CN108801438B - 一种基于光学干涉的振动位移测量装置 - Google Patents

一种基于光学干涉的振动位移测量装置 Download PDF

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Abstract

一种基于光学干涉的振动位移测量装置，包括梁的静电激励振动装置和信号探测装置，梁的静电激励振动装置由交流信号源、静电驱动极板、底板、悬臂梁、侧板、开关和导线组成；信号探测装置由相位敏感衍射装置和光电探测器组成；相位敏感衍射装置由支撑圆环块、衍射光栅、衍射光栅、衬底和薄膜组成；光电探测器位于相位敏感衍射装置的下方。悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波，声波激励薄膜振动，利用衍射光与反射光发生干涉效应，检测梁的振动。

Description

一种基于光学干涉的振动位移测量装置
技术领域
本发明专利是一种振动信号测量装置，特别是一种用于振动信号提取装置，属于振动信号检测领域。
背景技术
振动信号的提取广泛应用于机械振动研究、汽车系统、传感器等领域中。在振动信号的提取中，如何消除外部因素对信号的影响是决定信号精度的主要因素。对于一些振动信号的提取方法，在提取信号时受到一些外部因素如噪声或其它振动的影响等，使得振动信号的提取和检测存在较大的误差。如何降低外部因素的影响，成为制约振动信号提取精度提高的难题之一。光学探测是一种非接触测量方法，通过光电转换的测量方法可以获得很高的灵敏度。在振动信号检测方面，振动可以产生声波，光学干涉的振动位移测量装置可以检测到声波信号的变化，实现振动信号的测量。本发明可以广泛应用于机械振动、力学分析等领域的振动信号检测和提取工作。
发明内容
本发明针对振动信号难以提取的现状，提供一种振动信号提取的装置。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：一种基于光学干涉的振动位移测量装置包括梁的静电激励振动装置、信号探测装置两部分。所述梁的静电激励振动装置，其特征在于：所述梁的静电激励振动装置由交流信号源、静电驱动极板、底板、悬臂梁、侧板、开关和导线组成。所述静电驱动极板固定在底板上，位于悬臂梁正上方，长度略短于悬臂梁；所述悬臂梁固定在侧板上，左端固定右端自由，悬臂梁上表面镀一层金金属层，金金属层的左端通过导线连接交流信号源的左端，交流信号源的右端通过导线连接开关的左端，开关的右端通过导线连接静电驱动极板的右端。
所述信号探测装置由相位敏感衍射装置和光电探测器组成；相位敏感衍射装置由支撑圆环块、衍射光栅、衬底和薄膜组成。衬底在相位敏感衍射装置的下部，由透光材料石英制成，允许光透射；所述衍射光栅位于衬底上部的支撑圆环块之间；所述支撑圆环块固结在衬底上部；所述圆形薄膜置于支撑圆环块之上，与支撑圆环块固结，薄膜的直径与衬底直径相同。所述光电探测器位于相位敏感衍射装置的下方，用于探测各衍射级的光强。
悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波，声波则会激励位于悬臂梁下方的相位敏感衍射装置，相位敏感衍射装置的薄膜在声波的影响下产生振动效应，与衍射光栅之间的距离不断变化。当相干光源发出的光通过透光衬底照射到薄膜下面的衍射光栅上时，反射区除镜面反射之外还会产生分裂的奇数级衍射光，同时还有一部分入射光穿过衍射光栅被薄膜的背面所反射，这一过程导致衍射光与反射光发生干涉，从而使各级衍射光的强度发生改变。
输出光强与薄膜振动之间的关系可以表示为其中，k为振动衰减系数，R是光电探测器的响应灵敏度，Iin是入射光的强度，λ0是入射光的波长，A为薄膜振动幅值，ω为悬臂梁振动频率，t为时间。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.静电驱动方法是一种无接触驱动方法，测量干扰因素少，测量灵敏度高。
附图说明
图1基于薄膜位移传感和光学作用的振动测量装置图；
图2相位敏感衍射装置结构图；
图中，1、悬臂梁 2、相位敏感衍射装置 3、光电探测器 4、声波 5、侧板 6、金金属层 7、静电驱动极板 8、交流信号源 9、开关 10、底板 11、支撑圆环块 12、衍射光栅 13、衍射光 14、入射光15、衍射级 16、衬底 17、薄膜
具体实施方式
以下结合附图做作进一步详述：
本实施例的主体结构包括梁的静电激励振动装置、信号探测装置两部分。所述梁的静电激励振动装置，其特征在于：所述梁的静电激励振动装置由交流信号源8、静电驱动极板7、底板10、悬臂梁1、侧板5、开关9和导线组成。所述静电驱动极板7固定在底板10上，位于悬臂梁1正上方，长度略短于悬臂梁1；所述悬臂梁1固定在侧板5上，左端固定右端自由，悬臂梁1上表面镀一层金金属层6，金金属层6的左端通过导线连接交流信号源8的左端，交流信号源8的右端通过导线连接开关9的左端，开关9的右端通过导线连接静电驱动极板7的右端。
所述信号探测装置由相位敏感衍射装置2和光电探测器3组成；相位敏感衍射装置2由支撑圆环块11、衍射光栅12、衬底16、和薄膜17组成。衬底16在相位敏感衍射装置2的下部，由透光材料石英制成，允许光透射；所述衍射光栅12位于衬底16上部的支撑圆环块11之间；所述支撑圆环块11固结在衬底16上部；所述薄膜17置于支撑圆环块11之上，与支撑圆环块11固结，薄膜17的直径与衬底16直径相同。所述光电探测器3位于相位敏感衍射装置2的下方，用于探测各衍射级的光强。
悬臂梁1在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波，声波则会激励位于悬臂梁1下方的相位敏感衍射装置2，相位敏感衍射装置2的薄膜17在声波的影响下产生振动效应，与衍射光栅12之间的距离不断变化。当相干光源发出的光通过透光的衬底16照射到薄膜17下面的衍射光栅12上时，反射区除镜面反射之外还会产生分裂的奇数级衍射光，同时还有一部分入射光穿过衍射光栅12被薄膜17的背面所反射，这一过程导致衍射光与反射光发生干涉，从而使各级衍射光的强度发生改变。
输出光强与薄膜17振动之间的关系可以表示为其中，k为振动衰减系数，R是光电探测器3的响应灵敏度，Iin是入射光14的强度，λ0是入射光14的波长，A为薄膜17振动幅值，ω为悬臂梁1振动频率，t为时间。
算例1.振动衰减系数k为0.8，光电探测器3的响应灵敏度R为2×10-5，入射光14的强度Iin为1V，入射光14的波长λ0是为635nm，薄膜17振动幅值A为1×10-3m，悬臂梁1振动频率ω为1×106Hz，计算可得输出光强为0.3166V。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于光学干涉的振动位移测量装置，包括梁的静电激励振动装置、信号探测装置；梁的静电激励振动装置由交流信号源(8)、静电驱动极板(7)、底板(10)、悬臂梁(1)、侧板(5)、开关(9)和导线组成；所述静电驱动极板(7)固定在底板(10)上，位于悬臂梁(1)正上方，长度略短于悬臂梁(1)；所述悬臂梁(1)固定在侧板(5)上，左端固定右端自由，悬臂梁(1)上表面镀一层金金属层(6)，金金属层(6)的左端通过导线连接交流信号源(8)的左端，交流信号源(8)的右端通过导线连接开关(9)的左端，开关(9)的右端通过导线连接静电驱动极板(7)的右端；
所述信号探测装置由相位敏感衍射装置(2)和光电探测器(3)组成；相位敏感衍射装置(2)由支撑圆环块(11)、衍射光栅(12)、衬底(16)和薄膜(17)组成；衬底(16)在相位敏感衍射装置(2)的下部，由透光材料石英制成，允许光透射；所述衍射光栅(12)位于衬底(16)上部的支撑圆环块(11)之间；所述支撑圆环块(11)固结在衬底(16)上部，支撑圆环块(11)为绝缘材料；所述薄膜(17)置于支撑圆环块(11)之上，与支撑圆环块(11)固结，薄膜(17)的直径与衬底(16)直径相同；所述光电探测器(3)位于相位敏感衍射装置(2)的下方，用于探测各衍射级(15)的光强；
悬臂梁(1)在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波，声波则会激励位于悬臂梁(1)下方的相位敏感衍射装置(2)，相位敏感衍射装置(2)的薄膜(17)在声波的影响下产生振动效应，与衍射光栅(12)之间的距离不断变化；当相干光源发出的光通过透光的衬底(16)照射到薄膜(17)下面的衍射光栅(12)上时，反射区除镜面反射之外还会产生分裂的奇数级衍射光，同时还有一部分入射光穿过衍射光栅(12)被薄膜(17)的背面所反射，这一过程导致衍射光与反射光发生干涉，从而使各级衍射光的强度发生改变；
输出光强与薄膜(17)振动之间的关系表示为其中，k为光电转化系数，R是光电探测器(3)的响应灵敏度，Iin是入射光的强度，λ0是入射光的波长，A为薄膜(17)振动幅值，ω为悬臂梁(1)振动频率，t为时间。
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