CN105241539A - 用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，包括：衍射装置、激光干涉仪、信号处理装置以及相位解调装置。其中信号处理装置，将激光干涉仪产生的第一电信号移相90度得到与第一电信号正交的第二电信号，并将第一电信号和第二电信号分别进行下降频处理得到第一中频电信号和第二中频电信号，并对第一中频电信号和第二中频电信号分别进行模数转换，得到第一数字信号和第二数字信号；相位解调装置对第一数字信号和第二数字信号进行相位解调，得到与角振动台的角振动有关的参数。

Description

用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪

技术领域

本发明属于机械振动与冲击测量领域，具体涉及一种用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪。

背景技术

角振动属于旋转振动，与直线振动一样是振动测量的重要部分。常用的角振动测量方法有激光绝对法、与可溯源至绝对法的参考传感器比较的比较法，以及圆光栅测量。然而，陀螺仪与角振动传感器测量精度低，长期稳定性不能够保证，当其作为参考传感器使用时会影响测量精度，圆光栅精度不够或者测量频率不高，因此，近年来，发展出一种精度更高、且能够解算角振动相位信息的角振动测量方法，即衍射光栅外差激光干涉法。

衍射光栅外差激光干涉法通过将激光干涉仪产生的激光光束照射在衍射光栅上，返回携带有角振动信息的衍射光，将该衍射光与参考光差频，并对差频后的光信号进行光电转换，得到包含角振动信息的电信号，再对该电信号进行相位解调，即可得到与角振动相关的参数。

然而，发明人认识到，这种衍射光栅外差激光干涉法在应用中仍然存在问题，例如对于低频角振动，所得到的电信号因携带信息量过大，往往超出计算设备的计算能力，难以进行后续的相位解调处理，并且衍射光栅外差激光干涉法提供的单路输出难以适应某些非针对单路输出的相位解调算法的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，以解决现有技术中的上述问题。

根据本发明的一方面，提出了一种用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，包括：衍射装置，其包括能够产生角振动的角振动台和衍射光栅，所述角振动台具有转动轴，所述衍射光栅同轴安装在所述转动轴上并能够随所述转动轴转动；激光干涉仪，其能够发射激光光束，该激光光束照射在所述衍射光栅上产生携带有角振动信息的衍射光，通过调整激光光束与衍射光栅的角度，能够使衍射光返回激光干涉仪并与参考光进行差频，差频后得到的光信号经光电转换后得到携带有角振动信息的第一电信号；信号处理装置，其将第一电信号移相90度得到与第一电信号正交的第二电信号，并将第一电信号和第二电信号分别进行下降频处理得到第一中频电信号和第二中频电信号，并对第一中频电信号和第二中频电信号分别进行模数转换，得到第一数字信号和第二数字信号；以及相位解调装置，该相位解调装置对第一数字信号和第二数字信号进行相位解调，得到与角振动台的角振动有关的参数。

根据本发明的另一方面，提出了一种角振动传感器校准系统，包括：根据上述方面所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪；角振动传感器，其安放在所述衍射光栅外差激光测振仪中的角振动台上，以感测角振动台的角振动；以及校准装置，其利用所述衍射光栅外差激光测振仪得到的与角振动相关的信息以及来自所述角振动传感器的感测信号，对所述角振动传感器进行校准。

本发明通过信号处理装置将激光干涉仪产生的电信号模拟移相90度得到两路正交电信号，使得衍射光栅外差激光干涉法能够适应于具有双路输入的相位解调算法，此外，通过信号处理装置对第一电信号和第二电信号进行下降频处理，使得所产生的第一数字信号和第二数字信号的数据率降低，降低了对后续进行相位解调的计算设备处理能力的要求，这样即便角振动频率低，电信号中携带信息量很大，仍能够通过计算设备进行处理，得到角振动的相关参数，从而实现了衍射光栅外差激光测振仪对角振动的宽频带测量。

附图说明

图1根据本发明实施例的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪的结构示意图。

图2示出了激光干涉仪的一个示例的结构示意图。

图3示出了信号处理装置的一个示例的结构示意图。

图4示出了根据本发明的又一实施例的一种角振动传感器校准系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

图1示出了根据本发明实施例的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪的示意性结构图，包括：

衍射装置1，该衍射装置1包括能够产生角振动的角振动台101和衍射光栅102，角振动台101具有转动轴，衍射光栅102同轴安装在转动轴上并能够随转动轴转动；

激光干涉仪2，该激光干涉仪能够发射激光光束，该激光光速照射在衍射光栅102上产生携带有角振动信息的一级衍射光，通过调整激光光束与衍射光栅的角度，能够使该一级衍射光返回激光干涉仪并与参考光进行差频，差频后得到的光信号经光电转换后得到携带有角振动信息的第一电信号；

信号处理装置3，该信号处理装置将第一电信号移相90度得到与第一电信号正交的第二电信号，并将第一电信号和第二电信号分别进行下降频处理得到第一中频电信号和第二中频电信号，并对第一中频电信号和第二中频电信号分别进行模数转换，得到第一数字信号和第二数字信号；

相位解调装置4，该相位解调装置4对第一数字信号和第二数字信号进行相位解调，得到与角振动台的角振动有关的参数。

本发明通过信号处理装置将激光干涉仪产生的电信号模拟移相90度得到两路正交电信号，使得衍射光栅外差激光干涉法能够适应于具有双路输入的相位解调算法，此外，通过信号处理装置对第一电信号和第二电信号进行下降频处理，使得所产生的第一数字信号和第二数字信号的数据量降低，降低了对后续进行相位解调的计算设备处理能力的要求，这样即便角振动频率低，电信号中携带信息量很大，仍能够通过计算设备进行处理，得到角振动的相关参数，从而实现了衍射光栅外差激光测振仪对角振动的宽频带测量。

衍射装置1

如图1所示，衍射光栅102同轴安装在角振动台101的转动轴上，即衍射光栅与转动轴同心。衍射光栅102可随着角振动台101的转动轴转动，且能够随着角振动台而发生角振动。衍射光栅102可以是柱面反射式正弦相位的衍射光栅，衍射光栅的外表面可刻有正弦波面，且波形连续，以保证相位连续。一般来说，正弦衍射光栅的精度越高测量的越准确。在一个示例中，该精度可以为每毫米2000-4000个正弦波面，例如为每毫米3000个正弦波面。衍射光栅的尺寸可根据需要任意设计，例如为直径50mm的圆柱。在一个示例中，正弦曲面可涂有反光物质。

本领域技术人员应理解，图1中的衍射装置1的结构仅仅是一个示例，本实施例可使用已知的其他结构的衍射装置。

激光干涉仪2

在工作中，当角振动台101的转动轴发生转动时，衍射光栅102随着转动轴一起转动。当激光干涉仪2发出的激光光束以一级反射衍射角度照射在衍射光栅上时，在角振动台产生角振动的情况下，返回的一级衍射光会产生多普勒频移，即载有了角振动信息。载有角振动信息的一级衍射光返回至激光干涉仪，与参考光进行差频。

图2示出了本实施例中激光干涉仪2的一个示例的结构示意图。在该示例中，激光干涉仪2可包括激光发射部件201、第一分光镜202、偏振分光镜203、第二分光镜204、调制器205、反射镜206、振荡器207、光电转换器208、以及透镜组209。

激光发射部件201(例如HeNe激光器)发射的激光光束可经由第一分光镜202分为第一部分光和第二部分光。第一部分光经由偏振分光镜203转换为单一偏振方向的偏振光，再经由透镜组209聚焦后入射在衍射光栅102上。当第一部分光以一级反射衍射角度入射在衍射光栅102上时，形成一级衍射光，该一级衍射光经由透镜组209沿入射方向的相反方向返回激光干涉仪2，经偏振分光镜203反射后到达第二分光镜204，并传播通过第二分光镜204。

所谓一级反射衍射角度，是指当激光束以该入射角度入射在衍射光栅102上时，能够产生一级衍射光。在一个示例中，可以通过如下方式来达到一级反射衍射角度：当激光光束以一定的角度照射在衍射光栅上时，激光束能够在衍射光栅上形成衍射，调整这个角度直到一级衍射光返回入射干涉仪为止，即达到了一级反射衍射角度。

在一个示例中，参考光可以是激光光束经预定频率的频移后形成的。在图2所示的示例中，第一分光镜202产生的第二部分光经由调制器205(例如声光调制器)进行预定频率的移频，形成参考光，参考光经由反射镜206改变传播方向，到达第二分光镜204，并经由第二分光镜204反射后传播。通过各部件的设置，可以使经由第二分光镜204的一级衍射光和参考光同轴同方向，从而使得这两束光发生差频，差频后的光信号再经由光电转换器207转换为第一电信号。

到达第二分光镜的204的参考光的频率包含激光光束的光频以及上述预定频率的频移，到达第二分光镜204的一级衍射光包括激光光束的光频和由角振动引起的多普勒频移。当两路光在空间位置上同方向同轴时，会发生差频，变成一个频率相加的高频光信号和一个频率相减的低频光信号(即预定频率的频移和多普勒频移)构成的干涉信号，干涉信号进入光电转换器207，其中高频光信号因超出光电转换器207的可接收频率范围而得不到转换，低频光信号转换形成包含预定频率的频移和多普勒频移的第一电信号。

可通过振荡器(例如晶振206)提供预定振荡频率的振荡信号给调制器205，调制器205通过所提供的振荡信号产生振动，对通过调制器205的第二部分光进行预定频率的移频，该预定频率等于预定振荡频率。其中，预定频率(振荡频率)可以根据需要进行设置，在一个示例中，例如为40MHz。

本领域技术人员应理解，图2给出的仅仅是激光干涉仪的一个示例，可根据需要选择已知的其他结构的激光干涉仪。

信号处理装置3

该信号处理装置3将激光干涉仪产生的第一电信号移相90度得到与第一电信号正交的第二电信号，并将第一电信号和第二电信号分别进行降频处理得到第一中频电信号和第二中频电信号。这样做一方面使得激光干涉仪的单路输出能够适应于非针对单路输出的数据解调算法，另一方面将第一电信号和第二电信号转换为适宜于A/D转换装置处理的频率范围，再一方面，也使得A/D转换后得到的数字信号的数据量下降。这样即使角振动频率较低，经A/D转换后单位时间的角振动信息量很大，仍然能够适应于计算设备的处理能力。

该信号处理装置3进一步对第一中频电信号和第二中频电信号分别进行模数转换，得到第一数字信号和第二数字信号，即实现对来自激光干涉仪的模拟信号的数字采集。

图3示出了信号处理装置3的一个示例的结构示意图，在该示例中，信号处理装置可包括移相器301，其对第一电信号进行移相90度以产生正交的第二电信号。

信号处理装置3还可包括第一混频器302，第二混频器303、第一低通滤波器304，第二低通滤波器305，以及A/D转换器306。可通过第一混频器302、第二混频器303分别对第一电信号和第二电信号进行下降频处理，并经由第一低通滤波器304、第二低通滤波器305分别滤除高频信号，得到第一中频电信号和第二中频电信号。A/D转换器306对第一中频电信号和第二中频电信号分别进行模数转换，得到第一数字信号和第二数字信号。可选地，可外接或内置一个固定频率正弦信号作为混频器302和303的本振信号，以对两路正交载波信号进行下降频处理。

下面以第一电信号基频(即上述预定频率)为40MHz，本振信号频率为41.25MHz作为一个示例，来进一步说明本实施例的原理。本领域技术人员应理解，这些具体的频率值以及以下示例的说明中所涉及的具体细节仅仅是为了说明本示例的原理以便于理解，而非意在以任何方式限制本发明。

本示例中，可通过硬件模拟电路(例如模拟移相器)对基频为40MHz的第一电信号移相90度变为第二电信号，从而得到2路正交电信号，由于多普勒信号和基频信号频率差别非常大，所以移相过程中对电信号中包含的多普勒信号没有影响。可利用41.25MHz的本振信号通过降频把基频降到1.25MHz。然后，可以使用欠采样方式对降频后的第一、第二电信号进行A/D转换，得到第一、第二数字信号。然后，可通过例如本领域技术人员已知的动态相位解调方法，从第一、第二数字信号解调出角振动的物理参量(即与角振动有关的参数)。这种方式极大降低了A/D转换过程中的采样率，也即降低了实现相位解调过程的计算设备要处理的数据率，从而可以实现低频角振动解调。

本示例在移相、降频等环节都采用了模拟电路，而不是数字电路，从而最大限度地避免了数字电路在能够处理的数据率方面的限制。利用本示例，即便角振动频率很低(例如低于5Hz),电信号所携带的角振动信息量很大，经处理后的信号在数模转换后,其数据率仍在计算设备的处理能力范围内,不会发生溢出现象。

在一个示例中，还可在接收第一电信号后，先通过信号放大及滤波模块对第一电信号进行放大和滤波，以进一步改善信号质量，提高精度。

相位解调装置4相位解调装置4可对经信号处理装置3得到的第一数字信号和第二数字信号进行相位解调，得到与角振动有关的参数，例如包括角振动的加速度参数、速度参数、相位调制项幅值参数和位移的初相位参数中的一个或多个。以下示例给出了相位解调装置4基于正弦逼近法进行相位解调的一个具体示例。本领域技术人员应理解，相位解调的方法不限于本示例，也可以基于已知的其他相位解调方式进行相位解调。

基于第一数字信号u₁(t_i)和第二数字信号u₂(t_i)，可得到调相值序列的表达式：

使用最小二乘法，通过解算具有A、B、C三个未知参数构成的方程组，可以逼近(1)式求得的调相值序列

式中：i＝0，1，2，……N； 为角振动的相位调制项幅值；C为常数；ω为角振动的角频率，ω＝2πf，f是角振动的频率；为角振动位移的初相位角；

求得A、B之后，可根据下式(3)和(4)计算角振动的相位调制项幅值和位移的初相位角

假设衍射光栅102每毫米有k个波峰，则根据式(5)：

可得；

式中：N_360°为整个圆周包含的波峰数；r为衍射光栅围绕的测量盘的半径，Φ(t)为角振动的角位移，是相位信息，是角量化间隔；

可得角振动速度幅值Ω和初相位角

可得角振动加速度a和初相位角

实施例2

图4示出了根据本发明的又一实施例的一种角振动传感器校准系统的结构示意图，包括：根据实施例1的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪401；角振动传感器402，其安放在上述衍射光栅外差激光测振仪中的角振动台上，以感测角振动台的角振动；以及校准装置403，其利用上述衍射光栅外差激光测振仪得到的与角振动相关的信息以及来自角振动传感器的感测信号，对角振动传感器进行校准。

在一个示例中，可以在数字采集来自激光干涉系统的信号的同时，同步采集来自角振动传感器103的感测电压信号，以形成离散的数字电压序列(u(t_i))，利用(2)式介绍的正弦逼近法可以计算被校准的角振动传感器103的输出幅值和初相位：

u(t_i)＝A_ucosωt_i-B_usinωt_i+C_u(12)

式中：

C_u为常数；

为传感器输出信号幅值；

为角振动传感器输出信号的初相位角。

利用正弦逼近法可求的参数A_u和B_u，计算传感器输出的信号幅值和初相位

$\hat{u}=\sqrt{A_u^2+B_u^2}---\left(13\right)$

利用(10)式和(13)求得值，可计算出被校角振动传感器的幅值灵敏度其中是a的幅值：

${\hat{S}}_a=\frac{\hat{u}}{\hat{a}}---\left(15\right)$

利用(11)式和(14)式可求出被校角振动传感器的相移：

同理可以求出被校角振动传感器的位移和速度的灵敏度及对应的相移值，基于上述求出的于被校角振动传感器相关的各参数，可实现对被校角振动传感器的校准。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是示意性的，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，包括：

衍射装置，其包括能够产生角振动的角振动台和衍射光栅，所述角振动台具有转动轴，所述衍射光栅同轴安装在所述转动轴上并能够随所述转动轴转动；

激光干涉仪，其能够发射激光光束，该激光光束照射在所述衍射光栅上产生携带有角振动信息的一级衍射光，通过调整激光光束与衍射光栅的角度，能够使一级衍射光返回激光干涉仪并与参考光进行差频，差频后得到的光信号经光电转换后得到携带有角振动信息的第一电信号；

信号处理装置，其将第一电信号移相90度得到与第一电信号正交的第二电信号，并将第一电信号和第二电信号分别进行下降频处理得到第一中频电信号和第二中频电信号，并对第一中频电信号和第二中频电信号分别进行模数转换，得到第一数字信号和第二数字信号；以及

相位解调装置，该相位解调装置对第一数字信号和第二数字信号进行相位解调，得到与角振动台的角振动有关的参数。

2.根据权利要求1所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，其中，所述信号处理装置包括：

移相器，其对第一电信号进行移相90度以产生正交的第二电信号；

第一混频器，其对第一电信号进行下降频处理；

第二混频器，其对第二电信号进行下降频处理；

第一低通滤波器，其对第一混频器的输出信号进行低通滤波，得到第一中频电信号；

第二低通滤波器，其对第二混频器的输出信号进行低通滤波，得到第二中频电信号；以及

A/D转换器，其对第一中频电信号和第二中频电信号分别进行模数转换，得到第一数字信号和第二数字信号。

3.根据权利要求1所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，其中，所述衍射光栅是柱面反射式正弦相位的衍射光栅，所述衍射光栅的外表面刻有正弦波面，且波形连续。

4.根据权利要求3所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，其中，所述衍射光栅的精度为每毫米3000个正弦波面。

5.根据权利要求1所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，其中，所述参考光是所述激光光束经预定频率的频移后形成的。

6.根据权利要求1所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，其中，所述相位解调装置基于正弦逼近法对第一数字信号和第二数字信号进行相位解调。

7.根据权利要求1所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪，其中，与角振动台的角振动有关的参数包括角振动的角加速度参数、角速度参数、相位调制项幅值参数和位移的初相位参数中的一个或多个。

8.一种角振动传感器校准系统，包括：

根据权利要求1至8中任意一项所述的用于角振动测量的衍射光栅外差激光测振仪；

角振动传感器，其安放在所述衍射光栅外差激光测振仪中的角振动台上，以感测角振动台的角振动；以及

校准装置，其利用所述衍射光栅外差激光测振仪得到的与角振动相关的信息以及来自所述角振动传感器的感测信号，对所述角振动传感器进行校准。