CN104215317A - 一种多维激光测振仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多维激光测振仪及其测量方法，一种多维激光测振仪至少包括两组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个光束聚焦系统，所述每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点；所述各激光测振组件的激光器出射的激光由光束聚焦系统聚焦到振动物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉，激光测振组件内部设置的探测器探测干涉信号，解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量。通过振动投影分量根据适当的矢量关系求解出振动物体沿正交坐标轴的多维振动分量信息。所述多维激光测振仪能够实现多维振动信息测量，较之单组件测量信息更为丰富。

Description

一种多维激光测振仪及其测量方法

技术领域

本发明属于激光精密测量领域，涉及一种激光测振仪，特别涉及一种多维激光测振仪及其测量方法。

背景技术

振动存在于生活、工业生产、科学研究的各个领域，对于振动的测量有着极大的需求。特别是振动的非接触式测量，不会影响振动的原有状态，测量结果更为准确可靠，是振动测量的发展方向。目前，较为成熟非接触式振动测量技术为激光多普勒技术，一般采用外差式结构，需要激光光源，声光移频器，光电探测器，分束器、合束器等。详见专利CN 203102703 U《一种新型激光外差干涉实验仪》。

近年来，激光自混合测振技术开始崭露头角。相关综述介绍详见1997年马军山发表于《宇航测量技术》的文章《激光自混合干涉测量技术综述》。激光自混合技术结构极为简单，激光器出射光束由透镜聚焦于物体，散射光回到激光器内部，将引起激光输出功率的相应变化，光电探测器探测激光输出功率的变化信号，经过一定解调算法则可以获取被测物体的振动信息。

但是，无论采用激光多普勒测振技术还是采用激光自混合测振技术，都只能测量沿光束方向的一维振动，测量信息不够丰富。为了丰富测量维度信息，考虑多激光测振组件组合的方式，包括激光多普勒测振组件或者激光自混合测振组件。

发明内容

本发明提供了一种多维激光测振仪及其测量方法，解决了利用激光测振技术进行振动物体的非接触式测量的问题，其技术方案如下所述：

一种多维激光测振仪，至少包括两组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个光束聚焦系统，所述每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点；

其中，所述各组激光测振组件的激光器出射的激光，由光束聚焦系统聚焦到振动物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉，激光测振组件内部设置的探测器探测干涉信号，解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量；

所述多维激光测振仪根据各个激光测振组件所测量得到的投影分量，通过矢量关系求得振动物体沿正交坐标轴的振动分量。实现振动物体的多维振动信息测量。

进一步的，所述激光测振组件是激光多普勒测振组件或者激光自混合测振组件。

所述多维激光测振仪为二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有两组，包括第一激光测振组件和第二激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，所述振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

$\begin{array}{cc}{v}_z=\frac{v_{41}+v_{42}}{\cos (\mathrm{\θ}/2)},& v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}\end{array}$

其中v_x，v_z为振动物体的沿坐标轴的振动分量，θ为第一出射光束与第二出射光束的夹角，光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第二出射光束间隔为h，存在下述关系式

$\tan (\mathrm{\θ}/2)=\frac{h}{2f}.$

进一步的，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，其中有一组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布，在获取所述的振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束投影分量之前，先测量z坐标的振动分量以实现其他激光测振组件对光束夹角θ进行校准。

所述的多维激光测振仪为二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，其中，第三激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布；其余两组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，实现第一出射光束与第二出射光束的角度θ的校准

v_z＝v₄₀

$\mathrm{\θ}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

v_z＝v₄₀， $v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}.$

所述多维激光测振仪为三维激光测振仪，所述的激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束、第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，以及第三激光测振组件通过光束聚焦系统的第三出射光束，所述第三激光测振组件沿光轴布置，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，第一激光测振组件布置于y轴h₄₁/2处，第二激光测振组件布置于x轴-h₄₂/2处，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，所述第三激光测振组件的第三出射光束测量物体沿z轴方向的振动分量为

v_z＝v₄₀

通过三个组件的正交分布得到振动物体沿y轴的振动分量v_y，振动物体沿x轴的振动分量v_x

$\begin{array}{cc}{v}_y=\frac{v_{41}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{41~41}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~41}\right)}& v_s=\frac{v_{42}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}\end{array}$

其中，θ_40～41为第三激光测振组件的第三出射光束与第一激光测振组件的第一出射光束的夹角，θ_40～42为第三激光测振组件的第三出射光束与第二激光测振组件的第二出射光束的夹角，则有下述关系式

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_{40~41}=\arctan \left(\frac{h_{41}}{2f}\right)& {\mathrm{\θ}}_{40~42}=\arctan \left(\frac{h_{42}}{2f}\right)\end{array}$

能够由光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第三出射光束间距h₄₁/2，第二出射光束与第第三出射光束间距h₄₂/2计算得到。

所述多维激光测振仪为三维激光测振仪，所述的激光测振组件设置有五组，分别为第一激光测振组件至第五激光测振组件，通过光束聚焦系统之后分别为第一出射光束至第五出射光束，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交对称放置，构成十字分布，其中，所述第三激光测振组件沿光轴布置，通过第一激光测振组件至第三激光测振组件分别发出的第一出射光束至第三出射光束的振动投影分量实现第一出射光束和第二出射光束的夹角θ_41～42校准：

${\mathrm{\θ}}_{41~42}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

通过第三激光测振组件至第五激光测振组件分别发出的第三出射光至第五出射光束的振动投影分量实现光束第四出射光束和第五出射光束的夹角θ_43～44校准：

${\mathrm{\θ}}_{43~44}=2\arccos \left(\frac{v_{43}+v_{44}}{v_{40}}\right)$

其中，v₄₀是第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息，其余第一激光测振组件至第五激光测振组件四组激光测振组件测量的投影分量为v₄₁、v₄₂、v₄₃、v₄₄；

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，y，z方向的三维维振动分量为

v_z＝v₄₀

$v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{41~42}/2)}$

$v_y=\frac{v_{44}-v_{43}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{43~44}/2)}.$

根据上述多维激光测振仪的多维激光测振方法，包括以下步骤：

A、每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点；

B、由光束聚焦系统聚焦到振动物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉；

C、激光测振组件内部设置的探测器探测干涉信号，解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量；

D、获取物体的振动测量。

进一步的，所述的多维激光测振仪为二维测振仪，所述的激光测振组件设置有两组，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴对称分布，其中，步骤C中，每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，所述振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

$\begin{array}{cc}{v}_z=\frac{v_{41}+v_{42}}{\cos (\mathrm{\θ}/2)},& v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}\end{array}$

其中v_x，v_z为振动物体的沿坐标轴的振动分量，θ为第一出射光束与第二出射光束的夹角，光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第二出射光束间隔为h，存在下述关系式

$\tan (\mathrm{\θ}/2)=\frac{h}{2f}.$

进一步的，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，其中有一组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布，在获取所述的振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量之前，先测量z坐标的振动分量以实现其他激光测振组件对光束夹角θ进行校准。

进一步的，所述的多维激光测振仪为二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，其中，第三激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布；其余两组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，其中，步骤C中，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，实现第一出射光束与第二出射光束的角度θ的校准

v_z＝v₄₀

$\mathrm{\θ}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

v_z＝v₄₀， $v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}.$

所述多维激光测振仪为三维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束、第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，以及第三激光测振组件通过光束聚焦系统的第三出射光束，所述第三激光测振组件沿光轴布置，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，第一激光测振组件布置于y轴h₄₁/2处，第二激光测振组件布置于x轴-h₄₂/2处，

其中，步骤C中，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，所述第三激光测振组件的第三出射光束测量物体沿z轴方向的振动分量为

v_z＝v₄₀

通过三个组件的正交分布得到振动物体沿y轴的振动分量v_y，振动物体沿x轴的振动分量v_x

$\begin{array}{cc}{v}_y=\frac{v_{41}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{41~41}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~41}\right)}& v_s=\frac{v_{42}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}\end{array}$

其中，θ_40～41为第三激光测振组件的第三出射光束与第一激光测振组件的第一出射光束的夹角，θ_40～42为第三激光测振组件的第三出射光束与第二激光测振组件的第二出射光束的夹角，则有下述关系式

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_{40~41}=\arctan \left(\frac{h_{41}}{2f}\right)& {\mathrm{\θ}}_{40~42}=\arctan \left(\frac{h_{42}}{2f}\right)\end{array}$

能够由光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第三出射光束间距h₄₁/2，第二出射光束与第三出射光束间距h₄₂/2计算得到。

所述的多维激光测振仪为三维测振仪，所述的激光测振组件设置有五组，分别为第一激光测振组件至第五激光测振组件，通过光束聚焦系统之后分别为第一出射光束至第五出射光束，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交对称放置，构成十字分布，其中，所述第三激光测振组件沿光轴布置，步骤C中，通过第一激光测振组件至第三激光测振组件分别发出的第一出射光束至第三出射光束的振动投影分量实现第一出射光束和第二出射光束的夹角θ_41～42校准：

${\mathrm{\θ}}_{41~42}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

通过第三激光测振组件至第五激光测振组件分别发出的第三出射光束至第五出射光束的振动投影分量实现光束第四出射光束和第五出射光束的夹角θ_43～44校准：

${\mathrm{\θ}}_{43~44}=2\arccos \left(\frac{v_{43}+v_{44}}{v_{40}}\right)$

其中，v₄₀是第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息，其余第一激光测振组件至第五激光测振组件四组激光测振组件测量的投影分量为v₄₁、v₄₂、v₄₃、v₄₄；

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，y，z方向的三维振动分量为

v_z＝v₄₀

$v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{41~42}/2)}$

$v_y=\frac{v_{44}-v_{43}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{43~44}/2)}.$

所述的多维激光测振仪，激光测振组件采用激光多普勒测振组件，所述的激光多普勒测振组件现有多数采用He-Ne激光器作为光源，为了实现系统小型化，也可采用半导体激光，但是用于振动测量的半导体激光器性能要求较为苛刻，一般要求半导体激光器的线宽不大于100MHz，功率输出稳定。满足该条件的可见光半导体激光器价格昂贵，廉价通信用半导体激光器虽然能满足条件，但是多数为不可见光。为了克服以上困难，可考虑采用不可见光半导体激光器组成的激光测振组件用于振动测量，另外耦合入可见光半导体激光器的出射光束进行光路指示。

附图说明

图1是所述二维激光测振仪的实施例1的结构示意图；

图2是所述二维激光测振仪带校准功能的实施例2的结构示意图；

图3是所述三维激光测振仪的实施例3的结构示意图；

图4是所述三维激光测振仪带校准功能的实施例4的结构示意图；

图5是所述非可见光激光测振组件的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

一种二维激光测振仪，包括两组激光测振组件，所述激光测振组件11,12共用一个光束聚焦系统31，所述激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体5的同一点。所述激光测振组件11与12的出射光束41与42沿光束聚焦系统光轴对称分布，如图1所示。

在此，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，以下各实施例也都沿用此坐标系。

根据上述的二维激光测振仪的测量方法，步骤如下：

其中一组的激光测振组件11中，激光测振组件11出射激光由光束聚焦系统31聚焦到振动物体上，散射光束回到激光测振组件11形成干涉，激光测振组件内部探测器探测干涉信号，可以解调出振动物体沿激光测振组件11通过光束聚焦系统的出射光束41的投影分量v₄₁；

另一组的激光测振组件12中，同样得到测量振动物体沿激光器通过光束聚焦系统31的出射光束42的投影分量v₄₂；

沿光束41与42的振动投影分量由下式给出，

v₄₁＝v_zcos(θ/2)-v_xsin(θ/2)，v₄₂＝v_zcos(θ/2)+v_xsin(θ/2)

式中v_x，v_z为振动物体的沿坐标轴的振动分量，θ为光束41与光束42的夹角。如图1所示，若已知光束聚焦系统31的焦距f，和聚焦后两光束的夹角θ，可通过焦距值f与光束间隔h求得。

$\tan (\mathrm{\θ}/2)=\frac{h}{2f}$

因而通过下式

$\begin{array}{cc}{v}_z=\frac{v_{41}+v_{42}}{\cos (\mathrm{\θ}/2)},& v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}\end{array}$

即可求得振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量。

因而通过两个投影分量及两个激光测振组件出射光通过光束聚焦系统的光束的交叉角度，能够解调出振动物体在通过光束聚焦系统的光束交叉平面内的振动信息，形成二维振动测量。较之单组件测量信息更丰富；

实施例2

一种二维激光测振仪，包括三组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个光束聚焦系统31，所述激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体5的同一点。激光测振组件10的出射光束40沿光束聚焦系统31的光轴；激光测振组件11的出射光束41与激光测振组件12的出射光束42沿光束聚焦系统31的光轴对称分布，如图2所示。

对于采用自动变焦或者手动变焦的光束聚焦系统31，焦距值f是可变的，因而光束41与光束42的夹角也是可变的。即便是采用定焦光束聚焦系统31，由于系统安装以及使用过程中的光束间隔h的偏差，也将引起则光束41与光束42的夹角的不确定，因而对于高精度振动测量的需求，要求对光束夹角θ进行校准。

校准的方式，一般采用振动台沿z轴方向振动v_z，但是实际校准过程中，振动台由于摆放误差，很多情况下也会有沿x方向的振动分量v_x，而校准过程中，两组激光测振组件测量的投影分量为

v₄₁＝v_zcos(θ/2)-v_xsin(θ/2)，v₄₂＝v_zcos(θ/2)+v_xsin(θ/2)

因而校准过程中，沿光束的振动投影分量v₄₁与v₄₂已知，但是光束交叉角度θ与振动台沿坐标轴的振动分量v_z，v_x是未知量；因而两个方程，三个未知量，无法获取光束交叉角度θ实现光束交叉角度校准。

为了克服以上困难，考虑增加激光测振组件10测量z坐标的振动分量，如图2所示，激光测振组件10测量z轴方向上的振动信息v₄₀

v_z＝v₄₀

由以上三式，则可以实现光束41与光束42的角度校准。

$\mathrm{\θ}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

实现激光测振仪角度校准完成后，振动物体在xz面内二维振动信息，则可以通过下式计算得到。

v_z＝v₄₀， $v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}$

因为通过三组激光测振组件可以实现具有校准功能的二维振动测量。

实施例3

一种三维激光测振仪，包括三组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个光束聚焦系统，所述激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点。所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交分布，激光测振组件10沿光轴布置，激光测振组件11布置于y轴h₄₁/2处，激光测振组件12布置于x轴-h₄₂/2处。通过三组件组合，实现三维振动测量，如图3所示。

激光测振组件10的出射光束40可以测量物体沿z轴方向的振动分量

v_z＝v₄₀

激光测振组件10的出射光束40与激光测振组件11的出射光束41的夹角θ_40～41/2，可通过光束聚焦系统的焦距f与两组件的光束间距h₄₁/2计算得到

${\mathrm{\θ}}_{40~41}=\arctan \left(\frac{h_{41}}{2f}\right)$

已知光束夹角的条件下，激光测量组件10测量沿光束40的投影分量v₄₀与激光测量组件11测量沿光束41的投影分量v₄₁，根据下式，

$\begin{array}{c}{v}_y=\frac{v_{41}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{41~41}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~41}\right)}\end{array}$

则可以计算得到振动物体5沿y轴的振动分量v_y。

同理，激光测量组件10测量沿光束40与激光测量组件12测量沿光束42的组合能够实现振动物体沿x轴的振动分量。

光束40与光束42的夹角为

振动物体沿x轴的振动分量

因而通过三组激光测振组件的正交分布则可以实现三维振动测量。

实施例4

一种三维激光测振仪，包括五组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个光束聚焦系统，所述激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点。所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交对称放置，构成十字分布，如图4所示。

对于采用自动变焦或者手动变焦的光束聚焦系统31，焦距值f是可变的，因而光束41与光束42的夹角也是可变的。即便是采用定焦光束聚焦系统31，由于系统安装以及使用过程中的光束间隔h的偏差，也将引起则光束41与光束42的夹角的不确定，因而对于高精度振动测量的需求，要求对光束夹角θ进行校准。

如图4所示，振动物体沿各个激光测振组件出射光束的投影分量与沿坐标轴的振动分量的关系公式如下，

v₄₁＝v_zcos(θ_41～42/2)-v_xsin(θ_41～42/2)，v₄₂＝v_zcos(θ_41～42/2)+v_xsin(θ_41～42/2)

v₄₃＝v_zcos(θ_43～44/2)-v_ysin(θ_43～44/2)，v₄₄＝v_zcos(θ_43～44/2)+v_ysin(θ_43～44/2)

其中θ_41～42为光束41,42的夹角，θ_43～44为光束43,44的夹角.v_x，v_y，v_z为振动物体沿坐标轴的振动分量

五组激光测振组件正交十字对称分布的形式与实施例2相似，也具有角度校准功能。光束40,41,42测量的振动投影分量实现光束41,42的夹角θ_41～42校准；

${\mathrm{\θ}}_{41~42}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

光束40,43,44测量的振动投影分量实现光束43,44的夹角θ_43～44校准。

${\mathrm{\θ}}_{43~44}=2\arccos \left(\frac{v_{43}+v_{44}}{v_{40}}\right)$

对于校准完成的激光测振仪，激光测振组件出射的光束40实现物体5沿z轴方向的振动分量

v_z＝v₄₀

激光测振组件出射的光束40,41,42实现物体5沿x轴方向的振动分量

$v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{41~42}/2)}$

激光测振组件出射的光束40,43,44实现物体5沿y轴方向的振动分量

$v_y=\frac{v_{44}-v_{43}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{43~44}/2)}$

因而通过五组激光测振组件的正交十字对称分布则可以实现具有自校准功能的三维振动测量。

上述实施方式中所述的激光测振组件可以是激光多普勒测振组件或者是激光自混合测振组件。

此外，上述实施例中激光多普勒测振组件现有多数采用He-Ne激光器作为光源，为了实现系统小型化，也可采用半导体激光，但是用于振动测量的半导体激光器性能要求较为苛刻，一般要求半导体激光器的线宽不大于100MHz，功率输出稳定。满足该条件的可见光半导体激光器价格昂贵，廉价通信用半导体激光器虽然能满足条件，但是多数为不可见光。为了克服以上困难，可考虑采用不可见光半导体激光器组成的激光测振组件用于振动测量，另外耦合入可见光半导体激光器的出射光束进行光路指示。

如图5所示，70为采用非可见光的半导体激光器的激光测振组件，72为可见光半导体激光器，激光测振组件70与半导体激光器72出射的光束经合束器71合束后出射。激光测振组件70出射的光束用于振动测量。半导体激光器72出射的光束用于光路指示。

Claims (13)

1.一种多维激光测振仪，其特征在于，至少包括两组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个光束聚焦系统，所述每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点；

其中，所述各组激光测振组件的激光器出射的激光，由光束聚焦系统聚焦到振动物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉，激光测振组件内部设置的探测器探测干涉信号，解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量；

所述多维激光测振仪根据各个激光测振组件所测量得到的投影分量，通过矢量关系求得振动物体沿正交坐标轴的振动分量，实现振动物体的多维振动信息测量。

2.根据权利要求1所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述激光测振组件是激光多普勒测振组件或者激光自混合测振组件。

3.根据权利要求1所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述多维激光测振仪为二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有两组，包括第一激光测振组件和第二激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，所述振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

$\begin{array}{cc}{v}_z=\frac{v_{41}+v_{42}}{\cos (\mathrm{\θ}/2)},& v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}\end{array}$

其中v_x，v_z为振动物体的沿坐标轴的振动分量，θ为第一出射光束与第二出射光束的夹角，光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第二出射光束间隔为h，存在下述关系式

$\tan (\mathrm{\θ}/2)=\frac{h}{2f}.$

4.根据权利要求1中所述的多维激光测振仪，其特征在于：将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，其中有一组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布，在获取所述的振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束投影分量之前，先测量z坐标的振动分量以实现其他激光测振组件对光束夹角θ进行校准。

5.根据权利要求4中所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述的多维激光测振仪为二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，其中，第三激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布；其余两组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，实现第一出射光束与第二出射光束的角度θ的校准

v_z＝v₄₀

$\mathrm{\θ}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

v_z＝v₄₀， $v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}.$

6.根据权利要求1所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述多维激光测振仪为三维激光测振仪，所述的激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束、第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，以及第三激光测振组件通过光束聚焦系统的第三出射光束，所述第三激光测振组件沿光轴布置，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，第一激光测振组件布置于y轴h₄₁/2处，第二激光测振组件布置于x轴-h₄₂/2处，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，所述第三激光测振组件的第三出射光束测量物体沿z轴方向的振动分量为

v_z＝v₄₀

通过三个组件的正交分布得到振动物体沿y轴的振动分量v_y，振动物体沿x轴的振动分量v_x

$\begin{array}{cc}{v}_y=\frac{v_{41}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{41~41}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~41}\right)}& v_s=\frac{v_{42}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}\end{array}$

其中，θ_40～41为第三激光测振组件的第三出射光束与第一激光测振组件的第一出射光束的夹角，θ_40～42为第三激光测振组件的第三出射光束与第二激光测振组件的第二出射光束的夹角，则有下述关系式

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_{40~41}=\arctan \left(\frac{h_{41}}{2f}\right)& {\mathrm{\θ}}_{40~42}=\arctan \left(\frac{h_{42}}{2f}\right)\end{array}$

能够由光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第三出射光束间距h₄₁/2，第二出射光束与第第三出射光束间距h₄₂/2计算得到。

7.根据权利要求4所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述多维激光测振仪为三维激光测振仪，所述的激光测振组件设置有五组，分别为第一激光测振组件至第五激光测振组件，通过光束聚焦系统之后分别为第一出射光束至第五出射光束，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交对称放置，构成十字分布，其中，所述第三激光测振组件沿光轴布置，通过第一激光测振组件至第三激光测振组件分别发出的第一出射光束至第三出射光束的振动投影分量实现第一出射光束和第二出射光束的夹角θ_41～42校准：

${\mathrm{\θ}}_{41~42}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

通过第三激光测振组件至第五激光测振组件分别发出的第三出射光至第五出射光束的振动投影分量实现光束第四出射光束和第五出射光束的夹角θ_43～44校准：

${\mathrm{\θ}}_{43~44}=2\arccos \left(\frac{v_{43}+v_{44}}{v_{40}}\right)$

其中，v₄₀是第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息，其余第一激光测振组件至第五激光测振组件四组激光测振组件测量的投影分量为v₄₁、v₄₂、v₄₃、v₄₄；

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，y，z方向的三维维振动分量为

v_z＝v₄₀

$v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{41~42}/2)}$

$v_y=\frac{v_{44}-v_{43}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{43~44}/2)}.$

8.根据权利要求1-7中任一所述的多维激光测振仪的多维激光测振方法，其特征在于包括以下步骤：

A、每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点；

B、由光束聚焦系统聚焦到振动物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉；

C、激光测振组件内部设置的探测器探测干涉信号，解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量；

D、获取物体的振动测量。

9.根据权利要求8所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述的多维激光测振仪为二维测振仪，所述的激光测振组件设置有两组，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴对称分布，其中，步骤C中，每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，所述振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

$\begin{array}{cc}{v}_z=\frac{v_{41}+v_{42}}{\cos (\mathrm{\θ}/2)},& v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}\end{array}$

其中v_x，v_z为振动物体的沿坐标轴的振动分量，θ为第一出射光束与第二出射光束的夹角，光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第二出射光束间隔为h，存在下述关系式

$\tan (\mathrm{\θ}/2)=\frac{h}{2f}.$

10.根据权利要求8所述的多维激光测振方法，其特征在于，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，其中有一组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布，在获取所述的振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量之前，先测量z坐标的振动分量以实现其他激光测振组件对光束夹角θ进行校准。

11.根据权利要求10所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述的多维激光测振仪为二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，其中，第三激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布；其余两组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，其中，步骤C中，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，实现第一出射光束与第二出射光束的角度θ的校准

v_z＝v₄₀

$\mathrm{\θ}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，z方向的二维振动分量为

v_z＝v₄₀， $v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin (\mathrm{\θ}/2)}.$

12.根据权利要求8所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述多维激光测振仪为三维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组件和第三激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束、第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，以及第三激光测振组件通过光束聚焦系统的第三出射光束，所述第三激光测振组件沿光轴布置，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，第一激光测振组件布置于y轴h₄₁/2处，第二激光测振组件布置于x轴-h₄₂/2处，

其中，步骤C中，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v₄₁、v₄₂，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v₄₀，所述第三激光测振组件的第三出射光束测量物体沿z轴方向的振动分量为

v_z＝v₄₀

通过三个组件的正交分布得到振动物体沿y轴的振动分量v_y，振动物体沿x轴的振动分量v_x

$\begin{array}{cc}{v}_y=\frac{v_{41}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{41~41}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~41}\right)}& v_s=\frac{v_{42}-v_{40}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{40~42}\right)}\end{array}$

其中，θ_40～41为第三激光测振组件的第三出射光束与第一激光测振组件的第一出射光束的夹角，θ_40～42为第三激光测振组件的第三出射光束与第二激光测振组件的第二出射光束的夹角，则有下述关系式

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_{40~41}=\arctan \left(\frac{h_{41}}{2f}\right)& {\mathrm{\θ}}_{40~42}=\arctan \left(\frac{h_{42}}{2f}\right)\end{array}$

能够由光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第三出射光束间距h₄₁/2，第二出射光束与第三出射光束间距h₄₂/2计算得到。

13.根据权利要求10所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述的多维激光测振仪为三维测振仪，所述的激光测振组件设置有五组，分别为第一激光测振组件至第五激光测振组件，通过光束聚焦系统之后分别为第一出射光束至第五出射光束，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交对称放置，构成十字分布，其中，所述第三激光测振组件沿光轴布置，步骤C中，通过第一激光测振组件至第三激光测振组件分别发出的第一出射光束至第三出射光束的振动投影分量实现第一出射光束和第二出射光束的夹角θ_41～42校准：

${\mathrm{\θ}}_{41~42}=2\arccos \left(\frac{v_{41}+v_{42}}{v_{40}}\right)$

通过第三激光测振组件至第五激光测振组件分别发出的第三出射光束至第五出射光束的振动投影分量实现光束第四出射光束和第五出射光束的夹角θ_43～44校准：

${\mathrm{\θ}}_{43~44}=2\arccos \left(\frac{v_{43}+v_{44}}{v_{40}}\right)$

其中，v₄₀是第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息，其余第一激光测振组件至第五激光测振组件四组激光测振组件测量的投影分量为v₄₁、v₄₂、v₄₃、v₄₄；

经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，y，z方向的三维振动分量为

v_z＝v₄₀

$v_x=\frac{v_{42}-v_{41}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{41~42}/2)}$

$v_y=\frac{v_{44}-v_{43}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_{43~44}/2)}.$