CN106840359B - 一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置,由标准激光源、光隔离器、两个偏振分束器、透镜、λ/4波片、压电悬臂梁、五个转折棱镜、两个λ/2波片、光隔离器、待测激光测振仪、驱动电源、信号发生装置以及数据采集系统组成。本发明采用光频调制的方法,利用压电悬臂梁在给定电场情况下的结构形变从而建立激光测振仪的等效工作环境,实现对激光测振仪整体进行校准,同时符合计量校准溯源的要求,采用光隔离器排除被校激光测振仪自身测量光路其对测量结果的影响。利用压电效应实现快速响应校准,实现微位移校准,并且校准的频率范围更宽,提高了校准范围。

Description

一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置
技术领域
本发明涉及一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置,属于激光测振仪计量技术领域。
背景技术
激光测振技术是目前振动计量测试领域最重要、应用最广泛的测量方法。应用对象涉及汽车、飞机、建筑、桥梁等的研制、生产、试验、应用等各种场合。与传统的传感器、探针等接触式测量方法相比,激光测振技术不受被测物体的尺寸、温度、位置、振动频率等的限制,可以弥补接触式测量方式无法测量大幅度振动的缺陷,具有测量方便、测量效率高、测量精度高、响应速度快、可测多维速度和判别速度方向、不破坏被测表面、可适应高温表面测量等优点,能够满足苛刻试验要求及恶劣环境下的振动参数测量要求。
在动态测试与校准领域,激光干涉测振技术已经成为动态测试与校准的重要手段,在振动、冲击、动态力、动态压力、硬度和动态几何量的测量与校准中均采用激光干涉测振作为标准测量方法。然而随着激光测振的要求不断提高,对测量速度、灵敏度、测量范围有越来越高的要求,因此压电效应检测中将会发挥重要作用。针对目前激光测振仪的计量要求,本发明采用光频调制技术,通过压电悬臂梁调制激光测振仪测量信号频率,模拟激光测振仪的测量振动环境以实现激光测振仪动态特性校准。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题,本发明提供一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置,实现激光测振仪动态特性校准。
本发明采用的技术方案为:一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置,其对象设备为待测的激光测振仪,包括标准激光源、光隔离器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、透镜、λ/4波片、压电悬臂梁、第一转折棱镜、第二转折棱镜、第三转折棱镜、第四转折棱镜、第五转折棱镜、第一λ/2波片、第二λ/2波片、光隔离器、待测激光测振仪、驱动电源、信号发生装置以及数据采集系统;所述信号发生装置的输出端连接压电悬臂梁的驱动电源的输入端,驱动电源的输出端链接压电悬臂梁的正负电极,压电悬臂梁固定在精密姿态调整机构上,所述信号发生装置用于产生振动激励信号,并将振动激励信号传输至压电悬臂梁驱动电源,所述压电悬臂梁驱动电源能够接收信号发生装置传来的振动激励信号并将其放大后,输入到压电悬臂梁使其产生振动,标准激光源发出的线偏振光,经过光隔离器,到达偏振分束器,垂直于水平面振动的光分量被反射到第一转折棱镜,形成参考光束,而平行于水平面振动的光分量透过第一偏振分束器,经过透镜后被聚焦,穿过λ/4波片,入射到压电悬臂梁表面,形成探测光束,探测光被悬臂梁表面反射后,再次穿过λ/4波片,其偏振方向被旋转90°,此时激光为垂直于水平方向的振动,所以在偏振分束器处被反射,依次经过第二转折棱镜、第三转折棱镜、第四转折棱镜和第一λ/2波片后到达第二偏振分束器,参考光依次经过第一转折棱镜、第五转折棱镜和第二λ/2波片后到达第二偏振分束器,两束光汇合,产生干涉,干涉光经过光隔离器后,进入待测激光测振仪,激光测振仪将返回光线的频率转化为电压信号,将电压信号送入数据采集系统,并将获取的数据采集系统的电压信号控制系统设定的标准模拟电压信号进行比较处理。
进一步地,压电悬臂梁在调制电场驱动作用下,由于压电效应的直接作用,梁产生伸缩振动,进而使梁产生弯曲运动,根据压电理论和弹性力学可知梁的振动与压电梁激励信号相关,获取的数据采集系统的电压信号转换为位移信号,并和悬臂梁形变进行比较处理。
进一步地,所述光频制利用压电效应来实现激光测振仪的测量光的频率调制。
本发明与现有技术相比优点在于:
(1)本发明采用光频调制技术,通过压电悬臂梁调制激光测振仪测量信号频率,模拟激光测振仪的测量振动环境以实现激光测振仪动态特性校准。实现对激光测振仪整体进行校准,同时符合计量校准溯源的要求,采用光隔离器排除被校激光测振仪自身测量光路其对测量结果的影响。利用压电效应实现校准的频率范围更宽,提高了校准范围。
(2)本发明所使用的压电梁有控制精度好,位移可以达到微米甚至纳米级,而且压电梁有小驱动、快响应等优点,是一种理想的微位移标准件。此外对施加悬臂梁的电压形式可控性好,无论直流偏压和交流电压都能够实现位移,且重复性好。利用压电梁能够提高激光测振仪的校准精度和动态响应。
附图说明
图1为本发明一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置的结构示意图;
图2为观测结构中点的位移示意图;
图3为在仿真软件中进行瞬态分析得到观测结构中点的位移-时程曲线示意图;
其中附图标记含义为:1为标准激光源;2为光隔离器;3为第一偏振分束器;4为透镜;5为λ/4波片;6为压电悬臂梁;7、8、9、10、14分别第一、第二、第三、第四、第五为转折棱镜;11、13分别为第一、第二λ/2波片;12为第二偏振分束器;15为光隔离器;16为待测激光测振仪;17为驱动电源;18为信号发生装置;19为数据采集系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明的一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置,所述光频制利用压电效应来实现激光测振仪的测量光的频率调制,模拟激光测振仪真实的测量光学环境;通过数据采集系统完成对激光测振仪测量结果采集,并和控制系统设定的标准模拟信号进行比较,完成对激光测振仪的计量测试校准。
实施例1
一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置,其对象设备为待测的激光测振仪,其特征在于:包括标准激光源1、光隔离器2、第一偏振分束器3、第二偏振分束器12、透镜4、λ/4波片5、压电悬臂梁6、第一、第二、第三、第四、第五转折棱镜7、8、9、10、14、第一、第二λ/2波片11、13、光隔离器15、待测激光测振仪16、驱动电源17、信号发生装置18以及数据采集系统19;
所述信号发生装置18的输出端连接压电悬臂梁6的驱动电源的输入端,驱动电源17的输出端链接压电悬臂梁6的正负电极。压电悬臂梁6固定在精密姿态调整机构上。
所述信号发生装置18用于产生振动激励信号,并将振动激励信号传输至压电悬臂梁驱动电源17。
所述压电悬臂梁驱动电源17能够接收信号发生装置传来的振动激励信号并将其放大后,输入到压电悬臂梁6使其产生振动。
光学组件负责必要的分光、聚焦、旋转偏振方向等,包括光隔离器2、第一、第二偏振分束器3、12、λ/4波片5、第一、第二λ/2波片11、13、第一、第二、第三、第四、第五转折棱镜7、8、9、10、14。
标准激光源1发出的线偏振光,经过光隔离器2,到达第一偏振分束器3,垂直于水平面振动的光分量被反射到第一转折棱镜7,形成参考光束,而平行于水平面振动的光分量透过第一偏振分束器3,经过透镜4后被聚焦,穿过λ/4波片5,入射到压电悬臂梁6表面,形成探测光束。探测光被悬臂梁表面反射后,再次穿过λ/4波片5,其偏振方向被旋转90°,此时激光为垂直于水平方向的振动,所以在第一偏振分束器3处被反射,经过三次转折棱镜即第二、第三、第四转折棱镜8、9、10和第一λ/2波片11后到达第二偏振分束器12。参考光经过两次转折棱镜即第一、第五转折棱镜7、14和第二λ/2波片13后到达第二偏振分束器12,两束光汇合,产生干涉,干涉光经过光隔离器15后,进入待测激光测振仪16。
激光测振仪将返回光线的频率转化为电压信号,将电压信号送入数据采集系统19,并将获取的数据采集系统的电压信号控制系统设定的标准模拟电压信号进行比较处理。
压电悬臂梁在调制电场驱动作用下,由于压电效应的直接作用,梁产生伸缩振动,进而使梁产生弯曲运动,根据压电理论和弹性力学可知梁的振动与压电梁激励信号相关。获取的数据采集系统的电压信号转换为位移信号,并和悬臂梁形变进行比较处理。
实施例2
静态测量:仿真对压电梁施加直流偏压;
设计双端固支压电梁,结构为三层,自下而上材料分别是Si、SiO2、PZT,每一层尺寸长均为1000um,宽均为100um。厚度至下而上分别是10um、2um、3um。保持压电材料PZT的下表面电压为0,对其上表面施加5v~10v的直流偏压,观测结构中点的位移如图2。有图可知,位移与施加的电压呈线性关系。因此可以通过该装置完成激光测振仪的静态标定。
实施例3
动态测量:仿真对压电梁施加交流电压;
设计与案例2一致的压电梁,保持压电材料PZT的下表面电压为0,对其上表面施加交变压电,设驱动电源为交变正弦信号:
U=10sin(2π×3000t)V
在仿真软件中进行瞬态分析得到观测结构中点的位移-时程曲线,如图3。可以看出,在交变电压作用下输出位移的响应曲线与输入信号的频率相同,因此可以对激光测振仪的动态性能指标进行标定。

Claims (1)

1.一种用于激光测振仪的双光束干涉校准装置,其对象设备为待测的激光测振仪,其特征在于:包括标准激光源(1)、第一光隔离器(2)、第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(12)、透镜(4)、λ/4波片(5)、压电悬臂梁(6)、第一转折棱镜(7)、第二转折棱镜(8)、第三转折棱镜(9)、第四转折棱镜(10)、第五转折棱镜(14)、第一λ/2波片(11)、第二λ/2波片(13)、第二光隔离器(15)、待测激光测振仪(16)、驱动电源(17)、信号发生装置(18)以及数据采集系统(19);所述信号发生装置(18)的输出端连接压电悬臂梁(6)的驱动电源的输入端,驱动电源(17)的输出端连接压电悬臂梁(6)的正负电极,压电悬臂梁(6)固定在精密姿态调整机构上;
所述信号发生装置(18)用于产生振动激励信号,并将振动激励信号传输至压电悬臂梁驱动电源(17);
所述压电悬臂梁驱动电源(17)能够接收信号发生装置传来的振动激励信号并将其放大后,输入到压电悬臂梁(6)使其产生振动;
标准激光源(1)发出的线偏振光,经过第一光隔离器(2),到达第一偏振分束器(3),垂直于水平面振动的光分量被反射到第一转折棱镜(7),形成参考光束,而平行于水平面振动的光分量透过第一偏振分束器(3),经过透镜(4)后被聚焦,穿过λ/4波片(5),入射到压电悬臂梁(6)表面,形成探测光束,探测光被悬臂梁表面反射后,再次穿过λ/4波片(5),其偏振方向被旋转90°,此时激光为垂直于水平方向的振动,所以在第一偏振分束器(3)处被反射,依次经过第二转折棱镜(8)、第三转折棱镜(9)、第四转折棱镜(10)和第一λ/2波片(11)后到达第二偏振分束器(12),参考光依次经过第一转折棱镜(7)、第二λ/2波片(13)和第五转折棱镜(14)后到达第二偏振分束器(12),两束光汇合,产生干涉,干涉光经过第二光隔离器(15)后,进入待测激光测振仪(16);
激光测振仪将返回光线的频率转化为电压信号,将电压信号送入数据采集系统(19),并将获取的数据采集系统的电压信号与控制系统设定的标准模拟电压信号进行比较处理;
压电悬臂梁在调制电场驱动作用下,由于压电效应的直接作用,梁产生伸缩振动,进而使梁产生弯曲运动,根据压电理论和弹性力学可知梁的振动与压电悬臂梁激励信号相关,获取的数据采集系统的电压信号转换为位移信号,并和悬臂梁形变进行比较处理;
利用压电效应来实现激光测振仪的测量光的频率调制;
静态测量:仿真对压电悬臂梁施加直流偏压;
设计双端固支压电悬臂梁,结构为三层,自下而上材料分别是Si、SiO2、PZT,每一层尺寸长均为1000um,宽均为100um,厚度至下而上分别是10um、2um、3um,保持压电材料PZT的下表面电压为0,对其上表面施加5v~10v的直流偏压,观测结构中点的位移,可得位移与施加的电压呈线性关系,通过该用于激光测振仪的双光束干涉校准装置完成激光测振仪的静态标定;
动态测量:仿真对压电悬臂梁施加交流电压;
设计与上述压电悬臂梁一致的压电悬臂梁,保持压电材料PZT的下表面电压为0,对其上表面施加交变压电,设驱动电源U为交变正弦信号,t为时间:
U=10sin(2π×3000t),单位:V
在仿真软件中进行瞬态分析得到观测结构中点的位移-时程曲线,在交变电压作用下输出位移的响应曲线与输入信号的频率相同,对激光测振仪的动态性能指标进行标定;
该用于激光测振仪的双光束干涉校准装置采用光频调制技术,通过压电悬臂梁调制激光测振仪测量信号频率,模拟激光测振仪的测量振动环境以实现激光测振仪动态特性校准,实现对激光测振仪整体进行校准,同时符合计量校准溯源的要求,采用光隔离器排除被校激光测振仪自身测量光路其对测量结果的影响,利用压电效应实现校准的频率范围更宽,提高了校准范围;
该用于激光测振仪的双光束干涉校准装置所使用的压电悬臂梁有控制精度好,位移达到微米甚至纳米级,而且压电悬臂梁有小驱动和快响应的优点,是一种理想的微位移标准件,此外对施加悬臂梁的电压形式可控性好,无论直流偏压和交流电压都能够实现位移,且重复性好,利用压电悬臂梁能够提高激光测振仪的校准精度和动态响应。
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