种或两种以上单色光的原复合光发送至干涉显微镜2。
干涉显微镜2，用于对光源1发送的原复合光进行预处理，并将得到的预处理复合光按比例分为两束后，一束预处理复合光被发送至第一光电传感器3，另一束预处理复合光被发送至透明玻璃板7；对透明玻璃板7返回的反射光进行放大处理，并将得到的放大反射光发送至分光转换器4。
第一光电传感器3，用于将干涉显微镜2发送的一束预处理复合光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器5。
分光转换器4，用于从干涉显微镜2发送的放大反射光中提取两种或三种单色光，并将提取到的各单色光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器5。
实际应用中，分光转换器4从放大反射光中提取的两种或三种单色光即为光源1生成的组成原复合光的两种或三种单色光。单色光具有单一波长。
数据采集器5，用于将高速采集的第一光电传感器3发送的预处理复合光电信号与分光转换器4发送的各单色光电信号转发至计算机6。
实际应用中，数据采集器5的采集速度可达数兆数据点每秒。数据采集器5的采集速度由根据需要选定的采集卡确定。
计算机6，用于预先存储气体折射率与气体压强之间的对应关系；对来自数据采集器5的预处理复合光电信号与各单色光电信号进行处理，根据得到各单色光电信号产生的干涉信号强度与预处理复合光电信号的信号强度确定被测区域内的气体折射率，再根据气体折射率与气体压强之间的对应关系，确定被测区域内气膜的内部气压分布。
实际应用中，气膜为被测气体形成的薄膜。
实际应用中，气体折射率与气体压强之间的对应关系的确定为现有技术，此处不再赘述。
本发明中，透明玻璃板7下表面有半透膜，照射到半透膜的光束，比如，预处理复合光，不会发生偏向与较大的能量损失。
本发明中，透明玻璃板7与反射平台8组成间距可调的填装被测气体的气腔的调节精度为微米量级。
总之，本发明所述基于光干涉的气压分布测量装置中，由光源生成的包含两种或三种单色光的原复合光通过干涉显微镜分束后得到预处理复合光，一束预处理复合光经过光电传感器、数据采集器后，该束预处理复合光的电信号被传输至计算机，通过计算机的处理得到原复合光的信号；另一束预处理复合光通过玻璃板进入气腔，在气腔内进行多次反射和折射后，将得到反射光返回至干涉显微镜进行放大处理后，将得到放大反射光传输至分光转换器，由分光转换器从放大反射光中提取出各单色光，各单色光经过数据采集器被传输至计算机，计算机通过干涉处理得到各单色光信号产生的干涉信号强度；根据各单色光电信号产生的干涉信号强度与预处理复合光电信号的信号强度确定所测区域的气体折射率，再根据气体折射率与气体压强之间的对应关系，进一步确定该区域内气膜的内部气压分布。移动本发明中的第一支架与第二支架，可以实现整个区域气膜的内部气压分布。本发明中，数据采集器的采集速度可达数兆数据点每秒，干涉显微镜对玻璃板返回的反射光具有放大处理的功能；因此，本发明能实现厚度为微米量级和内部气压动态变化的气膜气压测量，且测量精度较高。
实施例2：
参见图2，本实施例在实施例1的结构上还包括第一分束器10、干涉摄像仪11、干涉照相机12；其中，
第一分束器10设置在干涉显微镜2与分光转换器4之间，用于将透明玻璃板7返回的放大反射光按比例分为两束：一束放大反射光被发送至干涉摄像仪11，另一束放大反射光被发送至分光转换器4。
这里，第一分束器10分束的比例由该第一分束器10本身确定，可以为5:5、4:6等。实际应用中，可根据所需分束的比例选择具有相应比例的分束器。
干涉摄像仪11，用于将捕捉到的一束放大反射光发送至干涉照相机12。
干涉照相机12，用于对来自干涉摄像仪11的一束放大反射光进行成像，并将成像信息发送至计算机6。
实际应用中，第一分束器10、干涉摄像仪11、干涉照相机12组成的成像部分对本发明得到的测量结果起检验作用。
参见图3，本发明的干涉显微镜2包括准直镜21、第二分束器22、物镜23；其中，准直镜21与第二分束器22在同一水平位置水平装设，物镜23装设于第二分束器22的垂直下方；
准直镜21，用于对光源1发送的原复合光进行平行化处理，并将得到的预处理复合光发送至第二分束器22。
第二分束器22，用于将来自准直镜21的预处理复合光按比例分为两束：一束预处理复合光被发送至第一光电传感器3，另一束预处理复合光被发送至物镜23，同时将来自物镜23的放大反射光转发至分光转换器4或第一分束器10。
物镜23，用于将来自第二分束器22的另一束预处理复合光发送至透明玻璃板7；将透明玻璃板7返回的反射光进行放大，并将得到的放大反射光发送至第二分束器22。
本发明中，第二分束器22分束的比例由所述第二分束器22本身确定，可根据实际需要选择合适的分束器。
参见图4，本发明分光转换器4包括第三分束器41、第一吸收针孔镜42、第一干涉滤光片43、第二光电传感器44、第二吸收针孔镜45、第四分束器46、第二干涉滤光片47、第三光电传感器48、第三干涉滤光片49、第四光电传感器410；其中，第三分束器41，用于将来自干涉显微镜2或第一分束器10的放大反射光按比例分为两束，一束放大反射光被发送至第一吸收针孔镜42，另一束放大反射光被发送至第二吸收针孔镜45。
第一吸收针孔镜42，用于将来自第三分束器41的一束放大反射光通过所述第一吸收针孔镜42自身的吸收针孔进行平行化处理后，将得到的第一平行化放大反射光发送至第一干涉滤光片43。
第一干涉滤光片43，用于从第一吸收针孔镜42发送的第一平行化放大反射光中提取波长为λ1的第一单色光，并将该第一单色光发送至第二光电传感器44。
第二光电传感器44，用于将来自第一干涉滤光片43的第一单色光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器5。
第二吸收针孔镜45，用于对来自第三分束器41的另一束放大反射光通过所述第二吸收针孔镜45自身的吸收针孔进行平行化处理后，将得到的第二平行化放大反射光发发送至第四分束器46。
第四分束器46，用于将来自第二吸收针孔镜45的第二平行化放大反射光按比例分为两束，一束第二平行化放大反射光被发送至第二干涉滤光片47，另一束第二平行化放大反射光被发送至第三干涉滤光片49。
第二干涉滤光片47，用于从第四分束器46发送的一束第二平行化放大反射光中提取波长为λ2的第二单色光，并将该第二单色光发送至第三光电传感器48。
第三光电传感器48，用于将第二干涉滤光片47发送的第二单色光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器5。
第三干涉滤光片49，用于从来自第四分束器46的另一束第二平行化放大反射光中提取波长为λ3的第三单色光，并将该第三单色光发送至第四光电传感器410。
第四光电传感器410，用于将第三干涉滤光片49发送的第三单色光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器5。
实际应用中，第一吸收针孔镜42与第二吸收针孔镜45的吸收针孔可以吸收未透过其的光波，并减少信号干扰。
实际应用中，第一干涉滤光片43、第二干涉滤光片47、第三干涉滤光片49分别选择性地透过不同波长的单色光。这样，分光转换器4就可以实现对单色光的准确区分。
实际应用中，当将本发明所述基于光干涉的气压分布测量装置应用于静压气体止推轴承研究中时，反射平台8上设置有若干供气孔，气体通过气孔进入玻璃板7与反射平台8构成的气腔后，测量被测气体构成的气膜的内部气压。当将本发明所述基于光干涉的气压分布测量装置应用于动压气体轴承中时，则需要要将玻璃板7预先装入轴承座中，将轴承表面视为反射平台，从而测量被测气体构成的气膜的内部气压。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于光干涉的气压分布测量装置，包括支架以及安装在支架内的光源（1）、干涉显微镜（2）、第一光电传感器（3）和分光转换器（4），其特征在于：在干涉显微镜（2）的下端设置有由透明玻璃板（7）与反射平台（8）组成的填装被测气膜的气腔；
光源（1）用于将生成的包含两种或两种以上单色光的原复合光发送至干涉显微镜（2）；
干涉显微镜（2）用于对光源（1）发送的原复合光预处理，并将得到的预处理复合光按比例分为两束，一束预处理复合光被发送至第一光电传感器（3），另一束预处理复合光被发送至透明玻璃板（7）；对透明玻璃板（7）返回的反射光进行放大处理，并将得到的放大反射光发送至分光转换器（4）；
第一光电传感器（3）用于将干涉显微镜（2）发送的一束预处理复合光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器（5）；
分光转换器（4）用于从干涉显微镜（2）发送的放大反射光中提取两种或三种单色光，并将提取到的各单色光由光信号转换为电信号后发送至数据采集器（5）；
数据采集器（5）用于将采集的第一光电传感器（3）发送的预处理复合光电信号与分光转换器（4）发送的各单色光电信号转发至计算机（6）；
计算机（6），用于预先存储气体折射率与气体压强之间的对应关系；对来自数据采集器的预处理复合光电信号与各单色光电信号进行处理，根据得到各单色光电信号产生的干涉信号强度与预处理复合光电信号的信号强度确定被测区域内的气体折射率，再根据气体折射率与气体压强之间的对应关系，确定被测区域内气膜的内部气压分布。
2.根据权利要求1所述的基于光干涉的气压分布测量装置，其特征在于，所述基于光干涉的气压分布测量装置还包括第一分束器（10）、干涉摄像仪（11）和干涉照相机（12）；
其中，第一分束器（10）设置在干涉显微镜（2）与分光转换器（4）之间，将透明玻璃板（7）返回的放大反射光按比例分为两束：一束放大反射光被发送至干涉摄像仪（11），另一束放大反射光被发送至所述分光转换器（4）；
干涉摄像仪（11）将捕捉到的一束放大反射光发送至干涉照相机（12）；
干涉照相机（12）对来自干涉摄像仪（11）的一束放大反射光进行成像，并将成像信息发送至计算机（6）。
3.根据权利要求1或2所述的基于光干涉的气压分布测量装置，其特征在于，所述干涉显微镜（2）包括准直镜（21）、第二分束器（22）、物镜（23）；其中，准直镜（21）与第二分束器（22）在同一水平位置，物镜（23）设于第二分束器（22）的垂直下方；
准直镜（21）对所述光源（1）发送的原复合光进行平行化处理，并将得到的预处理复合光发送至第二分束器（22）；
第二分束器（22）将来自准直镜（21）的预处理复合光按比例分为两束：一束预处理复合光被发送至第一光电传感器（3），另一束预处理复合光被发送至物镜（23），同时将来自物镜（23）的放大反射光转发至所述分光转换器（4）或第一分束器（10）；
物镜（23）将来自第二分束器（22）的另一束预处理复合光发送至所述透明玻璃板（7）；将所述透明玻璃板（7）返回的反射光进行放大，并将得到的放大反射光发送至第二分束器（22）。
4.根据权利要求1或2所述的基于光干涉的气压分布测量装置，其特征在于，所述分光转换器（4）包括第三分束器（41）、第一吸收针孔镜（42）、第一干涉滤光片（43）、第二光电传感器（44）、第二吸收针孔镜（45）、第四分束器（46）、第二干涉滤光片（47）、第三光电传感器（48）、第三干涉滤光片（49）、第四光电传感器（410）；其中，
第三分束器（41）将来自所述干涉显微镜（2）或第一分束器（10）的放大反射光按比例分为两束，一束放大反射光被发送至第一吸收针孔镜（42），另一束放大反射光被发送至第二吸收针孔镜（45）；
第一吸收针孔镜（42）将来自第三分束器（41）的一束放大反射光通过所述第一吸收针孔镜（42）自身的吸收针孔进行平行化处理后，将得到的第一平行化放大反射光发送至第一干涉滤光片（43）；
第一干涉滤光片（43）从第一吸收针孔镜（42）发送的第一平行化放大反射光中提取波长为λ1的第一单色光，并将该第一单色光发送至第二光电传感器（44）；
第二光电传感器（44）将来自第一干涉滤光片（43）的第一单色光由光信号转换为电信号后发送至所述数据采集器（5）；
第二吸收针孔镜（45）对来自第三分束器（41）的另一束放大反射光通过所述第二吸收针孔镜（45）自身的吸收针孔进行平行化处理后，将得到的第二平行化放大反射光发送至第四分束器（46）；
第四分束器（46）将来自第二吸收针孔镜（45）的第二平行化放大反射光按比例分为两束，一束第二平行化放大反射光被发送至第二干涉滤光片（47），另一束第二平行化放大反射光被发送至第三干涉滤光片（49）；
第二干涉滤光片（47）从第四分束器（46）发送的一束第二平行化放大反射光中提取波长为λ2的第二单色光，并将该第二单色光发送至第三光电传感器（48）；
第三光电传感器（48）将第二干涉滤光片（47）发送的第二单色光由光信号转换为电信号后发送至所述数据采集器（5）；
第三干涉滤光片（49）用于从来自第四分束器（46）的另一束第二平行化放大反射光中提取波长为λ3的第三单色光，并将该第三单色光发送至第四光电传感器（410）；
第四光电传感器（410）将第三干涉滤光片（49）发送的第三单色光由光信号转换为电信号后发送至所述数据采集器（5）。
5.根据权利要求1或2所述的基于光干涉的气压分布测量装置，其特征在于，所述透明玻璃板下表面有半透膜。
6.根据权利要求1或2所述的基于光干涉的气压分布测量装置，其特征在于，所述透明玻璃板与反射平台组成间的填装被测气膜的气腔的间距可调，其调节精度为微米量级。
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