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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| 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 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |