CN108775954B - 一种分辨率可调的双波长ld自混合振动测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，包括发射激光的双波长LD，沿发射光路方向依次设置的光路调节装置、光线密度滤波器、待测目标，与双波长LD电连接驱动电源，与双波长LD依次通讯连接的信号处理装置及数据采集分析装置。本发明还提供应用分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，双波长LD输出的一束双波长的激光经光路调节装置、光线密度滤波器至待测目标；经待测目标反射后分别返回各自的谐振管腔内与谐振管腔内光发生自混合干涉；计算机对通讯传输来的自混合信号利用偶次等效波长傅里叶变换算法进行分析处理，实现分辨率可调的目标振动测量。

Description

一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪及其测量方法

技术领域

本发明提供一种精密光学干涉测量的技术领域，更具体地，一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪及其测量方法。

背景技术

振动测量是测量学的重要分支，在科研、工业生产和医学等许多领域需要对目标的振动进行测量。在精密机械、微机电系统等先进制造业领域，一般需要振动测量仪所占空间要小，灵敏度高，非接触式测量等特点；迫切需要分辨率可调的振动传感器以适应不同的工况需求。

传统的振动测量方法主要有电位器式、电感式、电涡流式、电容式、磁致伸缩式等，但这些传统测量方法的技术性能已难以满足现代科学技术和生产实践发展的需要。随着先进激光技术、半导体技术和计算机技术的发展，以激光为基础的光学振动测量技术以其高精度、非接触式无损测量等显著的优点已在光学检测中具有非常广泛的应用，如迈克尔逊干涉、光栅干涉、光照强度、光电动势、光学增量编码等多种光学振动传感技术被用于测量目标振动。然而，上述几种传感技术的系统光路结构复杂、调试困难、系统昂贵，这些缺点限制了它们在相关领域的应用推广。对于现有的精密光学测振仪，如德国的PloyTec5000型多普勒测振仪，该仪器包括Mach-Zehnder干涉仪、激光传感模组等，具有高度集成的硬件电路和复杂的软件处理模块，价格高于40万人民币，非常昂贵，且应用条件苛刻，操作繁琐，对非合作目标(粗糙表面的目标)不友好。

基于激光自混合干涉的振动测量技术，以其在激光器外部无需任何光学元件、结构简单的优点已在诸多领域得以应用，如模态分析、探伤、故障诊断、人体动脉脉搏波的检测、电机径向跳动跟踪等，并逐步取代一些传统的光学测量方法，成为一代新颖的振动测量技术。但是传统的激光自混合干涉振动测量仪，测量精度只有几百纳米，不能满足先进制造业对精度的苛求。通过光学倍程法提高条纹分辨率，能在一定程度上提高测量精度。但现有方法，需已知目标相关参数，这极大限制了该技术在实际测量中的应用，造成长期以来一直使用半波长的条纹分辨率；双波长双LD可以提高测量分辨率和抗干扰能力，但是双管的分立结构存在同点照射调节困难的问题。对半导激光自混合干涉仪进行注入电流调制是一种典型的提高精度方法，但电流注入同时会改变输出光波长，引入强度噪声；外腔长度调制是另一种提高方法，但需要压电陶瓷驱动器驱动半导体激光器线性运动，不仅增大了仪器体积和成本，而且存在迟滞等非线性问题，将造成不可避免的测量误差；相对于上述两种方法，电光相位调制法无机械运动部分，也不会对激光系统本身造成影响，测量精度高，范围大，在工业应用上非常有意义，但需外加昂贵的电光调制器，性价比不高，且对输出激光的偏振性有较高要求。而且上述这些提高精度的方法，其测量分辨均是单一不可调，无法满足制造业不同工况下的测量需求。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，采用集成封装有二个半导体激光管的双波长LD发射双波长激光实现待测目标的振动测量，无需复杂的信号调制解调和额外的电光频移，抗干扰能力强、结构简单紧凑、成本低，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。本发明还提供应用一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，通过设定合适的循环次数改变计算机分析处理的等效次数，进而实现待测目标的振幅测量分辨率可调，以适应不同振动范围、精度需求的测量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，包括用于发射激光的双波长LD，沿发射光路方向依次设置的光路调节装置、光线密度滤波器、待测目标，与双波长LD电连接用于启动双波长LD发射激光的驱动电源，还包括与双波长LD依次通讯连接的信号处理装置及数据采集分析装置；所述的双波长LD为单管双LD结构，集成封装有2个半导体激光二极管；2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光，经待测目标反射后，包含双波长的反射光分别返回各自的半导体激光二极管的谐振腔内，与各自谐振腔内的光发生自混合干涉。

优选地，所述的双波长LD输出的激光分别为红光与近红外光。

优选地，所述双波长LD亦集成封装有2个光电二极管，所述光电二极管用于将半导体激光二极管的自混合光信号转换为电信号；所述信号处理装置包括依次通讯连接的电流-电压转换电路、运算放大器后；所述数据采集分析装置包括依次通讯连接的数据采集卡、计算机；所述双波长LD自混合振动测量仪还包括与计算机通讯连接示波窗口。

优选地，所述的光路调节装置包括可调透镜，可调透镜安装有准直光学元件，所述准直光学元件镀有宽带增透膜，波长范围为600–1050nm；所述的可调透镜用于将一束包含双波长的激光整形成一束包含双波长的平行光。

优选地，所述光线密度滤波器为圆形、连续可变的反射型中性密度滤光片，所述反射型中性密度滤光片镀有600–1050nm的增透膜。

优选地，双波长LD输出的包含双波长的激光经过光路调节装置、光线密度滤波器后照射到待测目标的同一点。

应用所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：打开驱动电源启动双波长LD，双波长LD的2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光；旋转光线密度滤波器控制激光自混合处于微弱光反馈水平，开始测试；

步骤2：步骤1中包含双波长的激光经光路调节装置、光线密度滤波器照射到微振动的待测目标，经待测目标反射后，包含双波长的反射光经光线密度滤波器、光路调节装置返回至各自半导体激光二极管的谐振腔内，并与各自谐振腔内的光发生自混合干涉；

步骤3：双波长LD内部封装的光电二极管将步骤2中半导体激光二极管的谐振管腔内的自混合干涉光信号转变为电信号，电信号经电流-电压转换电路、运算放大器处理后、由数据采集卡同步采集并传送至计算机；

步骤4：计算机对步骤3中数据采集卡同步采集的信号利用偶次等效波长傅里叶变换算法对进行分析处理；

步骤5：计算机将步骤4中分析处理的结果信号传送与示波窗口；示波窗口接收并同步显示步骤4中分析处理的测量结果。

优选地，步骤2中包含双波长的反射光及步骤3中的电信号均携带有待测目标的振动信息；步骤5中示波窗口显示的测量结果包括待测目标的目标振动频率f₀、目标振动幅值A₀、自混合干涉条纹信号。

优选地，步骤4中计算机利用偶次等效波长傅里叶变换算法对数据采集卡同步采集的信号进行分析处理具体包括以下步骤：

步骤41：在计算机中进行参数设定，包括循环次数m、采样率、采样时间及初始化循环变量i＝1；双波长双波长LD的两个自混合信号表示为

和

初始时的自混合信号表示为

和

其中二个自混合效应相位表示为

和

待测目标振动随时间变化为

式中λ₁和λ₂代表双波长LD输出的激光波长；执行步骤42；

步骤42：当i<m时，执行步骤43；当i≥m，即i＝m时，执行步骤44；

步骤43：令i＝i+1，将两个自混合信号

和

分别平方并放大2倍，再减去1，得到P_1i(t)＝2P_1(i-1)(t)²-1＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₁/2ⁱ)]和P_2i(t)＝2P_2(i-1)(t)²-1＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₂/2ⁱ)]，返回执行步骤42；

步骤44：计算P_1m(t)＝P_1i(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₁/2ⁱ)]和P_2m(t)＝P_2i(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₂/2ⁱ)]，将这两个自混合信号相乘可得P_1m(t)·P_2m(t)＝[P_Em(t)+P_Sm(t)]/2＝P_1i(t)·P_2i(t)＝[P_Ei(t)+P_Si(t)]/2；

式中P_Em(t)＝P_Ei(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/λ_Em]为2^(m-1)次等效波长对应的自混合信号、P_Sm(t)＝P_Si(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/λ_Sm]为2^(m-1)次合成波长对应的自混合信号；λ_Em＝λ₁λ₂/[(λ₁+λ₂)·2^(m-1)]为2^(m-1)次等效波长、λ_Sm＝λ₁λ₂/(|λ₁-λ₂|·2^(m-1))为2^(m-1)次合成波长；

2^(m-1)次等效波长对应的自混合信号P_Ei(t)包含了待测目标的振动信息，条纹分辨率为λ_E1/2^m；然后执行步骤45；

步骤45：去掉P_1i(t)·P_2i(t)的包络得到P_Ei(t)，再对P_Ei(t)进行频谱分析，可以直接从频谱中得到待测目标的目标振动频率f₀，然后利用主频阶次算法，得到待测目标的目标振动幅值A₀；计算机完成对数据采集卡同步采集信号的分析处理。

优选地，根据振动测量要求设定循环次数m值，得到不同的等效次数2^(m-1)，进而得到具有λ_E1/2^m条纹分辨率的等效波长自混合信号，从而实现待测目标的振动幅度分辨率可调的振动测量。

本发明提供一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，与现有技术相比：

(1)本发明采用双波长LD为系统光源，该双波长LD为单管双LD结构，内部集成封装了二个半导体激光管和二个光电二极管，成本低、工作寿命长、其工作激光为红色和近红外，易准直；无需任何光路调节器，两个波长的激光直接照射到物体的同一个点上；而且采用恒流驱动，使输出光波长、光功率更稳定，信号噪声小；

(2)与现有国外的光学测振仪结构相比，本发明测振仪的光路简单、光路调节简单、体积小、成本低于其80％，而且对被测目标表面的粗糙度要求也低、可测量非合作目标(表面粗糙的目标)的振动；

(3)本发明双波长LD自混合振动测量仪的装置设计的光路为简单的直线结构，双波长LD外部仅包含双波长光路调节系统和光线密度滤波器二个简单的光学元件，无需其他复杂的辅助光学元件；

本发明提供一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，与现有技术相比：

(1)本发明非接触式地探测微纳米级振动，根据设定的循环次数m值，实现待测目标的振幅测量分辨率可调，具备高灵敏度、纳米级精度、噪声低的特点；

(2)本发明的数据处理由计算机完成，能实时显示测量结果，而且数据处理过程简单且快速，仅包含对数据的平方、放大、加减、包络提取、频谱分析等简单的处理；

(3)本发明的振动测量量程和最高测量分辨率主要取决于所采用的数据采集卡的采样率，因此具有测量范围大、测量分辨率高等特点；为获得更高的测量分辨率，只须更换数据采集卡即可，无须对探测器、光路等进行调整，因此本设计具有升级空间，而且升级便捷；

(4)本发明形成了新的大量程、高精度、测量分辨率可调、结构简单、抗干扰性强的低成本微振动测量仪器的自主研制能力，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明双波长LD自混合振动测量仪装置的示意图。

图2是本发明信号采集与数据处理的流程图。

图3是本发明实例1的数据处理与结果显示图。

图4是本发明实例2的数据处理与结果显示图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，包括用于发射激光的双波长LD(双波长半导体激光器)2，沿发射光路方向依次设置的光路调节装置3、光线密度滤波器4、待测目标5，与双波长LD2电连接用于启动双波长LD发射激光的驱动电源1，还包括与双波长LD2依次通讯连接的信号处理装置及数据采集分析装置；双波长LD内部集成封装有2个半导体激光二极管；双波长LD发射一束包含双波长的激光，经待测目标5反射后，包含双波长的反射光分别返回各自的半导体激光二极管的谐振腔内，与各自谐振腔内的光发生自混合干涉。驱动电源1电路输出两路恒流源，驱动双波长LD2的输出一束包含红光与近红外双波长的激光；激光经光路调节装置3、光线密度滤波器4照射到待测目标5上，经待测目标5反射后，各自返回至激光器的2个半导体激光二极管的谐振管腔内并与腔内光发生自混合干涉；自混合干涉信号经通讯传输至信号处理装置及数据采集分析装置，经数据采集分析装置计算待测目标5的幅值测量结果。本发明双波长LD内部集成封装了二个半导体激光管和二个光电二极管，成本低、工作寿命长；而且采用恒流驱动，使输出光波长、光功率更稳定，信号噪声小；光路简单、光路调节简单、体积小、成本低。

更进一步地，双波长LD输出的激光分别为红光与近红外光。工作波长分别为655nm和785nm，其工作激光为红色光和近红外光，能够准确得对准待测目标，输出光功率均为7mW，2个半导体激光二极管的工作波长不限于此工作范围。

更进一步地，双波长LD2包括2个光电二极管，光电二极管用于将半导体激光二极管的自混合干涉的光信号转换为电信号；信号处理装置包括依次通讯连接的电流-电压转换电路6、运算放大器后7；数据采集分析装置包括依次通讯连接的数据采集卡8、计算机9；双波长激光振动测量仪还包括与计算机9通讯连接示波窗口。2个光电二极管输出的自混合信号经电流–电压转换电路6后，经运算放大器7放大后由数据采集卡8进行同步采集，完成模数转换；由计算机9对对数据采集卡8同步采集的信号进行分析处理，并传输与示波窗口将数据分析处理的测试结果显示出来，由计算机9完成数据分析与处理，数据处理过程简单且快速，示波窗口实时显示测量结果。

更进一步地，光路调节装置3包括可调透镜，可调透镜安装有准直光学元件，准直光学元件镀有宽带增透膜，波长范围为600–1050nm；可调透镜用于将一束包含双波长的激光整形成一束包含双波长的平行光。光路调节装置3包括用于安装双波长LD2的激光二极管插座、带准直光学元件的可调透镜安装座；双波长LD2与光路调节装置3的激光二极管插座连接，双波长LD2发射一束包含双波长的激光经带准直光学元件的可调透镜后整形为一束包含双波长的平行光。

更进一步地，光线密度滤波器4为圆形、连续可变的反射型中性密度滤光片，反射型中性密度滤光片镀有600–1050nm的增透膜。旋转光线密度滤波器4控制激光自混合处于微弱光反馈水平，即从示波窗口观察到的自混合信号条纹没有倾斜现象时方可测试，微弱光反馈水平下的振动测试保证计算机9分析处理算法的准确性。

更进一步地，双波长LD2输出的包含双波长的激光经过光路调节装置3、光线密度滤波器4后照射到待测目标5的同一点。对待测目标5的被测面的粗糙度要求低、可测量非合作目标(表面粗糙的目标)的振动。

应用上述分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：，打开驱动电源1启动双波长LD2，双波长LD2的2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光；旋转光线密度滤波器4控制激光自混合处于微弱光反馈水平，即从示波窗口观察到的自混合信号条纹没有倾斜现象开始测试；

步骤2：步骤1中包含双波长的激光经光路调节装置整形为一束平行的光、再光线密度滤波器4照射到微振动的待测目标5的一点，包含双波长的激光经待测目标5反射后，包含双波长的反射光携带有相同的待测目标5的振动信息经光线密度滤波器4、光路调节装置3返回至各自半导体激光二极管的谐振管腔内，并与各自谐振管腔内的光发生自混合干涉；

步骤3：双波长LD内部封装的光电二极管将步骤2中半导体激光二极管的谐振管腔内的自混合干涉光强信号转变为流电信号，电流信号经电流-电压转换电路6、运算放大器7放大处理后、由数据采集卡8同步采集并将包含待测目标5振动信息的信号传送至计算机9；

步骤4：计算机9对步骤3中数据采集卡8同步采集的信号利用偶次等效波长傅里叶变换算法对进行分析处理；

步骤5：计算机将步骤4中分析处理的结果信号传送与示波窗口；示波窗口接收并实时同步显示步骤4中分析处理的测量结果。

更进一步地，步骤2中包含双波长的反射光及步骤3中的电信号均包含了待测目标5的振动信息；步骤5中示波窗口显示的测试结果包括待测目标的目标振动频率f₀、目标振动幅值A₀、自混合干涉条纹信号。通过计算机9快速的分析处理与示波窗口的实时显示，使得振动测量高效快速便捷；

更进一步地，步骤4中计算机利用偶次等效波长傅里叶变换算法对数据采集卡同步采集的信号进行分析处理具体包括以下步骤：

步骤41：在计算机9中进行参数设定，包括循环次数m、采样率、采样时间及初始化循环变量i＝1；双波长LD的两个自混合信号表示为

和

初始的自混合信号表示为

和

其中自混合效应相位表示为

和

待测目标振动随时间变化为

式中λ₁和λ₂代表双波长LD输出的激光波长；执行步骤42；

步骤42：当i<m时，执行步骤43；当i≥m，即i＝m时，执行步骤44；

步骤43：令i＝i+1，将两个自混合信号

和

分别平方并放大2倍，再减去1，得到P_1i(t)＝2P_1(i-1)(t)²-1＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₁/2ⁱ)]和P_2i(t)＝2P_2(i-1)(t)²-1＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₂/2ⁱ)]，返回执行步骤42；

步骤44：计算P_1m(t)＝P_1i(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₁/2ⁱ)]和P_2m(t)＝P_2i(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₂/2ⁱ)]，将这两个自混合信号相乘可得P_1m(t)·P_2m(t)＝[P_Em(t)+P_Sm(t)]/2＝P_1i(t)·P_2i(t)＝[P_Ei(t)+P_Si(t)]/2；

式中P_Em(t)＝P_Ei(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/λ_Em]为2^(m-1)次等效波长对应的自混合信号、P_Sm(t)＝P_Si(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/λ_Sm]为2^(m-1)次合成波长对应的自混合信号；λ_Em＝λ₁λ₂/[(λ₁+λ₂)·2^(m-1)]为2^(m-1)次等效波长、λ_Sm＝λ₁λ₂/(|λ₁-λ₂|·2^(m-1))为2^(m-1)次合成波长；

2^(m-1)次等效波长对应的自混合信号P_Ei(t)包含了待测目标的振动信息，条纹分辨率为λ_E1/2^m；然后执行步骤45；

步骤45：去掉P_1i(t)·P_2i(t)的包络得到P_Ei(t)，再对P_Ei(t)进行频谱分析，可以直接从频谱中得到待测目标的目标振动频率f₀，再利用主频阶次算法，得到待测目标的目标振动幅值A₀；完成对数据采集卡同步采集信号的分析处理。

本发明提供的一种双波长激光振动测量仪的振动测量量程和最高测量分辨率主要取决于所采用的数据采集卡8的采样率，因此具有测量范围大、测量分辨率高等特点；为获得更高的测量分辨率，只须更换数据采集卡8即可，无须对探测器、光路等进行调整。本发明选用NI公司的USB-6361型数据采集卡，用于同步双通道采集自混合信号。

更近一步地，根据振动测量要求设定循环次数m值，得到不同的等效次数2^(m-1)，进而得到具有λ_E1/2^m条纹分辨率的等效波长自混合信号，从而实现待测目标的振动幅度分辨率可调的待测目标振动测量。

上述的主频阶次算法过程为：令φ_Em＝4πL₀/λ_Em、a_Em＝4πA₀/λ_Em，可得

则2^(m-1)次等效波长对应的自混合信号P_Em(t)的频谱幅值为：

其中：δ(f)是脉冲函数，f是频率，J_2n(a_Em)和J_2n+1(a_Em)是偶次和奇数阶的一类Bessel函数。

P_Em(t)的频谱由频率为f₀的基波及其各次谐波组成。当n_dEm阶一类Bessel函数为极大值时，对应的P_Em(t)频谱的幅值也为最大值，且n_dEm＝0.95a_Em–1.2；对应的频率表示为f_dEm，即为P_Em(t)频谱的主频。令n_dEm＝f_dEm/f₀为主频的阶次，可得主频阶次与目标振幅之间的函数关系为

对P_Em(t)进行频谱分析，可以直接从频谱中得到目标的振动频率f₀，再根据上式计算得到振动目标的振幅。当n_dEm变化1，对应振幅变化λ_Em/11.94，则振幅测量分辨率为λ_Em/11.94。

更进一步地，根据振动测量要求设定循环次数m值，得到不同的等效次数2^(i-1)，实现待测目标的振动幅度分辨率可调的振动测量。当m＝0,1,2,3,4,…时，对应的振幅测量分辨率分别为29.91nm,14.95nm,7.48nm,3.74nm,1.87nm,…；根据振动测量要求不同，选择合适的m值，得到不同的等效次数2^(m-1)，得到振幅测量分辨率可调的待测目标振动测量。本发明非接触式地探测微纳米级振动，根据设定的循环次数m值，实现待测目标的振动幅度分辨率可调的振动测量，具备高灵敏度、纳米级精度、噪声低的特点。

为验证本发明提供的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测试结果精确性，同时说明分辨率可调的信号分析处理流程，给待测目标输入已知振动幅度和频率，结合实例1与实例2进行验证与说明：

验证实例中提供给待测目标的振源使用压电陶瓷驱动器(型号：PI的P-620)，还可以使用其它的振源。

结合实例1和图3进行说明：

(1)实例1：将待测目标5固定在振源上的垂直表面,振动幅度为393nm(0.6λ₁)，振动频率为5Hz；

(2)计算机数据分析处理，设定采样率为20Ks/s，采样时间为0.5s和m＝3；根据公式计算出λ_E3的值为89.27nm，振幅测量分辨率为7.48nm；设定循环变量i＝1；

(3)数据采集卡8采集到两路自混合信号经过滤波处理去掉高频噪声，再对其分别进行归一化处理使信号的幅值为1，得到P₁₁(t)和P₂₁(t)；

(4)i<m，则通过依次进行平方运算、乘法运算、减法运算，对P₁₁(t)和P₂₁(t)分别平方并放大2倍，再减去1，得到P₁₂(t)和P₂₂(t)；循环变量i＝i+1＝2；

(5)i<m，则通过依次进行平方运算、乘法运算、减法运算，对P₁₂(t)和P₂₂(t)分别平方并放大2倍，再减去1，得到P₁₃(t)和P₂₃(t)；循环变量i＝i+1＝3；

(6)i≥m，即i＝m＝3，则通过乘法运算，将得到P₁₃(t)和P₂₃(t)相乘可得P₁₃(t)·P₂₃(t)，并对其进行归一化处理，使其幅值为1；

(7)通过极大值提取法进行包络提取，去掉P₁₃(t)·P₂₃(t)的包络得到P_E3(t)；

(8)通用快速傅里叶变换，获得P_E3(t)的幅度谱；

(9)从频谱中，提取出基波频率，得到待测目标的振动频率f₀；

(10)从频谱中得到幅值最大对应的频率f_dE3，通过除法运算得到主频阶次n_dE3；

(11)根据公式计算得待测目标的振幅A₀；

(12)将结果显示，如图3所示。

结合实例2和图4对信号处理流程进行说明：

(1)实例2：待测目标5固定在振源上的垂直表面，振动幅度为＝131nm(0.2λ₁)，振动频率为5Hz；

(2)数据处理系统中，设定采样率为20Ks/s，采样时间为0.5s，m＝6，根据公式计算出λ_E6的值11.16nm，振幅测量分辨率为0.93nm；设定循环变量i＝1；

(3)数据采集卡8采集到两路自混合信号经过滤波处理去掉高频噪声，再对其分别进行归一化处理使信号的幅值为1，得到P₁₁(t)和P₂₁(t)；

(4)i<m，则通过依次进行平方运算、乘法运算、减法运算，对P₁₁(t)和P₂₁(t)分别平方并放大2倍，再减去1，得到P₁₂(t)和P₂₂(t)；循环变量i＝i+1＝2；

(5)i<m，则通过依次进行平方运算、乘法运算、减法运算，对P₁₂(t)和P₂₂(t)分别平方并放大2倍，再减去1，得到P₁₃(t)和P₂₃(t)；循环变量i＝i+1＝3；

(6)i<m，则通过依次进行平方运算、乘法运算、减法运算，对P₁₃(t)和P₂₃(t)分别平方并放大2倍，再减去1，得到P₁₄(t)和P₂₄(t)；循环变量i＝i+1＝4；

(7)i<m，则通过依次进行平方运算、乘法运算、减法运算，对P₁₄(t)和P₂₄(t)分别平方并放大2倍，再减去1，得到P₁₅(t)和P₂₅(t)；循环变量i＝i+1＝5；

(8)i<m，则通过依次进行平方运算、乘法运算、减法运算，对P₁₅(t)和P₂₅(t)分别平方并放大2倍，再减去1，得到P₁₆(t)和P₂₆(t)；循环变量i＝i+1＝6；

(9)，i≥m，即i＝m＝6，则通过乘法运算，将得到P₁₃(t)和P₂₃(t)相乘可得P₁₃(t)·P₂₃(t)，并对其进行归一化处理，使其幅值为1；

(10)通过极大值提取法进行包络提取，去掉P₁₃(t)·P₂₃(t)的包络得到P_E3(t)；

(11)通用快速傅里叶变换，获得P_E3(t)的幅度谱；

(12)从频谱中，提取出基波频率，得到待测目标的振动频率f₀；

(13)从频谱中得到幅值最大对应的频率f_dE3，通过除法运算得到主频阶次n_dE3；

(14)根据公式计算得待测目标的振幅A₀；

(15)将结果显示，如图4所示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：打开驱动电源(1)启动双波长LD(2)，双波长LD(2)的2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光；旋转光线密度滤波器(4)控制激光自混合处于微弱光反馈水平，开始测试；

步骤2：步骤1中包含双波长的激光经光路调节装置(3)、光线密度滤波器(4)照射到微振动的待测目标(5)，经待测目标(5)反射后，包含双波长的反射光经光线密度滤波器(4)、光路调节装置(3)返回至各自半导体激光二极管的谐振腔内，并与各自谐振腔内的光发生自混合干涉；

步骤3：双波长LD内部封装的光电二极管将步骤2中半导体激光二极管的谐振管腔内的自混合干涉光信号转变为电信号，电信号经电流-电压转换电路(6)、运算放大器(7)处理后、由数据采集卡(8)同步采集并传送至计算机(9)；

步骤4：计算机(9)对步骤3中数据采集卡(8)同步采集的信号利用偶次等效波长傅里叶变换算法进行分析处理；

步骤41：在计算机(9)中进行参数设定，包括循环次数m、采样率、采样时间及初始化循环变量i＝1；双波长LD的两个自混合信号表示为

和

初始时的自混合信号表示为

和

其中二个自混合效应相位表示为

和

待测目标振动随时间变化为

式中λ1和λ2代表双波长LD输出的激光波长；执行步骤42；

步骤42：当i<m时，执行步骤43；当i≥m，即i＝m时，执行步骤44；

步骤43：令i＝i+1，将两个自混合信号

和

分别平方并放大2倍，再减去1，得到P_1i(t)＝2P_1(i-1)(t)²-1＝cos[4π(L₀+D(t))/λ₁/2ⁱ)]和P_2i(t)＝2P_2(i-1)(t)²-1＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₂/2ⁱ)]，返回执行步骤42；

步骤44：计算P_1m(t)＝P_1i(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₁/2ⁱ)]和P_2m(t)＝P_2i(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/(λ₂/2ⁱ)]，将这两个自混合信号相乘可得P_1m(t)·P_2m(t)＝[P_Em(t)+P_Sm(t)]/2＝P_1i(t)·P_2i(t)＝[P_Ei(t)+P_Si(t)]/2；式中P_Em(t)＝P_Ei(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/λ_Em]为2^(m-1)次等效波长对应的自混合信号、P_Sm(t)＝P_Si(t)＝cos[4π(L₀+D(t))/λ_Sm]为2^(m-1)次合成波长对应的自混合信号；λ_Em＝λ₁λ₂/[(λ₁+λ₂)·2^(m-1)]为2^(m-1)次等效波长、λ_Sm＝λ₁λ₂/(|λ₁-λ₂|·2^{(m -1)})为2^(m-1)次合成波长；2^(m-1)次等效波长对应的自混合信号P_Ei(t)包含了待测目标的振动信息，条纹分辨率为λ_E1/2^m；然后执行步骤45；

步骤45：去掉P_1i(t)·P_2i(t)的包络得到P_Ei(t)，再对P_Ei(t)进行频谱分析，可以直接从频谱中得到待测目标的目标振动频率f₀；然后利用主频阶次算法，得到待测目标的目标振动幅值A₀；计算机(9)完成对数据采集卡(8)同步采集信号的分析处理

步骤5：计算机(9)将步骤4中分析处理的结果信号传送与示波窗口；示波窗口接收并同步显示步骤4中分析处理的测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，其特征在于：步骤2中包含双波长的反射光及步骤3中的电信号均携带有待测目标(5)的振动信息；步骤5中示波窗口显示的测量结果包括待测目标(5)的目标振动频率f₀、目标振动幅值A₀、自混合干涉条纹信号。

3.根据权利要求2所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，其特征在于：根据振动测量精度要求设定循环次数m值，得到不同的等效次数2^(m-1)，进而得到具有λ_E1/2^m条纹分辨率的等效波长自混合信号，实现待测目标的振动幅度分辨率可调的振动测量。

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