CN108225539B - 一种激光振动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光振动测量系统，包括：激光单元(1)；聚焦成像单元(2)，所述聚焦成像单元(2)与所述激光单元(1)相连接；调焦单元(3)，所述调焦单元(3)与所述聚焦成像单元(2)相连接；控制单元(4)，所述控制单元(4)分别与所述聚焦成像单元(2)和所述调焦单元(3)相连接。本发明的测量系统能够自动化完成对物体进行识别和振动测量，减少了人工的操作过程。同时由于采用激光进行振动测量，整个过程中不需要人工调焦、识别等过程，从而避免了对操作人员的伤害，提高了整个测量系统的安全性。本发明的测量系统实现了激光振动测量时激光聚焦与图像采集的共轴同步，提高了整个测量系统的测量精度和测量效率。

Description

一种激光振动测量系统

技术领域

本发明涉及一种振动测量系统，尤其涉及一种激光振动测量系统。

背景技术

随着产业、技术的不断升级和发展，振动测量的应用越来越广，对激光测振仪的要求也呈现多样化的趋势，其中激光测振设备的自动化与智能化成为其中的一个重要发展方向。这要求激光测振设备能够自动聚焦的同时也应具备目标识别功能，方便测试人员远程控制或通过机器人自动控制激光测振设备对感兴趣目标进行锁定并提取其振动信息。

目前常见的方法是在平行于激光测振设备光轴方向上加装图像采集装置，但这种方案中成像模块的光轴与激光光轴之间存在一定间隔，导致只适用远距离测量，且每次使用时需要做距离矫正，否则容易导致测量误差。同时，成像模块与激光测振模块对感兴趣目标的对焦并不同步，很难快速找到和定位目标。

例如，申请公布号为CN103427877B，名称为“用于以干涉测量方式对物体进行振动测量的设备和方法”的发明专利公开了一种方案。其中，用于以干涉测量方式对物体进行振动测量的设备，包括射束源、第一分束器、检测器以及调焦装置，其中，所述设备使得由物体至少部分反射的测量射束与基准射束在检测器的检测面上叠加，而调焦装置布置在测量射束的射束路径中用以使测量射束聚焦到物体的测量点上，重要的是，该设备能产生波长大于1100nm的测量射束，设备还包括像单元用于对物体的围绕测量点的至少一个局部区域进行平面成像，其中，调焦装置在像单元与物体之间的射束路径中，测量射束的焦点大致位于像单元的焦平面内，借助调焦装置能使测量射束的焦点和像单元的焦平面同步移动。由于本方案中采用的射束源发出的测量射束为不可见光，导致需要通过望远镜选定目标检测区域，从而使测量射束照射区域与选定的目标区域出现偏差，并且测量射束为不可见的进一步导致不能准确获取测量射束在目标区域的聚焦位置，只能通过间接测量的方式获取，由此可知本方案的测量设备的准确性难以保证。在本方案中，调焦装置为手动装置，测量射束为不可见光，因此，调焦过程中难以保证测量射束在目标区域达到最佳的聚焦效果，进一步降低了本测量设备的测量精度和测量效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光振动测量系统，解决测量结果精度低、无法自动聚焦的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种激光振动测量系统，包括：

激光单元；

聚焦成像单元，所述聚焦成像单元与所述激光单元相连接；

调焦单元，所述调焦单元与所述聚焦成像单元相连接；

控制单元，所述控制单元分别与所述聚焦成像单元和所述调焦单元相连接。

根据本发明的一个方面，所述调焦单元包括：

调焦控制器，所述调焦控制器与所述控制单元相连接；

驱动装置，所述驱动装置分别与所述调焦控制器和所述聚焦成像单元相连接。

根据本发明的一个方面，所述调焦单元还包括：第一限位开关和第二限位开关；

所述第一限位开关和所述第二限位开关分别与所述调焦控制器相连接；

所述第一限位开关和所述第二限位开关间隔设置，并且所述驱动装置驱动调焦机构在所述第一限位开关和所述第二限位开关之间往复移动。

根据本发明的一个方面，所述调焦控制器包括：

位移控制器，用于控制所述驱动装置驱动所述调焦机构的位移；

第一A/D转换器，所述第一A/D转换器分别与所述控制单元和所述位移控制器相连接。

根据本发明的一个方面，所述第一限位开关和所述第二限位开关分别为光电传感器。

根据本发明的一个方面，所述聚焦成像单元包括：

聚焦子单元，所述聚焦子单元与所述激光单元相连接；

图像传感器，所述图像传感器与所述控制单元相连接，并通过所述聚焦子单元摄取图像。

根据本发明的一个方面，所述聚焦子单元包括：后透镜、第一反射镜、第一分光镜、前透镜组、第一波片；

所述后透镜、所述第一反射镜、所述第一分光镜、所述前透镜组、所述第一波片依次设置构成第一光路。

根据本发明的一个方面，所述图像传感器通过所述第一分光镜、所述前透镜组、所述第一波片摄取图像。

根据本发明的一个方面，所述前透镜组与所述调焦机构相连接；

所述驱动装置驱动所述调焦机构使所述前透镜组在所述第一分光镜和第一波片之间往复移动。

根据本发明的一个方面，所述第一波片为四分之一波片。

根据本发明的一个方面，所述后透镜为单透镜。

根据本发明的一个方面，所述后透镜为非球面单透镜。

根据本发明的一个方面，所述第一反射镜为直角反射棱镜；

所述第一分光镜为单波长高反射镜。

根据本发明的一个方面，所述激光单元包括：

激光发生器，

第二光路子单元，所述第二光路子单元分别与所述激光发生器和所述聚焦成像单元相连接；

第三光路子单元，所述第三光路子单元与所述第二光路子单元相连接。

根据本发明的一个方面，所述第二光路子单元和所述第三光路子单元中分别采用全保偏光路。

根据本发明的一个方面，所述第二光路子单元包括：第二反射镜、第二分光镜、移频器和第三分光镜；

所述第二反射镜、所述第二分光镜、所述移频器和所述第三分光镜依次构成第二光路。

根据本发明的一个方面，通过所述第三分光镜与所述后透镜将所述第二光路与所述第一光路相连通。

根据本发明的一个方面，所述第三光路子单元包括：第三反射镜、第二波片、第四分光镜和第四反射镜；

所述第三反射镜、所述第二波片、所述第四分光镜和所述第四反射镜依次设置构成第三光路。

根据本发明的一个方面，通过所述第三反射镜与所述第二分光镜，以及所述第四分光镜与所述第三分光镜使所述第二光路与所述第三光路相连通。

根据本发明的一个方面，所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜分别为直角反射棱镜；

所述第二分光镜和所述第三分光镜分别为偏振分光棱镜；

所述第四分光镜为消偏振分光棱镜；

所述移频器为声光移频器。

根据本发明的一个方面，所述第二波片为二分之一波片。

根据本发明的一个方面，所述激光发生器为氦氖激光发生器或者偏振输出单频窄线宽半导体激光发生器。

根据本发明的一个方面，所述控制单元包括：

光电转换子单元，所述光电转换子单元分别与所述激光单元和所述调焦单元相连接；

信号传输子单元，所述信号传输子单元与所述光电转换子单元相连接；

处理子单元，所述处理子单元分别与所述信号传输子单元、所述聚焦成像单元和所述调焦单元相连接。

根据本发明的一个方面，所述光电转换子单元包括：

光电探测器，用于接收所述第四分光镜和所述第四反射镜传输的光，并转换为电信号；

信号处理器，用于对所述电信号进行处理，并将处理后的所述电信号传输至所述信号传输子单元和所述调焦单元。

根据本发明的一个方面，所述信号传输子单元包括：

第二A/D转换器，所述第二A/D转换器与所述信号处理器相连接；

数字解码器，所述数字解码器分别与所述处理子单元和所述第二A/D转换器相连接。

根据本发明的一个方面，所述处理子单元包括：

振动分析装置，所述振动分析装置分别与所述聚焦成像单元和所述数字解码器相连接；

触发器，所述触发器与所述调焦单元相连接。

根据本发明的一个方面，所述光电探测器为平衡光电探测器。

根据本发明的一种方案，本发明的测量系统能够自动化完成对物体进行识别和振动测量，减少了人工的操作过程。同时由于采用激光进行振动测量，整个过程中不需要人工调焦、识别等过程，从而避免了对操作人员的伤害，提高了整个测量系统的安全性。本发明的测量系统实现了激光振动测量时激光聚焦与图像采集的共轴同步，提高了整个测量系统的测量精度和测量效率。

根据本发明的一种方案，本发明的测量系统通过设置多个反射镜(如第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜)减少了整个测量系统中激光传输的能量损耗和激光多面反射的杂光干扰，保证了整个测量系统的光学效率，对增强整个测量系统的测量效率和测量精度有益。本发明的测量系统中采用平衡光电探测器接收第四分光镜和第四反射镜传输的反射光和参考光能更好的抑制噪声，提高信噪比，进一步提高了本发明的测量系统的测量精度。

根据本发明的一种方案，聚焦成像单元实现了光束聚焦和对物体成像的双重功能，保证了本发明的测量系统进行光束聚焦和图像采集的共轴同步，方便对本发明的测量系统进行远程控制或自动控制，实现本发明的测量系统同时对感兴趣点进行目标识别与振动信息的提取与分析。本发明的测量系统进行光束聚焦和图像采集共轴同步，保证了图像采集位置即为光束聚焦位置，避免了图像采集位置与光束聚焦位置之间的位置偏移误差，保证了本发明的测量系统的测量过程的精确。通过控制单元和调焦单元能够实现对聚焦成像单元的自动调焦，避免了人工参与，从而增强了本发明的测量系统的调焦精度，进一步保证了本发明的检测系统的检测精度。

根据本发明的一种方案，激光发生器输出为可见激光，通过聚焦成像单元可以清晰的摄取物体表面聚焦的测量光的光斑，从而可以准确获取测量光在物体上的聚焦位置，避免了测量过程中无法感知测量光聚焦位置而导致的测量误差。

根据本发明的一种方案，参考光与反射光的偏振态相同，有效保证了反射光与参考光的干涉效率，从而进一步提高了控制单元的测量精度和测量效果。通过第四分光镜和第四反射镜对反射光和参考光进行合束，有效保证了光能的充分传输，进一步保证了控制单元中对光能的充分接收与利用，从而使控制单元充分获取合束后的光中的信息，有利于提高控制单元的测量效果和测量精度。

附图说明

图1示意性表示根据本发明的一种激光振动测量系统的结构框图；

图2示意性表示根据本发明的一种激光振动测量系统的测量方法的流程框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的激光振动测量系统包括：激光单元1、聚焦成像单元2、调焦单元3和控制单元4。在本实施方式中，激光单元1输出测量光和参考光。聚焦成像单元2与激光单元1相连接，聚焦成像单元2将激光单元1输出的测量光传送至物体A的表面，并通过聚焦成像单元2将测量光在物体A的表面聚焦。调焦单元3与聚焦成像单元2相连接，聚焦成像单元2将测量光投射到物体A的表面上时，通过调焦单元3对聚焦成像单元2进行调焦，从而完成测量光在物体A的表面上的聚焦。控制单元4分别与聚焦成像单元2和调焦单元3相连接。聚焦成像单元2还可对物体A的表面进行成像，并且将所成的像传输到控制单元4，控制单元4接收到聚焦成像单元2拍摄的图像，完成对物体A的识别。调焦单元3与控制单元4相连接，从而实现了调焦单元3对聚焦成像单元2的自动调焦。根据本发明的设置方式，通过聚焦成像单元2对物体A进行成像，并通过控制单元4进行识别可以方便高效的获取物体A的信息，不需要人工观测。聚焦成像单元2将观测光投射到物体A的表面上并且进行聚焦，保证了测量光的聚焦与对物体A成像的光路的统一，进一步保证了本发明的测量系统的精确，避免了人工观测与聚焦位置之间的误差。同时，通过控制单元4和调焦单元3能够实现对聚焦成像单元2的自动调焦，避免了人工参与，从而增强了本发明的测量系统的调焦精度，进一步保证了本发明的检测系统的检测精度。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，激光单元1包括激光发生器10、第二光路子单元11和第三光路子单元12。在本实施方式中，第二光路子单元11和第三光路子单元12中分别采用全保偏光路。激光发生器10与第二光路子单元11相连接，第二光路子单元11与聚焦成像单元2相连接。第三光路子单元12与第二光路子单元11相连接。在本实施方式中，激光发生器10通过第二光路子单元11生成测量光，激光发生器10通过第三光路子单元12生成参考光。在本实施方式中，激光发生器10为氦氖激光发生器。根据本发明的另一种实施方式，激光发生器10为偏振输出单频窄线宽半导体激光发生器，其体积小可靠性高。通过上述设置，激光发生器10输出为可见激光，通过聚焦成像单元2可以清晰的摄取物体A表面聚焦的测量光的光斑，从而可以准确获取测量光在物体A上的聚焦位置，避免了测量过程中无法感知测量光聚焦位置而导致的测量误差。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第二光路子单元11包括：第二反射镜111、第二分光镜112、移频器113和第三分光镜114。在本实施方式中，第二反射镜111、第二分光镜112、移频器113和第三分光镜114依次构成第二光路。激光发生器10输出的激光首先通过第二反射镜111进入到第二分光镜112，激光经过第二分光镜112被分成偏振态正交的两束激光，即测量光和参考光。在本实施方式中，测量光的光场满足：

E₁＝E₁₀cos(2πf₀t+Δφ₁)

Δφ₁＝kΔr₁+φ₀

其中，E₁₀表示测量光的振幅，Δr₁代表光程差，φ₀表示激光的初始相位。

参考光的光场满足：

E₂＝E₂₀cos(2πf₀t+Δφ₂)

Δφ₂＝kΔr₂+φ₀

其中，E₂₀表示参考光的振幅，Δr₂代表光程差，φ₀表示激光的初始相位。

在本实施方式中，测量光被传输到移频器113，测量光经过移频器113被传输到第三分光镜114，通过第三分光镜114将测量光传输到聚焦成像单元2中。在本实施方式中，测量光通过移频器113后，测量光的偏振态旋转90度且激光频率发生偏移，偏移量为f₁。则经过移频器113的测量光的光场满足：

E₁＝E₁₀cos[2π(f₀+f₁)t+Δφ₁]

Δφ₁＝kΔr₁+φ₀

其中，E₁₀表示测量光的振幅，Δr₁代表光程差，φ₀表示激光的初始相位，f₁代表偏移量。

在本实施方式中，第三分光镜114由偏振分光棱镜构成。测量光经过移频器113后其偏振态旋转90度，因此测量光可直接通过第三分光镜114，透过第三分光镜114的测量光被传输到聚焦成像单元2中。在本实施方式中，第二反射镜111为直角反射棱镜。第二分光镜112和第三分光镜114分别为偏振分光棱镜。移频器113为声光移频器。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第三光路子单元12包括：第三反射镜121、第二波片122、第四分光镜123和第四反射镜124。在本实施方式中，第三反射镜121、第二波片122、第四分光镜123和第四反射镜124依次设置构成第三光路。在本实施方式中，通过第三反射镜121与第二分光镜112，以及第四分光镜123与第三分光镜114使第二光路与第三光路相连通。在本实施方式中，参考光从第二分光镜112输送到第三反射镜121，经过第三反射镜121的参考光被输送到第二波片122。在本实施方式中，第二波片122为二分之一波片。通过第二波片122的作用，参考光偏振态旋转90度。经过第二波片122的参考光被输送到第四分光镜123，参考光被第四分光镜123分为两路，其中一路参考光直接被输送到控制单元4中，另一路参考光则被输送到第四反射镜124，通过第四反射镜124将另一路参考光输送到控制单元4中。在本实施方式中，第三反射镜121和第四反射镜124分别为直角反射棱镜；第四分光镜123为消偏振分光棱镜。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，聚焦成像单元2包括：聚焦子单元21和图像传感器22。在本实施方式中，聚焦子单元21与激光单元1的第二光路子单元11相连接。聚焦子单元21第二光路子单元11输出的测量光，将测量光投射到物体A的表面。同时，聚焦子单元21接收物体A反射的反射光，并将反射光传输到第二光路子单元11，从而完成控制单元4对物体A的振动的测量。图像传感器22与控制单元4相连接，并通过聚焦子单元21摄取物体A的图像。在本实施方式中，图像传感器22可采用CMOS图像传感器。通过上述设置，聚焦成像单元2实现了光束聚焦和对物体A成像的双重功能，保证了本发明的测量系统进行光束聚焦和图像采集的共轴同步，方便对本发明的测量系统进行远程控制或自动控制，实现本发明的测量系统同时对感兴趣点进行目标识别与振动信息的提取与分析。本发明的测量系统进行光束聚焦和图像采集共轴同步，保证了图像采集位置即为光束聚焦位置，避免了图像采集位置与光束聚焦位置之间的位置偏移误差，保证了本发明的测量系统的测量过程的精确。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，聚焦子单元21包括：后透镜211、第一反射镜212、第一分光镜213、前透镜组214、第一波片215。在本实施方式中，后透镜211、第一反射镜212、第一分光镜213、前透镜组214、第一波片215依次设置构成第一光路。在本实施方式中，通过第三分光镜114与后透镜211将第二光路与第一光路相连通。第三分光镜114传输的测量光被输送到后透镜211，通过后透镜211对测量光进行聚焦，并将聚焦后的测量光输送到第一反射镜212，经过第一反射镜212的反射，测量光聚焦到第一个焦点B，测量光进过第一个焦点B后开始发散并输送到第一分光镜213，测量光被第一分光镜213反射传输到前透镜组214，通过前透镜组214的测量光被传输到第一波片215，通过第一波片215的测量光被投射到物体A的表面。在本实施方式中，第一波片215为四分之一波片。在本实施方式中，后透镜211为单透镜，其结构简单，体积小，并且使第一光路的可靠性提高。进一步的，后透镜211为非球面单透镜。采用非球面单透镜使激光发生器10输出的测量光在第一焦点B处将光斑压缩到最小。从而有利于测量光在物体A表面的聚焦光斑被压缩到最小，有利于提高整个激光振动测量系统的测量精度。在本实施方式中，前透镜组214可在在第一分光镜213和第一波片215之间往复移动，从而实现对传输的测量光进行聚焦。在本实施方式中，前透镜组214由多片透镜构成，例如，两片、三片或者更多片。在本实施方式中，第一反射镜212为直角反射棱镜。

根据本发明的一种实施方式，第一分光镜213为单波长高反射镜。在本实施方式中，第一分光镜213采用的单波长高反射镜中的单波长是指与激光发生器10发出的激光的波长相对应的波长。通过第一分光镜213可以对激光发生器10产生的测量光进行反射，使测量光能够投射到物体A的表面，而其他波长的光可通过第一分光镜213透射到图像传感器22上，不仅保证了图像传感器22对物体A表面摄取图像，而且还能获取测量光聚焦到物体A表面上的光斑的图像。通过第一分光镜213有选择地对透射的光线进行过滤，避免了图像传感器22的过度曝光，保证了图像传感器22能够清晰成像。

在本实施方式中，测量光在物体A上聚焦后形成聚焦光斑C，聚焦光斑C与第一焦点B相对前透镜组214共轭，其物像位置关系为：

其中，l₁为第一焦点B到前透镜组214之间的光程，l₂为物体A上聚焦光斑C所在的点到前透镜组214之间的光程，f为前透镜组214的焦距。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，聚焦子单元21接收并传输物体A表面反射的反射光。在本实施方式中，反射光依次通过第一波片215、前透镜组214、第一分光镜213、第一反射镜212和后透镜211被传输到第三分光镜114。反射光到达第一分光镜213时被分为两路，其中一路反射光沿上述第一光路被传输到第三分光镜114，而另一路反射光被传输到图像传感器22。图像传感器22通过第一分光镜213、前透镜组214和第一波片215获取的物体A反射的反射光，实现对物体A的成像。图像传感器22将获取的图像传输到控制单元4中，从而实现控制单元4对物体A的识别。在本实施方式中，物体A发生振动将引起光波的多普勒频移。因此，反射光中带有物体A的振动信号。通过将反射光传输到控制单元4中，即可实现对物体A的振动进行测量。在本实施方式中，反射光的光场满足：

E₃＝E₁₀cos[2π(f₀+f₁±Δf)t+Δφ₁]

其中，Δf代表被测物体振动引起的光波多普勒频移，v代表物体A振动速度，λ代表激光波长。

在本实施方式中，图像传感器22对物体A成像，聚焦光斑C所在的物体A的表面作为垂直于光轴的物平面，图像传感器22通过第一分光镜213、前透镜组214和第一波片215对物体A成像，则物平面与图像传感器22的表面之间共轭，其物像位置关系为：

其中，l₃为图像传感器22的表面到前透镜组214之间的光程。在本实施方式中，由于共用一个前透镜组214，即第一焦点B、聚焦光斑C及物平面、图像传感器表面三者之间存在物像共轭关系。理论上，l₁＝l₃，因此，在沿着光轴方向上调节前透镜组214的位置即可实现测量光的聚焦与物体A的共轴成像的同步进行。当l₁＝l₃＝f时，激光扩束准直输出(激光发生器10输出的为准直光，此状态下，本发明的激光振动测量系统的输出也为准直输出，但由于后透镜211与前透镜组214的扩束作用使输出光束的直径扩大)，图像传感器22输出无穷远点的图像；当l₁＝l₃>f时，激光焦点位置逐渐由远及近，从而实现不同工作距离上对物体A的激光聚焦与成像。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，反射光被传输到第三分光镜114。在本实施方式中，激光两次经过第一波片215后，其偏振态相对出射时旋转90度。即测量光经过第一波片215，并且测量光在物体A表面聚焦后被反射形成反射光，则反射光经过第一波片215到达前透镜组214。在本实施方式中，第一波片215为四分之一波片。反射光相对的偏振态相对测量光经过第一波片215出射前旋转90度。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，通过第三分光镜114与第四分光镜123将第二光路与第三光路相连通。在本实施方式中，反射光被第三分光镜114传输到第四分光镜123。由于参考光经过第二波片122时，其偏振态旋转90度。因此，反射光与参考光发生合束。通过上述设置，参考光与反射光的偏振态相同，有效保证了反射光与参考光的干涉效率，从而进一步提高了控制单元4的测量精度和测量效果。在本实施方式中，反射光通过第四分光镜123同样被分为两束，其中一束反射光与第四分光镜123中分为两束参考光的其中一束参考光合束，另一束反射光被传输到第四反射镜124并与另一束参考光合束。通过上述设置，通过第四分光镜123和第四反射镜124对反射光和参考光进行合束，有效保证了控制单元4中对光能的充分接收与利用。两束合束光分别在光电探测器411的两个探测器表面发生干涉，从而使控制单元4充分获取合束后的光中的干涉信息，有利于提高控制单元4的测量效果和测量精度。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，调焦单元3包括：调焦控制器31、驱动装置32、第一限位开关33和第二限位开关34。在本实施方式中，调焦控制器31与控制单元4相连接。驱动装置32分别与调焦控制器31和聚焦成像单元2中的前透镜组214相连接。在本实施方式中，驱动装置32通过调焦机构321与前透镜组214相连接。驱动装置32通过驱动调焦机构321使前透镜组214在第一分光镜213和第一波片215之间往复移动。第一限位开关33和第二限位开关34分别与调焦控制器31相连接。第一限位开关33和第二限位开关34间隔设置，并且驱动装置32驱动调焦机构321在第一限位开关33和第二限位开关34之间往复移动。在本实施方式中，驱动装置32通过调焦机构321对驱动前透镜组214进行调焦的过程中，通过第一限位开关33和第二限位开关34对调焦机构321的位移进行限制。当调焦机构321运动到第一限位开关33的位置时，第一限位开关33被触发，则驱动装置32驱动调焦机构321向第二限位开关34的方向运动。当调焦机构321运动到第二限位开关34的位置时，第二限位开关34被触发，则驱动装置32驱动调焦机构321向第一限位开关33的方向运动。在本实施方式中，第一限位开关33和第二限位开关34分别为光电传感器。在本实施方式中，驱动装置32可采用直线步进电机。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，调焦控制器31包括：位移控制器311和第一A/D转换器312。在本实施方式中，位移控制器311与驱动装置32相连接，通过位移控制器311控制驱动装置32的位移。第一A/D转换器312分别与控制单元4和位移控制器311相连接。在本实施方式中，位移控制器311为嵌入式微控制器。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，控制单元4包括：光电转换子单元41、信号传输子单元42和处理子单元43。在本实施方式中，光电转换子单元41分别与激光单元1和调焦单元3相连接。信号传输子单元42与光电转换子单元41相连接。处理子单元43分别与信号传输子单元42、聚焦成像单元2和调焦单元3相连接。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，光电转换子单元41包括：光电探测器411和信号处理器412。在本实施方式中，经过第四分光镜123和第四反射镜124合束的反射光和参考光传输到光电探测器411，光电探测器411将接收到的光转换为电信号。信号处理器412对光电探测器411生成的电信号进行处理，并将处理后的电信号传输至信号传输子单元42和调焦单元3。

在本实施方式中，光电探测器411为平衡光电探测器。采用平衡光电探测器能更好的抑制噪声，提高信噪比。同时，第二光路子单元11和第三光路子单元12中分别采用全保偏光路，从而保证了光电探测器411的信噪比进一步提高，对提高本发明的激光振动测量系统的测量精度有益。合束后的反射光和参考光在光电探测器411的表面发生干涉，其光场表示为：

Δφ＝Δφ₁-Δφ₂＝k(Δr₁-Δr₂)

其中，I表示能引起光电探测器411响应的光功率，I₁表示反射光功率，I₂表示参考光功率，Δφ表示两束光到达光电探测器表面时两光束之间的光程差。在上述公式中，I₁和I₂为直流功率项，最后一项为光功率的差频项，对应于光电探测器411的频率响应。当2π(f₁±Δf)的值小于光电探测器411的截止频率，光电探测器411就有相应的光电流(交流)输出。输出的光电流即为携带有物体A的振动信息的干涉信号。光电探测器411输出的干涉信号经过信号处理器412进行滤波、放大等处理后生成电信号且被分为两路，一路传给信号传输子单元42，用于物体振动信号解调；另一路传给调焦控制器31，用于自动聚焦控制。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，信号传输子单元42包括：第二A/D转换器421和数字解码器422。在本实施方式中，第二A/D转换器421与信号处理器412相连接。数字解码器422分别与处理子单元43和第二A/D转换器421相连接。在本实施方式中，干涉信号被信号处理器412处理后生成电信号且被分为两路，其中，一路电信号被传输至第二A/D转换器421，并通过第二A/D转换器421将电信号传输到数字解码器422中。通过数字解码器422将接收到的电信号解调出物体A的振动信息。其中，振动信息包括频率信息、速度信息、位移信息和加速度信息。数字解码器422将解调出的振动信息传输到处理子单元43中进行分析。另一路电信号被传输至第一A/D转换器312，并通过第一A/D转换器312将电信号传输至位移控制器311。位移控制器311根据电信号获取干涉信号强度，根据干涉信号强度位移控制器311控制驱动装置32进行调焦。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，处理子单元43包括：振动分析装置431和触发器432。在本实施方式中，振动分析装置431分别与聚焦成像单元2和数字解码器422相连接。触发器432与调焦单元3相连接。在本实施方式中，振动分析装置431接收数字解码器422解调出的振动信息，对物体A进行振动分析。振动分析装置431与聚焦成像单元2中的图像传感器22相连接，并接收图像传感器22传输的图像，振动分析装置431根据接收到的图像对物体A进行识别。触发器432与位移控制器311连接，触发器432向位移控制器311发出触发信号，位移控制器311根据接收到的触发信号启动，同时，位移控制器311根据干涉信号中的信号强度对聚焦成像单元2进行调焦。

为进一步阐述本发明，结合附图对本发明的工作流程进行详细说明。

S1.激光单元1输出测量光和参考光。如图1所示，根据本发明的一种实施方式，通过激光发生器10输出激光光束，并通过第二光路子单元11中的第二分光镜112生成测量光和参考光，测量光被传输至聚焦子单元21，并被投射到物体A的表面上。第三光路子单元12接收通过第二分光镜112生成的参考光，并将参考光传输至光电探测器411。

S2.控制单元4接收反射光和参考光，并转换为干涉信号。如图1所示，根据本发明的一种实施方式，测量光被聚焦子单元21投射到物体A的表面，物体A的表面产生反射光。反射光沿聚焦子单元21中的第一光路被传输至第三分光镜114。第三分光镜114将反射光传输到第四分光镜123。在第四分光镜123中，参考光和反射光均被分为两路。其中一路参考光和一路反射光在第四分光镜123合束后被投射到光电探测器411上，另一路参考光和另一路反射光被传输到第四反射镜124，并且参考光和反射光合束后被投射到光电探测器411上。

在本实施方式中，合束后的参考光和反射光在光电探测器411上发生干涉，光电探测器411从而产生干涉信号。生成的干涉信号被信号处理器412滤波、放大等处理后分为两路电信号输出。

S3.控制单元4根据电信号生成触发信号并下发至调焦单元3，调焦单元3根据触发信号和电信号对聚焦成像单元2进行调焦。如图1所示，根据本发明的一种实施方式，信号处理器412生成的两路电信号中的一路被传输到信号传输子单元42。在传输子单元42中通过数字解码器422对电信号解调出振动信息。振动信息被传输到处理子单元43中。处理子单元43中的振动分析装置431接收振动信息，根据振动信息对物体A进行振动测量和分析。同时，触发器432生成触发信号，并将触发信号输送到调焦控制器31中的位移控制器311。

结合图1和图2所示，在本实施方式中，位移控制器311接收到触发信号，位移控制器311将内部寄存器中存储的记录信息清零。其中，记录信息包括干涉信号强度和驱动装置32的调焦位移信息。同时，位移控制器311控制驱动装置32驱动调焦机构321使前透镜组214沿光轴向靠近第一波片215的方向移动。第二限位开关34被触发，第二限位开关34向位移控制器311反馈信号，位移控制器311控制驱动装置32驱动调焦机构321使前透镜组214沿光轴向远离第一波片215的方向移动。在本实施方式中，驱动装置32驱动调焦机构321使前透镜组214沿光轴向远离第一波片215的方向移动的过程中，第一A/D转换器312接收信号处理器412输出的电信号，并将电信号传输到位移控制器311中。位移控制器311接收电信号并获取干涉信号强度，并将获取的干涉信号强度与前一时刻获取的干涉信号强度进行比较。若当前干涉信号强度大于前一时刻干涉信号强度，位移控制器311将当前的干涉信号强度和驱动装置32的调焦位移信息进行存储。若当前干涉信号强度小于前一时刻干涉信号强度，位移控制器311将保留前一时刻的干涉信号强度和驱动装置32的调焦位移信息。

S4.聚焦成像单元2完成调焦，控制单元4对物体A进行识别和振动检测。结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，位移控制器311控制驱动装置32驱动调焦机构321使前透镜组214沿光轴向远离第一波片215的方向移动。直到第一限位开关33被触发，第一限位开关33向位移控制器311反馈信号，位移控制器311控制驱动装置32驱动调焦机构321使前透镜组214沿光轴向靠近第一波片215的方向移动。通过上述过程，驱动装置32驱动调焦机构321使前透镜组214沿光轴向远离第一波片215的方向移动的过程中，位移控制器311中的记录信息记录有最大干涉信号强度和干涉信号强度最大时驱动装置32的位移信息。位移控制器311根据所记录的位移信息，使调焦机构321带动前透镜组214沿光轴移动到干涉信号强度最大的位置，则驱动装置32停止运动。由于测量光被投射到物体A的表面上并且聚焦时，干涉信号强度达到最大值，因此，通过上述流程充分保证了聚焦成像单元2能够充分聚焦。在本实施方式中，当聚焦完成后，振动分析装置431根据接收到的图像传感器22传输的图像对物体A进行识别，并且根据数字解码器422解调触点振动信息对物体A的振动进行测量。

通过上述设置，本发明的测量系统能够自动化完成对物体A进行识别和振动测量，减少了人工的操作过程。同时由于采用激光进行振动测量，整个过程中不需要人工调焦、识别等过程，从而避免了对操作人员的伤害，提高了整个测量系统的安全性。本发明的测量系统实现了激光振动测量时激光聚焦与图像采集的共轴同步，提高了整个测量系统的测量精度和测量效率。

通过上述设置，本发明的测量系统通过设置多个反射镜(如第一反射镜212、第二反射镜111、第三反射镜121、第四反射镜124)减少了整个测量系统中激光传输的能量损耗，保证了整个测量系统对光能的高利用率，不仅节约了资源，而且对增强整个测量系统的测量效率和测量精度有益。本发明的测量系统中采用平衡光电探测器接收第四分光镜123和第四反射镜124传输的反射光和参考光能更好的抑制噪声，提高信噪比，进一步提高了本发明的测量系统的测量精度。

上述内容仅为本发明的具体方案的例举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种激光振动测量系统，其特征在于，包括：

激光单元(1)；

聚焦成像单元(2)，所述聚焦成像单元(2)与所述激光单元(1)相连接；

调焦单元(3)，所述调焦单元(3)与所述聚焦成像单元(2)相连接；

控制单元(4)，所述控制单元(4)分别与所述聚焦成像单元(2)和所述调焦单元(3)相连接；

所述聚焦成像单元(2)包括：

聚焦子单元(21)，所述聚焦子单元(21)与所述激光单元(1)相连接；

图像传感器(22)，所述图像传感器(22)与所述控制单元(4)相连接，并通过所述聚焦子单元(21)摄取图像；

所述聚焦子单元(21)包括：后透镜(211)、第一反射镜(212)、第一分光镜(213)、前透镜组(214)、第一波片(215)；

所述后透镜(211)、所述第一反射镜(212)、所述第一分光镜(213)、所述前透镜组(214)、所述第一波片(215)依次设置构成第一光路；

所述图像传感器(22)通过所述第一分光镜(213)、所述前透镜组(214)、所述第一波片(215)摄取图像。

2.根据权利要求1所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述调焦单元(3)包括：

调焦控制器(31)，所述调焦控制器(31)与所述控制单元(4)相连接；

驱动装置(32)，所述驱动装置(32)分别与所述调焦控制器(31)和所述聚焦成像单元(2)相连接。

3.根据权利要求2所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述调焦单元(3)还包括：第一限位开关(33)和第二限位开关(34)；

所述第一限位开关(33)和所述第二限位开关(34)分别与所述调焦控制器(31)相连接；

所述第一限位开关(33)和所述第二限位开关(34)间隔设置，并且所述驱动装置(32)驱动调焦机构(321)在所述第一限位开关(33)和所述第二限位开关(34)之间往复移动。

4.根据权利要求3所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述调焦控制器(31)包括：

位移控制器(311)，用于控制所述驱动装置(32)驱动所述调焦机构(321)的位移；

第一A/D转换器(312)，所述第一A/D转换器(312)分别与所述控制单元(4)和所述位移控制器(311)相连接。

5.根据权利要求3所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第一限位开关(33)和所述第二限位开关(34)分别为光电传感器。

6.根据权利要求3所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述前透镜组(214)与所述调焦机构(321)相连接；

所述驱动装置(32)驱动所述调焦机构(321)使所述前透镜组(214)在所述第一分光镜(213)和第一波片(215)之间往复移动。

7.根据权利要求6所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第一波片(215)为四分之一波片。

8.根据权利要求7所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述后透镜(211)为单透镜。

9.根据权利要求8所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述后透镜(211)为非球面单透镜。

10.根据权利要求9所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第一反射镜(212)为直角反射棱镜；

所述第一分光镜(213)为单波长高反射镜。

11.根据权利要求1所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述激光单元(1)包括：

激光发生器(10)，

第二光路子单元(11)，所述第二光路子单元(11)分别与所述激光发生器(10)和所述聚焦成像单元(2)相连接；

第三光路子单元(12)，所述第三光路子单元(12)与所述第二光路子单元(11)相连接。

12.根据权利要求11所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第二光路子单元(11)和所述第三光路子单元(12)中分别采用全保偏光路。

13.根据权利要求12所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第二光路子单元(11)包括：第二反射镜(111)、第二分光镜(112)、移频器(113)和第三分光镜(114)；

所述第二反射镜(111)、所述第二分光镜(112)、所述移频器(113)和所述第三分光镜(114)依次构成第二光路。

14.根据权利要求13所述的激光振动测量系统，其特征在于，通过所述第三分光镜(114)与所述后透镜(211)将所述第二光路与所述第一光路相连通。

15.根据权利要求14所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第三光路子单元(12)包括：第三反射镜(121)、第二波片(122)、第四分光镜(123)和第四反射镜(124)；

所述第三反射镜(121)、所述第二波片(122)、所述第四分光镜(123)和所述第四反射镜(124)依次设置构成第三光路。

16.根据权利要求15所述的激光振动测量系统，其特征在于，通过所述第三反射镜(121)与所述第二分光镜(112)，以及所述第四分光镜(123)与所述第三分光镜(114)使所述第二光路与所述第三光路相连通。

17.根据权利要求16所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第二反射镜(111)、所述第三反射镜(121)和所述第四反射镜(124)分别为直角反射棱镜；

所述第二分光镜(112)和所述第三分光镜(114)分别为偏振分光棱镜；

所述第四分光镜(123)为消偏振分光棱镜；

所述移频器(113)为声光移频器。

18.根据权利要求15至17任一所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述第二波片(122)为二分之一波片。

19.根据权利要求18所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述激光发生器(10)为氦氖激光发生器或者偏振输出单频窄线宽半导体激光发生器。

20.根据权利要求15所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述控制单元(4)包括：

光电转换子单元(41)，所述光电转换子单元(41)分别与所述激光单元(1)和所述调焦单元(3)相连接；

信号传输子单元(42)，所述信号传输子单元(42)与所述光电转换子单元(41)相连接；

处理子单元(43)，所述处理子单元(43)分别与所述信号传输子单元(42)、所述聚焦成像单元(2)和所述调焦单元(3)相连接。

21.根据权利要求20所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述光电转换子单元(41)包括：

光电探测器(411)，用于接收所述第四分光镜(123)和所述第四反射镜(124)传输的光，并转换为电信号；

信号处理器(412)，用于对所述电信号进行处理，并将处理后的所述电信号传输至所述信号传输子单元(42)和所述调焦单元(3)。

22.根据权利要求21所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述信号传输子单元(42)包括：

第二A/D转换器(421)，所述第二A/D转换器(421)与所述信号处理器(412)相连接；

数字解码器(422)，所述数字解码器(422)分别与所述处理子单元(43)和所述第二A/D转换器(421)相连接。

23.根据权利要求22所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述处理子单元(43)包括：

振动分析装置(431)，所述振动分析装置(431)分别与所述聚焦成像单元(2)和所述数字解码器(422)相连接；

触发器(432)，所述触发器(432)与所述调焦单元(3)相连接。

24.根据权利要求21至22任一所述的激光振动测量系统，其特征在于，所述光电探测器(411)为平衡光电探测器。

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