CN104931126A - 一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,光纤激光器的输出端连接到3db光纤分束器的输入端,所述3db光纤分束器的第一输出端连接到光纤合束器的第一输入端,3db光纤分束器的第二输出端连接到测量目标的第一输入面,所述测量目标的第二输入面与PZT以及超声波发生器连接,测量目标的输出面与光学接收天线输入端连接,所述光学接收天线输出端与所述光纤合束器的另一输入端连接,光纤合束器的输出端与探测器的输入端连接,所述探测器的输出端与解调器输入端连接,解调器对探测器输出的信号进行PGC+DCM解调。本发明使外差相移频率随超声波频率变化而变化,实现带宽B值降低4-5个数量级,检测灵敏度可达亚纳米量级,显著提高振动检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动检测装置,尤其涉及一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置。
背景技术
外差激光干涉仪因其高分辨率,高精度等优点而被广泛应用。但随着检测精度的提高,外差激光干涉仪的检测精度是影响其测量精度的关键因素。因此,提高激光干涉仪的检测精度是提高其测量精度的重要保障。为了解决激光干涉振动测量问题,德国polytic公司,美国光动力公司进行了激光多普勒振动测量仪器开发,其测量精度只能达到nm量级。在激光干涉振动测量中,声光移频产生外差是常用的方法之一,而据Peter B等发表的Random speckle Modulation Technique for Laser Interferometry中报道:外差干涉检测的精度表达如下公式所示:
)(4hvB/Pη) 1/2K-1
其中λ为波长,h为普朗克常数,B为带宽,P为接收功率,η为光电转换效率,v为激光频率,K为常数。
由此可知,当B越小时,可探测到的物体振动值越小,而polytic公司以及美国光动力公司采用传统的声光移频方法作为外差移频,其B值一般大于40MHz,因此其检测精度还有很多可提高的空间。
为提高检测精度,在其它情况不变的时, 可以通过改变B来提高检测灵敏度。中国专利号为200910241696.6,申请日为2009年12月2日的“一种用于振动检测的调制解调系统及方法”公开了采用PZT(Piezoelectric Ceramic Transducer,压电陶瓷)驱动反射引起光程变化的方法,但在该方法中,PZT本身具有非线性,给振动测量带来较大误差,同时镜面在移动过程中要始终与入射光保持垂直等均存在难度。
因为测量目标为漫反射体,所以其反射回来的光斑为散斑,散斑意味着光斑分布不均匀,如果探测器刚好处在亮斑位置时,系统信噪比较高,而当测量目标振动时,散斑移动,探测器检测到的可能是比较暗的地方,此时信噪比会变得很差。
发明内容
本发明的目的是为解决目前外差激光干涉振动检测仪检测灵敏度低、单PZT调制非线性和测量目标漫发射的散斑不均匀的技术问题。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,光纤激光器的输出端连接到3db光纤分束器的输入端,所述3db光纤分束器的第一输出端连接到光纤合束器的第一输入端,3db光纤分束器的第二输出端连接到测量目标的第一输入面,所述测量目标的第二输入面与PZT以及超声波发生器连接,测量目标的输出面与光学接收天线输入端连接,所述光学接收天线输出端与所述光纤合束器的另一输入端连接,光纤合束器的输出端与探测器的输入端连接,所述探测器的输出端与解调器输入端连接,解调器对探测器输出的信号进行PGC+DCM(Phase Generated Carrier+Differentiate Cross Multiply,相位生成载波+微波交叉相乘)解调;
所述超声波发生器产生的超声波信号与PZT产生的振动信号同时驱动所述测量目标进行振动,使所述光学接收天线接收到的信号产生多普勒频移,光学接收天线输出的信号进入所述光纤合束器后与所述3db光纤分束器输入至光纤合束器的光发生干涉,生成干涉信号,在此干涉信号中,其中超声波信号频率比较高,确定为相移载波,而PZT信号为需要检测的微小振动信号。
进一步地,所述超声波发生器产生的超声波信号频率为20KHz,信号强度为100db,超声波信号对所述测量目标进行同频驱动而使测量目标振动,则干涉系统产生光程差,形成外相位调制。
进一步地,所述PZT紧贴所述测量目标,PZT的振动频率小于2KHz,振幅小于所述光纤激光器输出激光波长的四分之一。
进一步地,所述PZT的振动频率为1KHz。
进一步地,所述光纤激光器为窄线宽保偏及稳频激光器。
进一步地,所述光纤激光器的线宽小于10KHz。
进一步地,所述3db光纤分束器的分光比为50%。
进一步地,与所述3db光纤分束器连接的所有光纤为保偏光纤。
进一步地,所述测量目标为玻璃或铝板。
进一步地,所述探测器的频率带宽>1MHz。
本发明可以使外差相移频率随超声波频率变化而变化。因为超声波频率相对可以调得比较低,所以其带宽B值比较小,可以实现带宽B值降低4-5个数量级,检测灵敏度可达亚纳米量级,显著提高振动检测的精度。同时,超声波外调制方式还可避免采用 PZT调制而引出的非线性问题,改善测量目标漫反射的散斑不均匀性问题。本发明结构更加简单紧凑,降低了系统成本,提高了系统稳定性。
附图说明
图1为基于超声波外调制激光干涉振动检测结构示意图;
图2为PGC+DCM解调原理框图;
图3为解调出的振动信号波形。
图中:1.光纤激光器;2.3db光纤分束器;3.测量目标;4.PZT;5. 超声波发生器;6.光学接收天线;7.光纤合束器;8.探测器;9.解调器。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成,且其不应理解为对本发明的限制。
如图1所示,光纤激光器1的输出端连接到3db光纤分束器2的输入端,光纤激光器1为窄线宽保偏及稳频激光器,线宽小于10KHz,波长为1550nm;3db光纤分束器2为保偏分束器,其分光比为50%,与3db光纤分束器2连接的所有光纤为保偏光纤,3db光纤分束器2的第一输出端连接到光纤合束器6的第一输入端,3db光纤分束器2的第二输出端连接到测量目标3的第一输入面,测量目标3的第二输入面与PZT4以及超声波发生器5连接,测量目标3的输出面与光学接收天线6的输入端连接,测量目标3为玻璃或铝板等反射介质,光学接收天线6的输入端接收测量目标3的漫反射光并将其耦合进入光纤,其输出端连接光纤合束器7,光学接收天线6的输出端与光纤合束器7的另一输入端连接,光纤合束器7的输出形成干涉场,光纤合束器7的输出端与探测器8的输入端连接,探测器8的频率带宽>1MHz,通过探测器8检测出干涉信号,探测器8的输出端与解调器9的输入端连接,解调器9对探测器8输出的信号进行PGC+DCM解调;
超声波发生器5产生的频率为20KHz,强度为100db的超声波信号与紧贴测量目标3的PZT4产生的振动频率为1KHz,振幅小于光纤激光器1输出激光波长四分之一的振动信号同时驱动测量目标3进行振动,使光学接收天线6接收到的信号产生多普勒频移,光学接收天线6输出的信号进入光纤合束器7后与3db光纤分束器2输入至光纤合束器7的光发生干涉,生成干涉信号,在此干涉信号中,其中超声波信号频率比较高,确定为相移载波,而PZT信号为需要检测的微小振动信号,则干涉系统产生光程差,形成外相位调制。
测量目标3与PZT4以及超声信号发生器5相连接,从而得到振动信号,同时,测量目标3接收来自3db光纤分束器2的入射光,并通过漫反射的方式与光学接收天线6相连接,通过该方式形成多普勒信号,其中超声波可以设为相位移频载波,PZT4信号为需检测的微弱振动信号,由探测器8检出后可通过传统的PGC+DCM解调方法将其解调出来,如图2所示。
当光纤激光器1开启后,窄线宽激光器发出单模窄线宽激光,激光通过3db光纤分束器2进行分光,其中一路进入光纤合束器7中,另外一路照射到测量目标3,测量目标3在超声波发生器5以及PZT4驱动下进行振动,超声波发生器5引起测量目标振动幅度为: ,PZT4引起测量目标振动幅度为:,则照射到测量目标3上的光通过光接收天线6接收,并耦合进入光纤合束器7中,在光纤合束器7中,两路光相干涉,探测器8检测到的干涉信号为:
,
其中,,。
对于
可采用传统的PGC+DCM(Phase Generated Carrier+Differentiate Cross Multiply,相位生成载波+微波交叉相乘)解调方式,具体解调方法与中国专利号为200910072532.5的“一种用于振动检测的调制解调系统及方法”中的解调算法相同,可以消除扰动对系统的影响,提高信噪比,同时可以很好地解调出。
当PZT驱动器为PZT4提供幅度为0.01v,周期为400Hz信号时,PZT4的振动幅度为pm量级,因此测量目标3的振动幅度也为pm量级,采用声光移频外差进行探测时,由于带宽B太宽,检测精度不够而检测不出信号,采用本发明进行探测处理,可以得到信噪比较好的的400Hz信号,最终解调出的振动信号波形如图3所示。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,光纤激光器的输出端连接到3db光纤分束器的输入端,所述3db光纤分束器的第一输出端连接到光纤合束器的第一输入端,3db光纤分束器的第二输出端连接到测量目标的第一输入面,所述测量目标的第二输入面与PZT以及超声波发生器连接,测量目标的输出面与光学接收天线输入端连接,所述光学接收天线输出端与所述光纤合束器的另一输入端连接,光纤合束器的输出端与探测器的输入端连接,所述探测器的输出端与解调器输入端连接,解调器对探测器输出的信号进行PGC+DCM解调;
所述超声波发生器产生的超声波信号与PZT产生的振动信号同时驱动所述测量目标进行振动,使所述光学接收天线接收到的信号产生多普勒频移,光学接收天线输出的信号进入所述光纤合束器后与所述3db光纤分束器输入至光纤合束器的光发生干涉,生成干涉信号,在此干涉信号中,其中超声波信号频率比较高,确定为相移载波,而PZT信号为需要检测的微小振动信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述超声波发生器产生的超声波信号频率为20KHz,信号强度为100db,超声波信号对所述测量目标进行同频驱动而使测量目标振动,则干涉系统产生光程差,形成外相位调制。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述PZT紧贴所述测量目标,PZT的振动频率小于2KHz,振幅小于所述光纤激光器输出激光波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述PZT的振动频率为1KHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述光纤激光器为窄线宽保偏及稳频激光器。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述光纤激光器的线宽小于10KHz。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述3db光纤分束器的分光比为50%。
8.根据权利要求7所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,与所述3db光纤分束器连接的所有光纤为保偏光纤。
9.根据权利要求1所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述测量目标为玻璃或铝板。
10.根据权利要求1所述的一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置,其特征在于,所述探测器的频率带宽>1MHz。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150923 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |