CN108827448A - 基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量系统及方法，包括平面反光镜和传感器，传感器由垂直腔面发射激光器和九个光电二极管组成，垂直腔面发射激光器和九个光电二极管均设置在硅基底上，光电二极管均分分布于两个以垂直腔面发射激光器为中心的同心圆上组成光电阵列，同心圆的内圈和外圈分别设有四个光电二极管，第九个光电二极管用于测量光电二极管和电路的暗噪声，每个光电二极管输出的光电流首先经过跨阻放大器转换为电压信号，后经一级低通滤波及电压放大电路和二级低通滤波及电压放大电路进行模拟滤波及电压放大，后通过模数转换器转换为数字信号，最后进入微处理器进行数字滤波、频率分析、振幅和倾角的计算，及数据上传。

Description

基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量系统及方法

技术领域

本发明属于光电测量系统设计领域，具体涉及基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量系统及方法

背景技术

传统的振动测量方法有电容位移传感器测量、激光干涉仪或激光测振仪测量，这些测量装置体积较大，且无法同时实现被测物倾角的测量。利用光纤束在2～3个同心圆上的排列可以实现位移或间隙的测量，从中心光纤出射的激光经外界被测物体反射，并被紧密排列的光纤束接收，利用接收光强可计算得到被测物的位移，或者被测物与传感器之间的间隙。由于同一圈内的光纤尾端接到一个光电二极管上，因此该方法不具有角度测量的能力。随着微机电系统(MEMS)技术的发展，许多器件实现了微型化，如光电二极管(PD)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)，因此产生了利用微型光电器件的微小位移和倾角的测量方法：将PD均匀排列在以VCSEL为中心的圆上，通过测量VCSEL发射光被外界物体反射的光强，得到被测物的位移；利用相对VCSEL对称的两组PD的接收光强，可以得到被测物的二维倾角。该方法具有体积小、重量轻、灵敏度高的优点，但是目前仅被用于静态或低频变化的位移和倾角的测量。若用于高频振动的实时测量，得到振动信号的频率和振幅信息，仍需配合以合理的电路设计和处理算法。

发明内容

为了克服传统振动测量中振动与倾角无法同时检测，以及测量装置体积大的问题，本发明提供一种基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量系统及方法，可实现对振幅为毫米或微米级别的单频正弦振动的实时测量，利用二维分布的光电器件阵列，可同时获得被测物的振动幅值与倾角；本发明可用于振动台的校准和实时控制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量系统，包括平面反光镜和传感器，所述传感器由垂直腔面发射激光器和九个光电二极管组成，所述垂直腔面发射激光器和九个光电二极管均设置在硅基底上，所述光电二极管均分分布于两个以垂直腔面发射激光器为中心的同心圆上组成光电阵列，所述同心圆的内圈和外圈分别设有四个光电二极管，第九个光电二极管通过遮光处理用于测量无光条件下光电二极管和电路的暗噪声，每个光电二极管分别依次连接有跨阻放大器、一级低通滤波及电压放大电路和二级低通滤波及电压放大电路，二级低通滤波及电压放大电路均连接有模数转换器，模数转换器连接微处理器，每个光电二极管输出的光电流首先经过跨阻放大器转换为电压信号，后经一级低通滤波及电压放大电路和二级低通滤波及电压放大电路进行模拟滤波及电压放大，之后通过模数转换器转换为数字信号，最后进入微处理器进行数字滤波、频率分析、振幅和倾角的计算，以及数据上传。

进一步的，所述垂直腔面发射激光器和光电二极管的尺寸为微米级别，组成的传感器为2mm×2mm。

进一步的，所述平面反光镜与传感器的静态距离为2～5mm。

基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量方法，包括以下步骤：

(1)分别对振动及倾角测量系统中的位移和倾角进行标定；并分别得到用于测量振动和测量倾角的标定曲线；

(2)以最大振动测量频率f_max的5倍为采样频率f_s，对内圈光电二极管对应的四路信号通道同步采样各1024个数据点，并对内圈光电二极管信号之和做快速傅里叶变换运算，得到被测物的振动频率f₀；

(3)重新设置采样频率f_s为10倍振动频率f₀，对所有光电二极管进行同步采样；

(4)在内圈、外圈的八个光电二极管的信号中扣除第九个光电二极管测得的暗噪声，之后对内圈、外圈的八个光电二极管的信号进行带通滤波；

(5)计算内圈其中两个相对称的光电二极管的光强之“差和比”，和另外两个相对称的光电二极管的光强之“差和比”，根据倾角的标定曲线计算被测物的二维倾角；

(6)计算内圈四个光电二极管的信号之和sum₁，以及外圈四个光电二极管的信号之和sum₂，计算两个和的比值Ratio＝sum₁/sum₂；采集并计算10个Ratio值后，即采集满一个信号周期后，利用10个数据点中数值最大的数据点及其前后各一个数据点，拟合二次函数y＝ax²+bx+c，根据韦达定理求得二次函数的最大值(4ac-b²)/4a，作为被测物单频正弦振动的极值点，根据振动的标定曲线求得振幅。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明利用微机电系统器件组成微型的振动和倾角测量系统，具有体积小、灵敏度高的优点。

(2)本发明可利用FFT分析振动信号频率成分，通过频率跟踪算法实现频率在千赫兹级别、振幅为微米或毫米级别的振动信号的实时测量，以及±1°左右的微小倾角的实时测量。

(3)本发明通过数据点的二次拟合得到被测物振动幅值，可用于振动台的校准。

附图说明

图1-1为本发明系统的部分结构示意图；图1-2是由垂直腔面发射激光器(VCSEL)和九个光电二极管(PD)组成的传感器的俯视结构示意图。

图2为本发明系统内的硬件电路示意图。

图3为本发明系统通过微处理器ARM实现数据采集和信号处理流程图。

图4为本发明中二次函数拟合振幅的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。为方便描述，下文中垂直腔面发射激光器采用VCSEL表述，光电二极管采用PD表述。

本发明采用的实施方式是，VCSEL的出射光被平面反光镜反射，由光电阵列接收。当平面反光镜与光源之间的距离变化，或者平面反光镜与光源出射面的夹角变化时，光电阵列接收到的光强随之改变。利用光强信号的大小，实现振动和倾角的测量。

如图1-1和图1-2所示，VCSEL 10和PD 1、2、3、4、5、6、7、8、9生成在硅基底11上。假设VCSEL 10和PD 1、2、3、4、5、6、7、8、9的高度一致，为h，端面到平面反光镜12的距离一致。VCSEL10的出射光发散角θ约为±4°。PD1、2、3、4、5、6、7、8、9组成光电阵列：其中光电二极管1、2、3、4、5、6、7、8均匀分布在两个以VCSEL10为中心的同心圆上，内圈为编号1、2、3、4的四个PD，外圈为编号5、6、7、8的四个PD；PD 9进行遮光处理，用于测量无光条件下PD和电路的暗噪声，在后续信号处理中，在PD 1、2、3、4、5、6、7、8的输出信号中扣除。VCSEL 10和PD1、2、3、4、5、6、7、8、9均采用微机电系统器件，尺寸在微米级别，组成的传感器大小约为2mm×2mm，平面反光镜与传感器的静态距离约2～5mm。

测量被测物振动的过程中，平面反光镜12固定在被测的振动物体上。生成在基底11上的VCSEL10和PD 1、2、3、4、5、6、7、8、9固定不动。平面反光镜12与VCSEL端面和各个PD端面(因为器件高度一致，因此以下统称“端面”)之间的静态距离为d，被测物的振动幅度为±Δd。当平面反光镜与端面之间距离改变时，PD1、2、3、4、5、6、7、8接收到的反射光强度随之改变。当平面反光镜与端面之间不存在倾角的情况下，内圈四个PD 1、2、3、4的接收光强是相同的，外圈四个PD 5、6、7、8的接收光强也是相同的。当平面反光镜与端面之间存在倾角时，取同圈四个PD的接收光强之和，即PD 1、2、3、4的光强和以及PD5、6、7、8的光强和，可以有效地消除倾角的影响。

测量倾角时，平面反光镜12固定在被测的振动物体上，生成在基底上的VCSEL 10和PD 1、2、3、4、5、6、7、8、9固定不动。平面反光镜12与端面之间的静态夹角为0。实际上，为了避免反射光使VCSEL 10的出射光强产生回馈振荡，可使VCSEL 10与平面反光镜之间存在极小的倾角，并通过计算校正这一初始倾角。当振动过程中被测物倾斜(在可测量角度范围内)，如图1-1中虚线所示，同一圈内相对VCSEL对称的两个PD 1与2(或3与4)的接收光强的差与和之比(以下简称“差和比”)随倾角成近似线性的变化。利用相互垂直方向上两对PD的接收光强之“差和比”，可以得到被测物的二维倾角。

在利用该系统进行振动和倾角测量之前，应首先对系统进行标定，分为对位移的标定和对倾角的标定，具体方法如下：

(1)将平面反光镜12利用机械夹具固定，同时利用机械夹具夹持传感器，使传感器与平面反光镜之间的倾角为0°。夹持平面反光镜的夹具固定在高精度位移台上，可调节传感器与平面反光镜之间的位移。在量程范围内，单向调节二者之间位移，记录各位移点对应光电二极管输出信号大小，并求解各位移点对应的内圈四个光电二极管光强和sum1与外圈四个光电二极管光强和sum2的比值Ratio。利用三次函数拟合Ratio与位移之间的函数关系，作为振动测量的标定曲线。

(2)将平面反光镜利用机械夹具固定，传感器通过另一种机械夹具夹持，使其与平面反光镜的位移不变，但可调节二者之间的倾角。传感器夹具固定在高精度旋转台上。在倾角量程范围内，单向改变传感器与平面反光镜之间的倾角，记录各倾角对应的内圈四个光电二极管的输出信号大小，计算相比垂直腔面发射激光器对称的两对光电二极管信号的“差和比”，即PD1与2光强的差与和之比R_x＝(I_PD1-I_PD2)/(I_PD1+I_PD2)，以及PD3与4光强的差与和之比R_y＝(I_PD3-I_PD4)/(I_PD3+I_PD4)。利用三次函数分别拟合R_x与倾角、R_y与倾角之间的函数关系，作为倾角测量的标定曲线。

该测量系统的电路组成如图2所示，PD 1、2、3、4、5、6、7、8、9分别对应一路信号调理电路，下面以PD1为例进行阐述。PD 1输出的光电流i首先经过跨阻放大器13转换为电压信号u₁，然后经一级低通滤波及电压放大电路14和二级低通滤波及电压放大电路15进行模拟滤波及电压放大，然后进入模数转换器16转换为数字信号，之后进入微处理器ARM 17进行数字滤波，频率分析，振幅、倾角的计算，以及数据上传。

由微处理器ARM 17控制的系统的数据采集和信号处理流程如图3所示。当被测物开始振动且微处理器ARM 17接收到开始测量的指令，系统首先以最大振动测量频率f_max的5倍为采样频率f_s，对内圈PD 1、2、3、4对应的四路信号通道进行同步采样，直至每个通道采集1024个数据点后，对PD 1、2、3、4的信号之和做快速傅里叶变换(FFT)运算。FFT结果的最大值对应的频率即为被测物的振动频率f₀。自此，微处理器ARM 17重新设置采样频率f_s为10倍振动频率f₀，并连续进行采集、数字滤波、计算和数据上传步骤，直至接到更改振动频率f₀的指令，再重新以5倍f_max的频率采样、做FFT分析振动频率，并重复后续步骤。图1中PD 9测量得到的PD1、2、3、4、5、6、7、8及电路的暗噪声在对PD 1、2、3、4、5、6、7、8的信号进行数字带通滤波之前扣除。

在微处理器ARM 17中，对标号为1、2、3、4、5、6、7、8的八个PD对应的八路信号进行数字带通滤波后，与静态距离d相关的直流分量被滤除，只余下与振动位移±Δd相关的正弦信号。计算内圈四个PD 1、2、3、4对应的信号之和sum₁，以及外圈四个PD 5、6、7、8对应的信号之和sum₂，并计算两个和的比值Ratio＝sum₁/sum₂。当平面反光镜与端面之间的静态距离d选取合适，该比值在一定位移范围内与振动位移之间有近似线性的关系。计算振幅的具体实现方法表述如下：由于采样频率为振动频率的10倍，因此每个通道采集10次，即采集满一个信号周期后，计算对应的10个Ratio，并寻找10个Ratio中数值最大的数据点，选取前后各一个数据点。若最大数据点为第一个数据点，则选取该数据点后两个数据点；若最大数据点为10个数据点中的最后一个，则选取该数据点前两个数据点。利用这三个数据点拟合二次函数y＝ax²+bx+c，并根据韦达定理求得二次函数的最大值(4ac-b²)/4a，作为被测物单频正弦振动的极值点，根据振动标定曲线，可以求得该单品振动的振幅；图4所示为取最大数据点及其前后两个数据点进行二次拟合的示意图，图4中18为计算振幅用的最大值数据点，19为被测物的正弦振动曲线，20为利用数据点18及其前后各一个数据点拟合出来的二次曲线。为了测量被测物的倾角，利用内圈四个PD 1、2、3、4的接收光强，计算PD1与2的光强之“差和比”R_x＝(I_PD1-I_PD2)/(I_PD1+I_PD2)、PD3与4光强的“差和比”R_y＝(I_PD3-I_PD4)/(I_PD3+I_PD4)，根据倾角标定曲线计算被测物的倾角。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量系统，其特征在于，包括平面反光镜和传感器，所述传感器由垂直腔面发射激光器和九个光电二极管组成，所述垂直腔面发射激光器和九个光电二极管均设置在硅基底上，所述光电二极管均分分布于两个以垂直腔面发射激光器为中心的同心圆上组成光电阵列，所述同心圆的内圈和外圈分别设有四个光电二极管，第九个光电二极管通过遮光处理用于测量无光条件下光电二极管和电路的暗噪声，每个光电二极管分别依次连接有跨阻放大器、一级低通滤波及电压放大电路和二级低通滤波及电压放大电路，二级低通滤波及电压放大电路均连接有模数转换器，模数转换器连接微处理器，每个光电二极管输出的光电流首先经过跨阻放大器转换为电压信号，后经一级低通滤波及电压放大电路和二级低通滤波及电压放大电路进行模拟滤波及电压放大，之后通过模数转换器转换为数字信号，最后进入微处理器进行数字滤波、频率分析、振幅和倾角的计算，以及数据上传。

2.根据权利要求1所述基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量装置，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器和光电二极管的尺寸为微米级别，组成的传感器为2mm×2mm。

3.根据权利要求1所述基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量装置，其特征在于，所述平面反光镜与传感器的静态距离为2～5mm。

4.基于平面反光镜和光电阵列的振动及倾角测量方法，基于权利要求1所述测量系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别对振动及倾角测量系统中的位移和倾角进行标定；并分别得到用于测量振动和测量倾角的标定曲线；

(2)以最大振动测量频率f_max的5倍为采样频率f_s，对内圈光电二极管对应的四路信号通道同步采样各1024个数据点，并对内圈光电二极管信号之和做快速傅里叶变换运算，得到被测物的振动频率f₀；

(3)重新设置采样频率f_s为10倍振动频率f₀，对所有光电二极管进行同步采样；

(4)在内圈、外圈的八个光电二极管的信号中扣除第九个光电二极管测得的暗噪声，之后对内圈、外圈的八个光电二极管的信号进行带通滤波；

(5)计算内圈其中两个相对称的光电二极管的光强之“差和比”，和另外两个相对称的光电二极管的光强之“差和比”，根据倾角的标定曲线计算被测物的二维倾角；

(6)计算内圈四个光电二极管的信号之和sum₁，以及外圈四个光电二极管的信号之和sum₂，计算两个和的比值Ratio＝sum₁/sum₂；采集并计算10个Ratio值后，即采集满一个信号周期后，利用10个数据点中数值最大的数据点及其前后各一个数据点，拟合二次函数y＝ax²+bx+c，根据韦达定理求得二次函数的最大值(4ac-b²)/4a，作为被测物单频正弦振动的极值点，根据振动的标定曲线求得振幅。