CN103759805A - 计数式非接触光纤微振动测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计数式非接触光纤微振动测量方法和装置。本发明装置包括依次相连的激光器、光纤环形器、光电转换器、高通滤波器、数据采集器及计算机，光纤环形器上还连接有光纤准直器；激光器发出的光进入光纤环形器的a脚，从其b脚出来的光连接到光纤准直器上，光纤准直器的端面反射光作为参考光；光纤准直器发出的光投射到振动目标上，再通过光纤准直器接收振动目标的散射光作为系统的信号光，参考光和信号光经光纤环形器的c脚投射到光电转换器表面发生干涉，干涉信号经光电转换器转成电信号，再经过高通滤波器和数据采集器A/D转换后，连至计算机进行处理，利用软件编程计算振动的频率和幅值。本发明结构简单，易于操作，抗干扰能力强。

Description

计数式非接触光纤微振动测量方法和装置

技术领域

本发明涉及激光微振动传感系统，具体地说是一种计数式非接触光纤微振动测量方法和装置，属于激光干涉测量领域。

背景技术

激光干涉测振技术已经成为科研工作和众多行业中不可缺少的检测方法。因为它具有高精度与灵敏度，远距离非接触测量，高时空分辨率，高响应度等独特的优势，其技术用途可以覆盖从大型结构、建筑、桥梁的安全振动范围监控，到各类发动机、传动机构的振动测量，再到微纳器件、微机电系统（MEMS）、微光机电系统（MOEMS）和纳光机电系统（NOEMS）的微纳振动测量，被广泛用于速度、位移、振幅、振动等参数的测量。

在传统的空间光测振技术中，光学结构复杂，光路对准精度要求高，调整复杂。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种计数式非接触光纤微振动测量方法和装置，该方法和装置结构简单，调整容易。

本发明提供的一种计数式非接触光纤微振动测量装置，包括依次相连的激光器、光纤环形器、光电转换器、高通滤波器、数据采集器及计算机，所述光纤环形器上还连接有光纤准直器；所述激光器发出的光进入所述光纤环形器的a脚，从其b脚出来的光连接到所述光纤准直器上，所述光纤准直器的端面反射光作为参考光；所述光纤准直器发出的光投射到振动目标上，再通过所述光纤准直器接收所述振动目标的散射光作为系统的信号光，参考光和信号光经所述光纤环形器的c脚投射到所述光电转换器表面发生干涉，干涉信号经所述光电转换器转成电信号，再经过所述高通滤波器和所述数据采集器A/D转换后，连至所述计算机进行信号处理，利用软件编程计算振动的频率和幅值。

其中：整个光路都是采用普通单模光纤器件。

所述光纤准直器采用直径>5mm的大口径光纤准直器。

本发明提供的一种计数式非接触光纤微振动测量方法，利用软件编程计算振动频率和振幅的具体步骤是：采集到的信号从第一个过零点的开始，取其时间为t₁，第二个过零点的时间为t₂，以此类推，取第n个过零点的时间为t_n；将相邻过零点的时间分别依次相减，t₂-t₁，t₃-t₂，…，t_n-t_n-1；取相邻的两个Max（t_n-t_n-1）之间的时间差为一个周期T，对每个周期内的过零点的个数进行计数N；T即为待测目标的振动周期，其倒数为振动频率，                                               

即为待测目标的振动幅值。

其中：所述软件采用labview软件。

本发明的技术效果在于：本发明利用光纤准直器的端面反射光作为参考光，利用振动目标的散射光作为信号光，利用滤波后干涉波形的过零点计数分析来计算振动频率、幅值，比传统激光多普勒干涉仪结构简单，易于操作，并且有很强的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的滤波后的干涉信号图形。

图3为本发明中的计数方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1中，包括激光器1、光纤环形器2、光纤准直器3、振动目标4、光电转换器5、高通滤波器6、数据采集器7、计算机8等。

如图1所示，是一种计数式非接触光纤微振动测量装置，包括依次相连的激光器1、光纤环形器2、光电转换器5、高通滤波器6、数据采集器7及计算机8，光纤环形器2上还连接有光纤准直器3；激光器1发出的光进入光纤环形器2的a脚，从其b脚出来的光连接到光纤准直器3上，光纤准直器3的端面反射光作为参考光；光纤准直器3发出的光投射到振动目标4上，再通过光纤准直器3接收振动目标4的散射光作为系统的信号光，参考光和信号光经光纤环形器2的c脚投射到光电转换器5表面发生干涉，干涉信号经光电转换器5转成电信号，再经过高通滤波器6和数据采集器7A/D转换后，连至计算机8进行信号处理，利用软件编程计算振动的频率和幅值。

其中：整个光路都是采用普通单模光纤器件。光纤准直器3采用直径>5mm的大口径光纤准直器，非接触测量时可以接收更多的散射光功率。高通滤波器6的作用是可滤除光电转换器5输出的直流量，以便于进行下一步的过零点数据分析。

本发明的原理如下：

在计数式光纤微振动测量中，光纤准直器3端面反射产生的参考光的表达式为：

              

                   （1）

光纤准直器3发出的光投射到振动目标4上，再利用光纤准直器3接收其后向散射光作为信号光，其表达式为：

             

            （2）

所述参考光和信号光在光电转换器5表面发生干涉，干涉后的光强表达式可以写为：

     （3）

其表述式为典型的激光多普勒干涉式，经光电转换和高通滤波后，其电信号波形如图2所示，电信号中包含了振动目标4的振动信息。

后序的算法如图3所示，包括以下几个步骤：

1、通过数据采集器7实现A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，输入计算机8中。

2、将电信号输入计算机8中后，通过labview软件做运算，利用多普勒图形变化来计算振动频率、幅值。

具体方法如下：

1、采集到的信号从第一个过零点的开始，取其时间为t₁，第二个过零点的时间为t₂，以此类推，取第n个过零点的时间为t_n；

2、将相邻过零点的时间分别依次相减，t₂-t₁，t₃-t₂，…，t_n-t_n-1；

3、取相邻的两个Max（t_n-t_n-1）之间的时间差为一个周期T，T即为待测目标的振动周期，其倒数为振动频率；

4、对每个周期内的过零点的个数进行计数N，即为待测目标的振动幅值。

本发明利用单根光纤构成的干涉仪结合频率计数算法，无需接触实测目标即可测出其振动信息，结构简单，使用方便，易于操作，应用领域广泛。

Claims (5)

1.一种计数式非接触光纤微振动测量装置，其特征是：包括依次相连的激光器（1）、光纤环形器（2）、光电转换器（5）、高通滤波器（6）、数据采集器（7）及计算机（8），所述光纤环形器（2）上还连接有光纤准直器（3）；所述激光器（1）发出的光进入所述光纤环形器（2）的a脚，从其b脚出来的光连接到所述光纤准直器（3）上，所述光纤准直器（3）的端面反射光作为参考光；所述光纤准直器（3）发出的光投射到振动目标（4）上，再通过所述光纤准直器（3）接收所述振动目标（4）的散射光作为系统的信号光，参考光和信号光经所述光纤环形器（2）的c脚投射到所述光电转换器（5）表面发生干涉，干涉信号经所述光电转换器（5）转成电信号，再经过所述高通滤波器（6）和所述数据采集器（7）A/D转换后，连至所述计算机（8）进行信号处理，利用软件编程计算振动的频率和幅值。

2.按照权利要求1所述的计数式非接触光纤微振动测量装置，其特征是：整个光路都是采用普通单模光纤器件。

3.按照权利要求1所述的计数式非接触光纤微振动测量装置，其特征是：所述光纤准直器（3）采用直径>5mm的大口径光纤准直器。

4.一种使用权利要求1至3中任一项所述装置进行计数式非接触光纤微振动测量方法，其特征是，利用软件编程计算振动频率和振幅的具体步骤是：采集到的信号从第一个过零点的开始，取其时间为t₁，第二个过零点的时间为t₂，以此类推，取第n个过零点的时间为t_n；将相邻过零点的时间分别依次相减，t₂-t₁，t₃-t₂，…，t_n-t_n-1；取相邻的两个Max（t_n-t_n-1）之间的时间差为一个周期T，对每个周期内的过零点的个数进行计数N；T即为待测目标的振动周期，其倒数为振动频率，                                               即为待测目标的振动幅值。

5.按照权利要求4所述的计数式光纤微振动测量计数方法，其特征是：所述软件采用labview软件。

Images