CN104316158A - 一种基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪 - Google Patents

Abstract

一种基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，包括光源组件、干涉光路组件和信号处理组件。光源组件由双频激光光源、偏振分光棱镜、反射镜和起偏器组成；干涉光路组件由非偏振分光棱镜、直角棱镜和安装在被测振动物体上的曲面棱镜组成；信号处理组件用于接收来自干涉光路组件中非偏振分光棱镜发射出的两束干涉光，并将干涉光信号转换成电信号进行处理，得到被测振动物体的振动信息。本发明提供的测振仪，能提高振动测量精度。

Description

一种基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪

技术领域

本发明属于激光干涉测振技术领域，特别涉及一种基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪。 

背景技术

随着现代工程技术的飞跃发展，特别是航空、航天、海洋工程、机械制造等技术的发展，需要对振动进行高精度测量以采集振动信号，并实时处理在运行过程中的响应数据，从而对机械结构系统进行振动和噪声分析。振动测量常用的有静电电容式、涡流式、激光三角法、压电式和激光多普勒方式。激光多普勒振动测量技术是一种通过激光的干涉而进行高精度振动检测的技术，相比其它方法具有精度高、动态响应快、测量距离远、测量范围大、非接触测量(可对于表面旋转的物体振动，高温物体振动及微型物体结构的振动进行检测)、没有机械谐振(因而适合高频、小振幅的振动)、通过振动特性的反演可以反映出物体特性等优点，是当今振动测试技术中的一个重要的发展方向。 

现有基于激光多普勒效应的外差干涉式光路利用光学元件将激光器发出的偏振方向相互正交、频率分量不同的线偏振光分成两束，而这两束光仍然均为含有偏振方向相互正交、频率分量不同的线偏振光。其中一束光经由固定在振动物体上的反射镜反射后或直接由待测振动物体反射后发生多普勒效应，再重新与另一束光汇合并发生干涉，获得干涉信息，然后通过信号转换及处理组件测得振动信息。如公开号为CN103499385 A的专利申请公开了一种高精度双频同时测量激光外差干涉相位测振光路，通过第一半透半反镜将双频激光源发出的激光束分为反射光和透射光，其中反射光照射进入第三半透半反镜，透射光经过第二半透半反镜部分透射后，照射到物体表面并反射，物体表面的反射光发生多普勒频移并且通过第二半透半反镜部分反射，由第二半透半反镜发射出的光通过半波片与全反射镜后进入第三半透半反镜，和第一半透半反镜的反射光合并为一束光。由于这种外差干涉相位测振光路中的光束在光路中发生了频率和偏振态的混合现象，且光学器件的摆放无法做到理想的对齐状态，因此仍然会出现较大误差。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，以提高振动测量精度。 

本发明所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，包括光源组件、干涉光路组件和 信号处理组件。 

光源组件由双频激光光源、偏振分光棱镜、反射镜和起偏器组成；所述偏振分光棱镜位于双频激光光源的光路上，将双频激光光源发出的光束分为两束频率不同、振动方向垂直的线偏振光；所述反射镜位于其中一束线偏振光的光路上，用于将该束线偏振光的传播方向调整为与另一束线偏振光的传播方向平行；所述起偏器位于传播方向平行的两束线偏振光的光路上，用于将两束线偏振光的振动方向调整成相同； 

干涉光路组件由非偏振分光棱镜、直角棱镜和曲面棱镜(使用时，曲面棱镜安装在被测振动物体上或靠近振源安装)组成；所述非偏振分光棱镜位于光源组件中的起偏器的光路上，用于将来自起偏器且垂直入射到其表面非中心位置的两束平行线偏振光分成两束反射光和两束透射光，所述反射光为参考光，所述透射光为信号光；所述直角棱镜位于两束参考光的光路上，用于将进入直角棱镜的两束参考光反射回非偏振分光棱镜，并且使非偏振分光棱镜发射出的参考光与直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光不共光路；所述曲面棱镜位于两束信号光的光路上，用于将进入曲面棱镜的两束信号光的相对位置对换后反射回非偏振分光棱镜，并且使非偏振分光棱镜发射出的信号光与从曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光不共光路；在非偏振分光棱镜中，从直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光与从曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光发生干涉，形成两束干涉光； 

信号处理组件用于接收来自干涉光路组件中非偏振分光棱镜发射出的两束干涉光，并将干涉光信号转换成电压信号进行处理，得到被测振动物体的振动信息。 

上述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，所述偏振分光棱镜、非偏振分光棱镜均为单波长分光棱镜。 

上述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，所述起偏器为线偏振片。 

上述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，所述的反射镜为单波长介质膜高反射镜。所述高反射镜是指反射率在90％以上的反射镜。 

上述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，所述信号处理组件包括： 

第一光电探测器和第二光电探测器，用于分别接收两束干涉光并将两束干涉光信号分别转换成电压信号； 

鉴频器，用于检测来自第一光电探测器和第二光电探测器的两组电压信号的相位差并将所述相位差的变化转化为合成电压幅值的变化及输出合成电压信号； 

低通滤波器，用于滤除来自鉴频器的电压信号中的高频噪声； 

A/D转换器，用于将滤除高频噪声后的模拟电压信号转化为数字信号； 

计算机系统，用于数字信号的处理； 

所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与鉴频器的输入端连接，鉴频器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与计算机系统连接。 

本发明所述测振仪的光路如下： 

激光器发出的光束通过偏振分光棱镜后被分为两束频率分别为f₁、f₂、振动方向垂直的线偏振光，其中一束线偏振光经过反射镜反射后与另一束线偏振光传播方向平行，两束传播方向平行的线偏振光通过起偏器调整偏振方向后平行射出，形成两束在空间上相互分离、偏振方向相同、传播方向平行、并具有一定频率差的线偏振光。上述两束线偏振光垂直入射到非偏振分光棱镜的非中心位置，被非偏振分光棱镜分成反射光和透射光，所述反射光作为参考光，所述透射光作为信号光。参考光进入直角棱镜后再经直角棱镜反射回非偏振分光棱镜，非偏振分光棱镜发射出的参考光与直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光不共光路；信号光进入曲面棱镜经交换相对位置后再反射回非偏振分光棱镜，非偏振分光棱镜发射出的信号光与曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光不共光路；直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光与曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光发生干涉，形成两束干涉光。两束干涉光分别被第一光电探测器和第二光电探测器接收并转换为电压信号，两组电压信号同时输入鉴频器中，检测出相位差并将相位差的变化转化为合成电压幅值的变化及输出合成电压信号，该电压信号经过低通滤波器滤除高频成分后进入A/D转换器，通过A/D转换器将模拟电压信号转化为数字信号后输入计算机系统进行处理，即得到被测振动物体的振动信息。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

1、本发明所述测振仪的光源组件利用偏振分光棱镜、反射镜和起偏器将双频激光光源发出的一束偏振方向相互正交、频率分量不同的线偏振光转换成两束空间上分离、偏振方向相同、传播方向平行、具有一定频率差的线偏振光，使得两束光不发生频率和偏振态的混合，因而能避免频率和偏振态的混合现象带来的误差。同时，光源组件中采用一片起偏器同时对两束光的偏振方向进行调节，能避免不同起偏器的内部结构差别和手动调节使两束光的偏振方向不相同从而带来的误差，因而能提高振动测量精度。 

2、本发明所述测振仪使来自光源组件的偏振方向相同、传播方向平行、具有一定频率差的两束线偏振光垂直入射到干涉光路组件所含非偏振分光棱镜的非中心位置，将两束光分为参考光束(反射光束)和信号光(透射光束)，并通过干涉光路组件所含直角棱镜将参考光束反射回非偏振分光棱镜中，使得从非偏振分光棱镜发射出的参考光束与反射回非偏振分光棱 镜的参考光束不共光路，通过干涉光路组件所含曲面棱镜使两束信号光束交换相对位置后再反射回非偏振分光棱镜中，使得非偏振分光棱镜发射出的信号光与曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光不共光路，在非偏振分光棱镜中，直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光与曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光发生干涉，形成两束干涉光。与现有技术相比，避免了从非偏振分光棱镜发射出的信号光与入射进非偏振分光棱镜的信号光共光路，因而可减小信号光与参考光在非偏振分光棱镜中发生干涉时的误差，提高测量精度。 

3、本发明所述测振仪光路结构简单，便于光路调节。 

附图说明

图1为本发明所述测振仪的结构示意图； 

图2为图1中的光源组件的结构示意图； 

图3图1中的干涉光路组件的立体结构示意图； 

图4为使用公开号为CN103499385 A的专利申请公开的高精度双频同时测量激光外差干涉相位测振光路对振动频率为23Hz的模拟振动物体进行测量所得的频谱图； 

图5为使用本发明所述测振仪对振动频率为23Hz的模拟振动物体进行测量所得的频谱图。 

图中，1-双频激光光源，2-偏振分光棱镜，3-反射镜，4-起偏器，5-非偏振分光棱镜，6-直角棱镜，7-曲面棱镜，8-第一光电探测器，9-第二光电探测器，10—鉴频器，11—低通滤波器，12—A/D转换器，13—计算机系统。 

具体实施方式

下面结合附图，并通过实施例对本发明所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪作进一步详细说明。 

实施例1 

本实施例中，所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪的结构示意图如图1、2、3所示，包括光源组件、干涉光路组件和信号处理组件。 

光源组件由双频激光光源1、偏振分光棱镜2、反射镜3和起偏器4组成，双频激光光源1选用频差为60MHz的横向塞曼双频激光器，发射波长为633nm，偏振分光棱镜2为斜面上镀偏振分光膜，四个外表面镀窄带多层增透膜的ZF光学玻璃,适用波长为633nm，反射镜3为单波长介质膜高反射镜(表面镀增反膜的k9光学玻璃)，适用波长为633nm，起偏器4为二向色性材料制成的线偏振片。光源组件的结构及各器件形成的光路如图2所示，所述偏振分光棱镜2位于双频激光光源1的光路上，将双频激光光源发出的光束分为两束频率不同、振 动方向垂直的线偏振光；所述反射镜3位于其中一束线偏振光的光路上，用于将该束线偏振光的传播方向调整为与另一束线偏振光的传播方向平行；所述起偏器4位于传播方向平行的两束线偏振光的光路上，用于将两束线偏振光的振动方向调整成相同。 

干涉光路组件由非偏振分光棱镜5、直角棱镜6和曲面棱镜7组成，非偏振分光棱镜5为斜面上镀有半透膜的k9光学玻璃，适用波长为633nm，直角棱镜6为直角面上镀有增反膜，斜面上镀有增透膜的k9光学玻璃，曲面棱镜7为内部曲面镀有增反膜的k9光学玻璃；干涉光路组件的结构及各器件形成的光路如图1所示，所述非偏振分光棱镜5位于光源组件中的起偏器4的光路上，用于将来自起偏器且垂直入射到其表面非中心位置的两束平行线偏振光分成两束反射光和两束透射光，所述反射光为参考光，所述透射光为信号光；所述直角棱镜6位于两束参考光的光路上，用于将进入直角棱镜的两束参考光反射回非偏振分光棱镜5，并且使非偏振分光棱镜5发射出的参考光与直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光不共光路；所述曲面棱镜7位于两束信号光的光路上，用于将进入曲面棱镜的两束信号光的相对位置对换后反射回非偏振分光棱镜5，并且使非偏振分光棱镜5发射出的信号光与从曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光不共光路；在非偏振分光棱镜5中，从直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光与从曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光发生干涉，形成两束干涉光。 

信号处理组件由第一光电探测器8、第二光电探测器9、鉴频器10、低通滤波器11、A/D转换器12和计算机系统13组成，第一光电探测器8和第二光电探测器9均选用硅光电池，探测波长为50到1100nm，响应时间为10到50ns，增益为10dB，鉴频器最高频率100Mhz，增益为40dB，低通滤波器的截止频率为100Hz，增益为0dB，A/D转换器分辨率为12位，传输速率为125ksps，它们均为市售商品。 

实施例2 

本实施例使用实施例1所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪进行模拟振动测量。测量方法如下： 

1、以音响设备为振源，将实施例1所述外差干涉式测振仪中的曲面棱镜7固定在一个盒子中，将该盒子固定在音响设备的喇叭前方并靠近喇叭，将音响设备的振动频率调整为23Hz。 

2、开启实施例1所述外差干涉式测振仪中的双频激光光源1并使信号处理组件处于工作状态。 

测量结果见图5。 

对比试验 

用公开号为CN103499385 A的专利申请所公开的高精度双频同时测量激光外差干涉相位测振光路进行模拟振动测量。测量方法如下： 

1、以音响设备为振源，以反光物体为被测振动物体，将所述反光物体固定在音响设备的喇叭前方并靠近喇叭，将音响设备的振动频率调整为23Hz。 

2、开启CN103499385 A的专利申请中所述双频同时测量激光外差干涉相位测振光路中的双频激光光源101并使光电探测器、相位测量仪及配套的计算机系统处于工作状态。 

测量结果见图4。 

从图4可以看出，在频谱图中，除了主频23Hz以外，在50Hz附近也出现了一些杂波，并且幅度与主频非常接近。从图5可以看出，在主频23Hz以外的50Hz、75 Hz附近虽然也出现了一些杂波，但其幅度与主频相差较大。 

上述测量结果表明，本发明所述测振仪与CN103499385 A专利申请中所述双频同时测量激光外差干涉相位测振光路相比，测量精度明显提高。 

Claims (9)

1.一种基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，包括光源组件、干涉光路组件和信号处理组件，其特征在于：

光源组件由双频激光光源(1)、偏振分光棱镜(2)、反射镜(3)和起偏器(4)组成；所述偏振分光棱镜(2)位于双频激光光源(1)的光路上，将双频激光光源发出的光束分为两束频率不同、振动方向垂直的线偏振光；所述反射镜(3)位于其中一束线偏振光的光路上，用于将该束线偏振光的传播方向调整为与另一束线偏振光的传播方向平行；所述起偏器(4)位于传播方向平行的两束线偏振光的光路上，用于将两束线偏振光的振动方向调整成相同；

干涉光路组件由非偏振分光棱镜(5)、直角棱镜(6)和曲面棱镜(7)组成；所述非偏振分光棱镜(5)位于光源组件中的起偏器(4)的光路上，用于将来自起偏器且垂直入射到其表面非中心位置的两束平行线偏振光分成两束反射光和两束透射光，所述反射光为参考光，所述透射光为信号光；所述直角棱镜(6)位于两束参考光的光路上，用于将进入直角棱镜的两束参考光反射回非偏振分光棱镜(5)，并且使非偏振分光棱镜(5)发射出的参考光与直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光不共光路；所述曲面棱镜(7)位于两束信号光的光路上，用于将进入曲面棱镜的两束信号光的相对位置对换后再反射回非偏振分光棱镜(5)，并且使非偏振分光棱镜(5)发射出的信号光与从曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光不共光路；在非偏振分光棱镜(5)中，从直角棱镜反射回非偏振分光棱镜的参考光与从曲面棱镜反射回非偏振分光棱镜的信号光发生干涉，形成两束干涉光；

信号处理组件用于接收来自干涉光路组件中非偏振分光棱镜(5)发射出的两束干涉光，并将干涉光信号转换成电压信号进行处理，得到被测振动物体的振动信息。

2.根据权利要求1所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述偏振分光棱镜(2)、非偏振分光棱镜(5)均为单波长分光棱镜。

3.根据权利要求1或2所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述起偏器(4)为线偏振片。

4.根据权利要求1或2所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述的反射镜(3)为单波长介质膜高反射镜。

5.根据权利要求3所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述的反射镜(3)为单波长介质膜高反射镜。

6.根据权利要求1或2所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述信号处理组件包括：

第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)，用于分别接收两束干涉光并将两束干涉光信号分别转换成电压信号；

鉴频器(10)，用于检测来自第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)的两组电压信号的相位差并将所述相位差的变化转化为合成电压幅值的变化及输出合成电压信号；

低通滤波器(11)，用于滤除来自鉴频器的电压信号中的高频噪声；

A/D转换器(12)，用于将滤除高频噪声后的模拟电压信号转化为数字信号；

计算机系统(13)，用于数字信号的处理；

所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与鉴频器的输入端连接，鉴频器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与计算机系统连接。

7.根据权利要求3所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述信号处理组件包括：

第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)，用于分别接收两束干涉光并将两束干涉光信号分别转换成电压信号；

鉴频器(10)，用于检测来自第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)的两组电压信号的相位差并将所述相位差的变化转化为合成电压幅值的变化及输出合成电压信号；

低通滤波器(11)，用于滤除来自鉴频器的电压信号中的高频噪声；

A/D转换器(12)，用于将滤除高频噪声后的模拟电压信号转化为数字信号；

计算机系统(13)，用于数字信号的处理；

所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与鉴频器的输入端连接，鉴频器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与计算机系统连接。

8.根据权利要求4所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述信号处理组件包括：

第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)，用于分别接收两束干涉光并将两束干涉光信号分别转换成电压信号；

鉴频器(10)，用于检测来自第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)的两组电压信号的相位差并将所述相位差的变化转化为合成电压幅值的变化及输出合成电压信号；

低通滤波器(11)，用于滤除来自鉴频器的电压信号中的高频噪声；

A/D转换器(12)，用于将滤除高频噪声后的模拟电压信号转化为数字信号；

计算机系统(13)，用于数字信号的处理；

所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与鉴频器的输入端连接，鉴频器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与计算机系统连接。

9.根据权利要求5所述基于激光多普勒效应的外差干涉式测振仪，其特征在于所述信号处理组件包括：

第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)，用于分别接收两束干涉光并将两束干涉光信号分别转换成电压信号；

鉴频器(10)，用于检测来自第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)的两组电压信号的相位差并将所述相位差的变化转化为合成电压幅值的变化及输出合成电压信号；

低通滤波器(11)，用于滤除来自鉴频器的电压信号中的高频噪声；

A/D转换器(12)，用于将滤除高频噪声后的模拟电压信号转化为数字信号；

计算机系统(13)，用于数字信号的处理；

所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与鉴频器的输入端连接，鉴频器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与计算机系统连接。