CN110617890A - 一种具有强抗干扰能力的频域f-p型测速系统及其测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有强抗干扰能力的频域F‑P型测速系统及其测速方法，该装置包括光源、单模光纤耦合器、反射硅镜、光纤准直器、线阵光谱仪，还包括一用于控制光谱仪的上位机；光源发出的光进入到光纤偶合器中，传播至光纤末端后一部分被光纤末端端面反射而回，另一部分继续传播而后被样品表面反射而回。参考光与探测光在光纤耦合器处相遇并发生干涉；相干的参考光与探测光经光纤准直器准直后，被所述线阵光谱仪所采集；线性光谱仪将采集到的信号传输到所述上位机上进行测速分析。本发明相对于传统的光学相干测速仪（OCV）具有更强的抗干扰能力。结合频谱校正方法，系统的空间分辨率可达纳米量级。
Description
技术领域
本发明涉及光学测速领域，特别是一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统及其测速方法。
背景技术
如图4所示，传统的光学相干测速仪(OCV)是一种非接触式的光学测速方法，能够用于高温的机械及旋转机械的振动测量。然而，光学相干测速仪的参考光与样品光是在不同的光纤上传播，在外界噪声的干扰下，参考光与样品光的相位及光程变化量不同，造成两束光光程差变化，从而影响测量结果。为解决此问题，本发明的测速系统可使参考光与样品光在同一根光纤中传输。得益于此，在外界环境噪声的干扰下，本系统的参考光与样品光的相位与光程变化能够保持同步，从而保证系统的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统及其测速方法，可使参考光与样品光在同一根光纤中传输，同时使参考光与样品光的相位与光程变化能够保持同步，从而保证系统的稳定性。
本发明采用以下方案实现：一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统，提供一样品，包括光源、1×2单模光纤耦合器、反射硅镜、光纤准直器、线阵光谱仪和上位机；
所述光源发射出的光源进入所述1×2单模光纤耦合器中，光源传播至光纤末端；光源传播至光纤末端被所述反射硅镜反射而回得到参考光，被所述样品反射而回得到探测光；所述参考光与探测光在光纤耦合器处相遇并发生干涉；所述相干的参考光与探测光经光纤准直器准直后，被所述线阵光谱仪所采集；所述线性光谱仪将采集到的信号传输到所述上位机上进行测速分析。
进一步地，所述探测光是通过光源传播至光纤末端移动的样品时反射回所述1×2单模光纤耦合器中得到。
进一步地，所述光谱仪包括线阵CCD相机、反射式刻线衍射光栅、及设于反射式刻线衍射光栅与线阵相机之间的柱透镜；所述相干涉的参考光与探测光经光纤准直器准直后被所述反射式刻线衍射光栅按波长展开，经过所述柱透镜聚焦后被所述线阵CCD相机所采集。
进一步地，本发明提供一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统的测速方法：包括以下步骤：
步骤S1：经所述光源辐射出的光进入所述1×2单模光纤耦合器中，传输至光纤末端后一部分被光纤末端经所述反射硅镜反射而回形成参考光，另一部分继续传播而后被样品反射而回形成探测光，参考光与探测光在光纤耦合器处发生干涉；
步骤S2：相干涉的参考光与探测光经光纤准直器准直后被光谱仪的发射式刻线衍射光栅按波长展开，经过柱透镜聚焦后被线阵相机所采集；所采集的干涉信号的公式表达如式(1)所示：
其中，S(k)为光源的谱密度函数；t为时间；k为波数，λ为波长；Ip和Ir分别为探测臂与参考臂的反射光强度；ΔL(t)为光纤末端与样品表面的距离，该参数随着样品的移动而变化；由于Ip和Ir为直流项，不包含样品的位置信息，所以将这两项忽略并得到式(1)的化简形式：
步骤S3：利用线阵CCD相机对步骤S2所捕捉的时变干涉信号进行捕捉；线阵CCD相机所采集的信号表示为：
其中，t1为相机开始捕捉的时刻；t2为相机结束捕捉的时刻；t2-t1为相机的曝光时间；由于相机曝光时间为微秒量级，因此，用曝光时间内的平均移动速度代替瞬时速度v(t)；为t1和t2的平均值；步骤S4、所述线阵CCD相机采集的干涉信号进行快速傅里叶变换并结合频谱校正法获得样品的时变位移；傅里叶变换的结果如(4)所示：
其中A为的傅里叶变换结果，δ为尤拉克δ函数。
通过所获得的位置信息求导即获得样品的移动速度：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明可使参考光与样品光在同一根光纤中传输，在外界环境噪声的干扰下，本发明的参考光与样品光的相位与光程变化能够保持同步，从而保证系统的稳定性。结合频谱校正程序，系统可获得纳米级空间分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例以压电陶瓷为样品时的系统结构图，其中，1为光源，2为1×2单模光纤耦合器，3为反射硅镜，4为光纤准直器，5为线阵光谱仪，6为上位机，7为压电陶瓷、8为函数信号发生器，9为反射式刻线衍射光栅，10为柱透镜，11为线阵CCD相机。
图2为本发明实施例的信号处理过程图。
图3为本发明实施例的系统性能图。
图4为本发明实施例的传统的光学相干测速仪。
图5为本发明实施例的在空气扰动下本实施例与传统光学相干测速仪的测量结果对比图。
图6为本发明实施例的缺陷梁的固有频率测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统，提供一样品，包括光源1、1×2单模光纤耦合器2、反射硅镜3、光纤准直器4、线阵光谱仪5和上位机6；
所述光源1发射出的光源1进入所述1×2单模光纤耦合器2中，光源1传播至光纤末端；光源1传播至光纤末端被所述反射硅镜3反射而回得到参考光，被所述样品反射而回得到探测光；所述参考光与探测光在光纤耦合器处相遇并发生干涉；所述相干的参考光与探测光经光纤准直器4准直后，被所述线阵光谱仪5所采集；所述线性光谱仪将采集到的信号传输到所述上位机6上进行测速分析。
在本实施例中，所述探测光是通过光源1传播至光纤末端经移动的样品时反射回所述1×2单模光纤耦合器2中得到。
在本实施例中，所述光谱仪包括线阵CCD相机11、反射式刻线衍射光栅9、及设于反射式刻线衍射光栅9与线阵相机11之间的柱透镜10；所述相干涉的参考光与探测光经光纤准直器4准直后被所述反射式刻线衍射光栅按波长展开，经过所述柱透镜聚焦后辐射进入线阵CCD相机11中，即被所述线阵CCD相机11所采集。
较佳的，本实施例还提供一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统的测速方法：包括以下步骤：
步骤S1：经所述光源1辐射出的光进入所述1×2单模光纤耦合器2中，传输至光纤末端后一部分被光纤末端经所述反射硅镜3反射而回形成参考光，另一部分继续传播而后被样品反射而回形成探测光，参考光与探测光在光纤耦合器处发生干涉；当样品位置变化时，参考光与探测光的光程差发生变化，干涉条纹密度发生变化。通过对光谱仪采集的一序列干涉条纹进行傅里叶变换即可测得样品任意时刻的位置信息。
步骤S2：相干涉的参考光与探测光经光纤准直器4准直后被光谱仪的发射式刻线衍射光栅按波长展开，经过柱透镜聚焦后被线阵相机所采集；所采集的干涉信号的公式表达如式(1)所示：
其中，S(k)为光源1的谱密度函数；t为时间；k为波数，λ为波长；Ip和Ir分别为探测臂与参考臂的反射光强度；ΔL(t)为光纤末端与样品表面的距离，该参数随着样品的移动而变化；由于Ip和Ir为直流项，不包含样品的位置信息，所以将这两项忽略并得到式(1)的化简形式：
步骤S3：利用线阵CCD相机对步骤S2时变干涉信号进行捕捉；考虑到线阵CCD相机所捕捉的干涉信号仅为干涉信号的实数部分且相机采集的信号是其在曝光时间内每一时刻所接收到的信号之和，线阵CCD相机所采集的信号表示为：
其中，t1为相机开始捕捉的时刻；t2为相机结束捕捉的时刻；t2-t1为相机的曝光时间；测速仪在进行测量时，相机曝光时间很短，为微秒量级，因此，用曝光时间内的平均移动速度代替瞬时速度v(t)；为t1和t2的平均值；
步骤S4、所述线阵CCD相机采集的干涉信号进行快速傅里叶变换并结合频谱校正法获得样品的时变位移；傅里叶变换的结果如(4)所示：
其中A为的傅里叶变换结果，δ为尤拉克δ函数。
通过步骤S4所获得的位置信息求导即可获得样品的移动速度：
较佳的，如图1所示，在本实施例中，采用的样品可以包括压电陶瓷7、微悬臂梁、微小转轴、振动膜片等微小结构振动的测量。
如图2、3所示，其中采用压电陶瓷7作为样品时，采用函数信号发生器8与压电陶瓷7相连使压电陶瓷7振动的方式来改变样品的位置。上位机6与函数信号发生器8连接控制函数信号发生器产生振动信号。
当采用其他样品时则为监测样品工作时的振动情况，进而判断样品的工况。如转轴转动时轴心的偏振情况，膜片的振动情况，微臂梁结构健康监测等。
较佳的，在本实施例中，由所述光源辐射出光进入到单模光纤耦合器中；光传播至光纤耦合器的光纤末端后，一部分光被光纤端面反射而回，另一部分继续传播而后被样品表面反射而回。其中，被光纤端面反射而回的光为参考光，被样品反射而回的光为探测光。当参考光与探测光在光纤耦合器处相遇并发生干涉；发生干涉的参考光与探测光被光纤准直器准直后进去到线阵光谱仪中；对光谱仪采集的一序列干涉信号进行傅里叶变换即可获得样品不同时刻的位移信息。如图5、6所示，结合频谱校正法可使得系统的空间分辨率达纳米量级。
较佳的，在本实施例中，光源1辐射出的光进入到1×2单模光纤耦合器中2，而后传播进入光纤的末端。在末端处，光被光纤端面分成两部分，其中光纤端面反射而回的光为参考光，继续向前传播的光为探测光，探测光照射到样品表面3并被样品表面反射而回。参考光与样品光在光纤耦合器2处相遇并产生干涉，而后被光纤准直器4准直后照射进入线阵光谱仪中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统，提供一样品，其特征在于：包括光源、1×2单模光纤耦合器、反射硅镜、光纤准直器、线阵光谱仪和上位机；
所述光源发射出的光源进入所述1×2单模光纤耦合器中，光源传播至光纤末端；光源传播至光纤末端一部分被所述反射硅镜反射而回得到参考光，另一部分被所述样品反射而回得到探测光；所述参考光与探测光在光纤耦合器处相遇并发生干涉；所述相干的参考光与探测光经光纤准直器准直后，被所述线阵光谱仪所采集；所述线性光谱仪将采集到的信号传输到所述上位机上进行测速分析。
2.根据权利要求1所述的一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统，其特征在于：所述探测光是通过光源传播至光纤末端经移动的样品时反射回所述1×2单模光纤耦合器中得到。
3.根据权利要求1所述的一种具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统，其特征在于：所述光谱仪包括线阵CCD相机、反射式刻线衍射光栅、及设于反射式刻线衍射光栅与线阵相机之间的柱透镜；所述相干涉的参考光与探测光经光纤准直器准直后被所述反射式刻线衍射光栅按波长展开，经过所述柱透镜聚焦后被所述线阵CCD相机所采集。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述的具有强抗干扰能力的频域F-P型测速系统的测速方法：包括以下步骤：
步骤S1：经所述光源辐射出的光进入所述1×2单模光纤耦合器中，传输至光纤末端后一部分被光纤末端经所述反射硅镜反射而回形成参考光，另一部分继续传播而后被样品反射而回形成探测光，参考光与探测光在光纤耦合器处发生干涉；
步骤S2：相干涉的参考光与探测光经光纤准直器准直后被光谱仪的发射式刻线衍射光栅按波长展开，经过柱透镜聚焦后被线阵相机所采集；所采集的干涉信号的公式表达如式(1)所示：
其中，S(k)为光源的谱密度函数；t为时间；k为波数，λ为波长；Ip和Ir分别为探测臂与参考臂的反射光强度；ΔL(t)为光纤末端与样品表面的距离，该参数随着样品的移动而变化；由于Ip和Ir为直流项，不包含样品的位置信息，所以将这两项忽略并得到式(1)的化简形式：
步骤S3：利用线阵CCD相机对S2所捕捉的时变干涉信号进行捕捉；线阵CCD相机所采集的信号表示为：
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步骤S4、所述线阵CCD相机采集的干涉信号进行快速傅里叶变换并结合频谱校正法获得样品的时变位移；傅里叶变换的结果如(4)所示：
其中A为的傅里叶变换结果，δ为尤拉克δ函数；
通过所获得的位置信息求导即获得样品的移动速度：
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110617890A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113639848A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-12 | 福州大学 | 具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪及方法 |
| CN114414010A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-29 | 福州大学 | 双弯曲梁称重传感器 |
| CN114414530A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-04-29 | 福州大学 | 一种生物分子自参考检测方法及装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103900639A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-07-02 | 福州大学 | 高速多尺度振动和形变检测装置及方法 |
| CN204630653U (zh) * | 2015-05-27 | 2015-09-09 | 深圳市生强科技有限公司 | 基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量系统 |
| CN108956533A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-07 | 福州大学 | 一种可消除多色误差的oct共轭镜像去除装置及方法 |
-
2019
- 2019-10-30 CN CN201911043260.6A patent/CN110617890A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103900639A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-07-02 | 福州大学 | 高速多尺度振动和形变检测装置及方法 |
| CN204630653U (zh) * | 2015-05-27 | 2015-09-09 | 深圳市生强科技有限公司 | 基于宽谱光源干涉原理的高速振动测量系统 |
| CN108956533A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-07 | 福州大学 | 一种可消除多色误差的oct共轭镜像去除装置及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| QIUKUN ZHANG等: "High-performance optical coherence velocimeter：theory and applications", 《OPTICS EXPRESS》 * |
| 宋宏伟等: "光纤激光干涉测量激光冲击强化自由表面速度", 《中国科学》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113639848A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-12 | 福州大学 | 具有多点同步测振的高性能扫频光学相干测振仪及方法 |
| CN114414010A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-29 | 福州大学 | 双弯曲梁称重传感器 |
| CN114414530A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-04-29 | 福州大学 | 一种生物分子自参考检测方法及装置 |
| CN114414530B (zh) * | 2022-01-28 | 2023-07-28 | 福州大学 | 一种生物分子自参考检测方法及装置 |
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