CN108225543A - 一种自混合干涉的正交检波振动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自混合干涉的正交检波振动测量装置及方法，可调恒流源控制单模半导体激光二极管输出入射激光，入射激光一部分被反射到第二光电二极管上，将光信号转化为电流信号被第二光电检测模块检测后反馈给采集模块；入射激光的另一部分照射到被测物表面并按原路反射回到第一光电二极管上，将光信号转化为电流信号被第一光电检测模块检测后反馈给采集模块。与传统的自混合测量装置相比，本申请的自混合干涉的正交检波振动测量装置能获得正交的自混合信号，并完成振动信号的反正切解调，简化了系统的信号的解调难度，具有更高的位移分辨率，提高了系统的振动信号的解调精度，并能实现实时、在线测量。

Description

一种自混合干涉的正交检波振动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别涉及一种自混合干涉的正交检波振动测量装置及方法。

背景技术

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器谐振腔内，对激光器的输出功率调制，引起激光器输出功率发生变化的现象，也称激光回馈现象。通过分析激光器输出功率的变化，可以得到外部物体的信息。激光器既是光源，也是检测器。相比较于传统的双光束干涉系统，基于激光自混合现象的干涉系统只有一个光学通道，具有结构简单、紧凑、易准直等优点，目前广泛应用于位移、距离、速度、角度和振动等参数测量。

现有的自混合振动测量装置，通常只采用激光二极管内部的一个内置的光电二极管进行探测，获得信号后通过复杂的解调算法得到振动信息，通常分辨率只能达到半波长，如果想进一步提高分辨率通常采用反馈控制、AOM调制、EOM调制等方法，导致系统的成本大大提高，因此很迫切需要一种行之有效的更为简洁的测量方式，达到简化系统和提高振动分辨率的目的。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自混合干涉的正交检波振动测量装置及方法，解决现有自混合测量装置及方法分辨率不高，提高分辨率导致系统成本大大提高等技术问题。

一种自混合干涉的正交检波振动测量装置，包括单模半导体激光二极管、可调恒流源、第一聚焦镜、分光镜、第一光电二极管、第一光电检测模块、第二聚焦镜、第二光电二极管、第二光电检测模块、采集模块；

所述可调恒流源控制所述单模半导体激光二极管输出入射激光，沿着所述入射激光的照射方向依次放置所述第一聚焦镜、所述分光镜，所述分光镜的轴线与所述入射激光成一定角度，所述入射激光经过所述分光镜后被反射和投射形成反射光和透射光，所述反射光反射到所述第二聚焦镜上，在所述第二聚焦镜的焦平面上放置所述第二光电二极管；所述入射激光经过所述分光镜透射后照射到被测物表面并按原路反回，经所述分光镜及所述第一聚焦镜后进入所述第一光电二极管，所述第一聚焦镜与所述第二聚焦镜的光轴成一定角度；

所述第一光电检测模块与所述第一光电二极管电连接，用于检测所述第一光电二极管产生的电流信号；所述第二光电检测模块与所述第二光电二极管电连接，用于检测所述第二光电二极管产生的电流信号；所述采集模块与所述第一光电检测模块、所述第二光电检测模块电连接，用于采集所述第一光电检测模块、所述第二光电检测模块检测到的电流信号；所述第一光电二极管、所述第二光电二极管的负极接地，所述单模半导体激光二极管的正极接地。

优选地，所述分光镜的轴线与所述入射激光成22.5°，所述第一聚焦镜与所述第二聚焦镜的光轴成45°；

所述第一光电二极管产生的电流信号和所述第二光电二极管产生的电流信号互为正交电流。

优选地，还包括第一增益调节模块、第二增益调节模块，所述第一增益调节模块用于放大所述第一光电检测模块检测到的电流信号并输出给所述采集模块，所述第二增益调节模块用于放大所述第二光电检测模块检测到的电流信号并输出给所述采集模块。

优选地，还包括解调模块，所述解调模块用于解调所述采集模块采集到的电流信号。

优选地，所述解调模块解调所述采集模块采集到的电流信号，被测物表面振动的位移解调为：

其中，displacement代表振动的位移，λ是所述单模半导体激光二极管的波长，I₁为所述第一光电检测模块检测的电流值，I₂为所述第二光电检测模块检测的电流值。

一种自混合干涉的正交检波振动测量装置测量被测物表面振动的方法，所述可调恒流源控制所述单模半导体激光二极管输出入射激光，所述入射激光透过所述第一聚焦镜，经过所述分光镜后一部分被反射，透过所述第二聚焦镜后聚焦到所述第二光电二极管上，所述第二光电二极管将光信号转化为电流信号被第二光电检测模块检测后反馈给采集模块；所述入射激光经过所述分光镜后的另一部分照射到被测物表面并按原路反射回来，透过所述第一聚焦镜后聚焦到所述第一光电二极管上，所述第一光电二极管将光信号转化为电流信号被第一光电检测模块检测后反馈给采集模块。

优选地，所述入射激光透过所述第一聚焦镜后以22.5°入射至所述分光镜，所述第一聚焦镜与所述第二聚焦镜的光轴成45°；

所述第一光电二极管产生的电流信号和所述第二光电二极管产生的电流信号互为正交电流。

优选地，还包括所述第一增益调节模块、第二增益调节模块分别对所述第一光电检测模块检测到的电流信号和所述第二光电检测模块检测到的电流信号进行放大并输出给所述采集模块。

优选地，还包括所述解调模块解调所述采集模块采集到的电流信号，被测物表面振动的位移解调为：

其中，displacement代表振动的位移，λ是所述单模半导体激光二极管的波长，I₁为所述第一光电检测模块检测的电流值，I₂为所述第二光电检测模块检测的电流值。

本发明的自混合干涉的正交检波振动测量装置，与传统的自混合测量装置相比，能获得正交的自混合信号，并完成振动信号的反正切解调，简化了系统的信号的解调难度，具有更高的位移分辨率，提高了系统的振动信号的解调精度，并能实现实时、在线测量。

附图说明

图1为本发明一实施例的自混合干涉的正交检波振动测量装置的声音信号拾取原理示意图。

附图标记说明：1-单模半导体激光二极管；2-可调恒流源；31-第一聚焦镜；4-分光镜；51-第一光电二极管；61-第一光电检测模块；32-第二聚焦镜；52-第二光电二极管；62-第二光电检测模块；7-采集模块；8-被测物。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，本发明一实施例的自混合干涉的正交检波振动测量装置，包括单模半导体激光二极管1、可调恒流源2、第一聚焦镜31、分光镜4、第一光电二极管51、第一光电检测模块61、第二聚焦镜32、第二光电二极管52、第二光电检测模块62、采集模块7；

可调恒流源2控制单模半导体激光二极管1输出入射激光，沿着入射激光的照射方向依次放置第一聚焦镜31、分光镜4，分光镜与入射激光成22.5°放置，入射激光经过分光镜4后一部分被反射，沿着被反射的激光的照射方向放置第二聚焦镜32，在第二聚焦镜32的焦平面上放置第二光电二极管52；入射激光经过分光镜4后的另一部分照射到被测物8的表面并按原路反射回来，第一光电二极管51放置于从被测物反射回来的光路中第一聚焦镜31的焦平面上，第一聚焦镜31与第二聚焦镜32的轴线成45°。

第一光电检测模块61与第一光电二极管51电连接，用于检测第一光电二极管51产生的电流信号；第二光电检测模块62与第二光电二极管52电连接，用于检测第二光电二极管52产生的电流信号；采集模块7与第一光电检测模块61、第二光电检测模块62电连接，用于采集第一光电检测模块61、第二光电检测模块62检测到的电流信号；第一光电二极管51、第二光电二极管52的负极接地，单模半导体激光二极管1的正极接地。

本发明的自混合干涉的正交检波振动测量装置，第一光电二极管51产生的电流信号和第二光电二极管52产生的电流信号互为正交电流。第一光电检测模块61和第二光电检测模块62能对背景直流电平进行补偿和去除后输出交流的光电流信号。

在一些实施例中，分光镜4的轴线与入射激光也可成其他角度，第一聚焦镜31与第二聚焦镜32的轴线也可成其他角度，第一光电检测模块61和第二光电检测模块62分别检测第一光电二极管51和第二光电二极管52产生的电流信号。

在一些实施例中，自混合干涉的正交检波振动测量装置还包括第一增益调节模块、第二增益调节模块，第一增益调节模块用于放大第一光电检测模块61检测到的电流信号并输出给采集模块7，第二增益调节模块用于放大第二光电检测模块62检测到的电流信号并输出给采集模块7。

在本实施例中，自混合干涉的正交检波振动测量装置还包括解调模块，解调模块用于解调采集模块7采集到的电流信号，优选地，解调模块可以设置在电脑上，电脑可以直接显示解调后的结果。

在本实施例中，解调模块解调所述采集模块7采集到的电流信号，被测物表面振动的位移解调为：

其中，displacement代表振动的位移，λ是所述单模半导体激光二极管的波长，I1为所述第一光电检测模块检测的电流值，I2为所述第二光电检测模块检测的电流值。

本发明使用自混合干涉的正交检波振动测量装置测量被测物8表面振动的方法：可调恒流源2控制单模半导体激光二极管1输出入射激光，入射激光透过第一聚焦镜31，经过分光镜4后一部分被反射，透过第二聚焦镜32后聚焦到第二光电二极管52上，第二光电二极管52将光信号转化为电流信号被第二光电检测模块检测62后反馈给采集模块7；入射激光经过分光镜4后的另一部分照射到被测物8的表面并按原路反射回来，透过第一聚焦镜31后聚焦到第一光电二极管51上，第一光电二极管51将光信号转化为电流信号被第一光电检测模块62检测后反馈给采集模块7。

第一光电二极管51产生的电流信号和第二光电二极管52产生的电流信号互为正交电流。第一光电检测模块61和第二光电检测模块62对背景直流电平进行补偿和去除后输出交流的光电流信号。

优选地，使用自混合干涉的正交检波振动测量装置测量被测物8表面振动的方法还包括第一增益调节模块、第二增益调节模块分别对第一光电二极管51产生的电流信号和第二光电二极管52产生的电流信号进行放大并输出给采集模块7。

优选地，使用自混合干涉的正交检波振动测量装置测量被测物8表面振动的方法还包括所述解调模块解调采集模块7采集到的电流信号，被测物表面振动的位移解调为：

其中，displacement代表振动的位移，λ是单模半导体激光二极管的波长，I₁为第一光电检测模块检测的电流值，I₂为第二光电检测模块检测的电流值。

本发明的自混合干涉的正交检波振动测量装置，与传统的自混合测量装置相比，能获得正交的自混合信号，并完成振动信号的反正切解调，简化了系统的信号的解调难度，具有更高的位移分辨率，提高了系统的振动信号的解调精度，并能实现实时、在线测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自混合干涉的正交检波振动测量装置，其特征在于，包括单模半导体激光二极管、可调恒流源、第一聚焦镜、分光镜、第一光电二极管、第一光电检测模块、第二聚焦镜、第二光电二极管、第二光电检测模块、采集模块；

所述可调恒流源控制所述单模半导体激光二极管输出入射激光，沿着所述入射激光的照射方向依次放置所述第一聚焦镜、所述分光镜，所述分光镜的轴线与所述入射激光成一定角度，所述入射激光经过所述分光镜后被反射和投射形成反射光和透射光，所述反射光反射到所述第二聚焦镜上，在所述第二聚焦镜的焦平面上放置所述第二光电二极管；所述入射激光经过所述分光镜透射后照射到被测物表面并按原路反回，经所述分光镜及所述第一聚焦镜后进入所述第一光电二极管，所述第一聚焦镜与所述第二聚焦镜的光轴成一定角度；

所述第一光电检测模块与所述第一光电二极管电连接，用于检测所述第一光电二极管产生的电流信号；所述第二光电检测模块与所述第二光电二极管电连接，用于检测所述第二光电二极管产生的电流信号；所述采集模块与所述第一光电检测模块、所述第二光电检测模块电连接，用于采集所述第一光电检测模块、所述第二光电检测模块检测到的电流信号；所述第一光电二极管、所述第二光电二极管的负极接地，所述单模半导体激光二极管的正极接地。

2.根据权利要求1所述的自混合干涉的正交检波振动测量装置，其特征在于，所述分光镜的轴线与所述入射激光成22.5°，所述第一聚焦镜与所述第二聚焦镜的光轴成45°；

所述第一光电二极管产生的电流信号和所述第二光电二极管产生的电流信号互为正交电流。

3.根据权利要求1或2所述的自混合干涉的正交检波振动测量装置，其特征在于，还包括第一增益调节模块、第二增益调节模块，所述第一增益调节模块用于放大所述第一光电检测模块检测到的电流信号并输出给所述采集模块，所述第二增益调节模块用于放大所述第二光电检测模块检测到的电流信号并输出给所述采集模块。

4.根据权利要求2所述的自混合干涉的正交检波振动测量装置，其特征在于，还包括解调模块，所述解调模块用于解调所述采集模块采集到的电流信号。

5.根据权利要求4所述的自混合干涉的正交检波振动测量装置，其特征在于，所述解调模块解调所述采集模块采集到的电流信号，被测物表面振动的位移解调为：

其中，displacement代表振动的位移，λ是所述单模半导体激光二极管的波长，I₁为所述第一光电检测模块检测的电流值，I₂为所述第二光电检测模块检测的电流值。

6.一种使用权利要求1所述的自混合干涉的正交检波振动测量装置测量被测物表面振动的方法，其特征在于，所述可调恒流源控制所述单模半导体激光二极管输出入射激光，所述入射激光透过所述第一聚焦镜，经过所述分光镜后一部分被反射，透过所述第二聚焦镜后聚焦到所述第二光电二极管上，所述第二光电二极管将光信号转化为电流信号被第二光电检测模块检测后反馈给采集模块；所述入射激光经过所述分光镜后的另一部分照射到被测物表面并按原路反射回来，透过所述第一聚焦镜后聚焦到所述第一光电二极管上，所述第一光电二极管将光信号转化为电流信号被第一光电检测模块检测后反馈给采集模块。

7.根据权利要求6所述的测量被测物表面振动的方法，其特征在于，所述入射激光透过所述第一聚焦镜后以22.5°入射至所述分光镜，所述第一聚焦镜与所述第二聚焦镜的光轴成45°；

所述第一光电二极管产生的电流信号和所述第二光电二极管产生的电流信号互为正交电流。

8.根据权利要求6所述的测量被测物表面振动的方法，其特征在于，还包括所述第一增益调节模块、第二增益调节模块分别对所述第一光电检测模块检测到的电流信号和所述第二光电检测模块检测到的电流信号进行放大并输出给所述采集模块。

9.根据权利要求7所述的测量被测物表面振动的方法，其特征在于，还包括所述解调模块解调所述采集模块采集到的电流信号，被测物表面振动的位移解调为：

其中，displacement代表振动的位移，λ是所述单模半导体激光二极管的波长，I₁为所述第一光电检测模块检测的电流值，I₂为所述第二光电检测模块检测的电流值。