CN111896096B - 一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械振动测量技术领域，公开了一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，包括激光器、光隔离器、可调衰减器、光纤耦合器、单光子计数器和FPGA后处理模块，所述激光器发出的光经所述光隔离器、可调衰减器后入射至所述光纤耦合器后，然后经所述光纤耦合器入射至待测物体，所述待测物体的透射信号返回光纤耦合器后，输出至所述单光子计数器，单光子计数器的信号输出端与所述FPGA后处理模块连接，所述FPGA后处理模块用于根据所述单光子计数器输出的电信号，计算得到待测物体的机械振动。本发明解决了从微观层面测量机械振动困难的问题，利用单光子计数器输出电信号自然离散的特点，实现了可透光物体例如纳米纤维腔的机械振动的微观测量。

Description

一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置

技术领域

本发明涉及机械振动测量技术领域，具体为一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置。

背景技术

现有技术中，光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。现代单光子计数技术具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好、便于计算机进行分析处理等优点,在高技术领域占有重要地位,它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一，单光子计数方法就是利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。

振动量的测量常用方式有机械式测量、电测法以及光测法，机械式测量方法主要用杠杆放大原理或惯性原理加上杠杆放大原理进行测量；该测量方式的频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果；电测法是将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量，但易受电磁场干扰；光学法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理，激光多普勒效应等进行测量不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较多。

综上所述，在精密仪器的测量领域，物体的微小振动很难实现精确测量。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，解决了从微观层面测量机械振动困难的问题，利用单光子计数器输出电信号自然离散的特点，将及其弱的信号识别出来从而实现对机械振动的测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，包括激光器、光隔离器、可调衰减器、光纤耦合器、单光子计数器和FPGA后处理模块，所述激光器发出的光经所述光隔离器、可调衰减器后入射至所述光纤耦合器后，然后经所述光纤耦合器入射至待测物体，待测物体的透射信号返回光纤耦合器后，输出至所述单光子计数器，单光子计数器的信号输出端与所述FPGA后处理模块连接，所述FPGA后处理模块用于根据所述单光子计数器输出的电信号，计算得到待测物体的机械振动。

所述FPGA后处理模块根据所述单光子计数器输出的电信号，计算得到待测物体的机械振动方法为：

对所述单光子计数器输出的电信号进行傅里叶变化，实现从时域到频域的转换得到频谱图，频谱图中的尖峰对应于待测物体的振动频率，振幅对应于待测物体的振动幅度。

所述的一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，还包括偏振控制器，所述偏振控制器设置在光纤耦合器的输出端与待测物体之间。

所述的一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，还包括数据采集卡，所述数据采集卡用于采集所述单光子计数器的电信号后发送至所述FPGA后处理模块。

所述单光子计数器的采样时间为1us-1ms，所述激光器为宽光谱可调谐激光器。

所述的一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，还包括玻璃真空气室和PZT光纤拉伸器，所述待测物体为纳米纤维腔，纳米纤维腔和PZT光纤拉伸器均设置在玻璃真空气室内，所述PZT光纤拉伸器用于对纳米纤维腔进行拉伸。

真空气室的真空度维持在10^-11Torr。

所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器，其耦合比为1:99。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明提供一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，利用FPGA后处理模块进行分频和计数，通过傅里叶变换进行数据的运算和处理，将时域信号转化为对应频率下的信号，实现了待测物体纳米纤维腔振动的实时精确的测量，测量精度达到um级，基于FPGA的数据采集系统相对于传统的数据采集系统具有开发周期短，集成度高，工作频率高、时钟延时在ns级、可现场反复编程、编程配置灵活等一系列优点。

（2）本发明利用单光子计数器在弱光信号下输出自然离散的电信号特点，采用脉冲甄别计数与数字计数技术将及其微弱的信号识别出来，通过对所获取的光子时间作以傅里叶变换从而得到对应的光子时间频谱密度分布，进而精确分析目标物的振动情况。

（3）本发明采用的玻璃真空气室，玻璃真空气室的存在减少了背景噪声和外界干扰对拉锥光纤在PZT光纤拉伸器拉伸下的振动情况的影响，使得实验更加可控，进一步减少了背景噪声的影响。

附图说明

图1为本发明实施例提供的利用光子计数器精确测量机械振动的装置的结构示意图；其中：实线为电连接，虚线为光连接。

图2为本发明实施例中通过计数器计数在拉伸为0步，采样分辨时间为1ms时统计得到的荧光信号图。

图3为本发明实施例中在拉伸保持0步，采样分辨时间为1ms时，对统计得到的光子信号进行傅里叶变换后的频谱图。

图4为本发明实施例中在拉伸保持20步，采样分辨时间为1ms时，对统计得到的光子信号进行傅里叶变换后的频谱图。

图5为本发明实施例中在拉伸保持40步，采样分辨时间为100us时，对统计得到的光子信号进行傅里叶变换后的频谱图。

图中：1-宽谱可调谐激光器；2-ISO光隔离器；3-可调衰减器；4-光纤耦合器；5-偏振控制器；6-纳米纤维腔；7-PZT光纤拉伸器；8-玻璃真空气室；9-单光子计数器；10-FPGA后处理模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例以纳米纤维腔为例，提供了一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，包括激光器1、光隔离器2、可调衰减器3、光纤耦合器4、偏振控制器5、玻璃真空气室8、PZT光纤拉伸器7、单光子计数器9和FPGA后处理模块10；其中，待测纳米纤维腔6和所述PZT光纤拉伸器7均设置在玻璃真空气室8内，所述PZT光纤拉伸器7用于对纳米纤维腔6进行拉伸。所述激光器1发出的光经所述光隔离器2、可调衰减器3后入射至所述光纤耦合器4后，然后经所述光纤耦合器4和偏振控制器5后入射至位于所述玻璃真空气室8内的待测纳米纤维腔6中，所述纳米纤维腔6的透射信号返回光纤耦合器4后，输出至所述单光子计数器9，单光子计数器9的信号输出端与所述FPGA后处理模块10连接，所述FPGA后处理模块10用于根据所述单光子计数器9输出的电信号，计算得到纳米纤维腔6的机械振动。所述偏振控制器5为光纤偏振控制器，其设置在光纤耦合器4的输出端与待测纳米纤维腔6之间，用于调节进入待测纳米纤维腔6中的光的偏振态。

具体地，本实施例中，玻璃真空气室为由石英制成的长方体或正方体结构，主体由热膨胀系数非常低的玻璃材质加工而成；玻璃真空气室与真空泵相连从而将玻璃真空气室维持在真空压强低于10^-7 Pa的环境中，使真空气室的真空度维持在10^-11Torr的量级。

具体地，本实施例中，激光器1为宽谱可调谐激光器，其与计算机相连，实现激光器的触发与控制，从而使得激光器发出可调波长的激光，计算机通过改变激光器相应的驱动电流值来实现激光器波长的调节，波长的具体的调节范围是720 nm ~ 1060 nm。光隔离器2用于阻止光路的反射，构成光路的单向通道，避免反射光对激光器1造成干扰。激光经光隔离器2再通过可调衰减器耦合3到1：99的光纤耦合器4中，激光经过光纤耦合器4分成两路光，光强较强的一路通过偏振控制器5 实现光的偏振态的改变，再入射纳米纤维腔6中，光信号经纳米纤维腔6反射后通过光纤返回进光纤耦合器4，经光纤耦合器4分光后，1%的光信号耦合进单光子计数器中，再通过FPGA后处理模块进行光信号的处理。通过分光比为1：99的光纤耦合器4，可以实现纳米纤维腔6的透射光的衰减，使单光子计数器9接收到的为具有明显台阶信号的分离脉冲。

进一步地，本实施例提供的一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，还包括数据采集卡和采集软件，本实施例中，利用LabVIEW的程序语言，以及一张多通道数据采集卡实现数据的采集与分析，数据采集卡选用美国国家仪器公司生产的NI PCI-6251，具有16位多路精度，1MS/s，单路精度可在1.25MS/s，可同时提供模拟输入输出。所述数据采集卡用于采集所述单光子计数器9的电信号后发送至所述FPGA后处理模块10。

具体地，本实施例中，所述FPGA后处理模块10根据所述单光子计数器输出的电信号，计算得到纳米纤维腔6的机械振动方法为：对所述单光子计数器9输出的电信号进行傅里叶变化，实现从时域到频域的转换得到频谱图，频谱图中的尖峰对应于纳米纤维腔的振动频率，振幅对应于纳米纤维的振动幅度。

具体地，本实施例中，PZT光纤拉伸器7与纳米纤维腔6连接，用于拉伸纳米纤维腔，以模拟纳米纤维腔的不同振动状态。本实施例中，为减少纳米纤维腔的振动，首先彻底松开纳米纤维腔，再采用单步模式来拉伸纳米纤维腔，将纤维腔的长度从0〜20um拉伸（步长：0〜140步长），频率失调约450GHz。

具体地，本实施例中，利用单光子计数器在不同的时间段（1us-1ms）检查纳米纤维腔的振动，收集到的荧光经耦合进入单光子探测器，在没有光信号时，通过探测器探测到的背景计数率约为10counts/50ms，这其中既包含了探测器的暗记数，也包含有背景的杂散光,当采集到光信号时，背景计数率约为80counts/50ms。光电信号却是分立的尖脉冲，具有明显的台阶信号，利用计算机编写相应的傅里叶变换程序完成从时域到频域的傅里叶变换以检测该振动频率，并通过纳米纤维腔在对应频率下的振动来反映其振动情况。当我们将拉伸保持在140步，并检查振动和扫描轮廓。我们发现偶极子阱的直径在某个位置约为3.4um，振动频率约500Hz。

如图2~5所示，为本发明实施例得到的试验数据图，图2为拉升为0步时，采样分辨时间为1ms时统计得到的荧光信号图。通过傅里叶变化，对图2中的荧光信号进行傅里叶变换处理，完成从时序到频域的变换，即可以得到图3所示的频谱图。图4是在拉伸保持20步，采样分辨时间为1ms时，对统计得到的光子信号进行傅里叶变换后的频谱图。图5是在拉伸保持40步，采样分辨时间为100us时，对统计得到的光子信号进行傅里叶变换后的频谱图。

上面通过具体实施例说明了对纳米纤维腔的机械振动的测量方法，实际上，本发明提供的一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，不仅可以测量纳米纤维腔室的振动，也可以应用于可以通过光的其他物体的微小振动测量，本发明可以广泛应用于精密仪器的测量领域。

本发明提供了一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，利用单光子计数器在弱光信号下输出自然离散的电信号特点，采用脉冲甄别计数与数字计数技术将及其微弱的信号识别出来，通过对所获取的光子时间作以傅里叶变换从而得到对应的光子时间频谱密度分布，进而精确分析目标物的振动情况。此外，利用FPGA后处理模块进行分频和计数，以及数据的运算和处理，实现了对待测物体，例如纳米纤维腔振动的实时精确的测量，测量精度达到um级，基于FPGA的数据采集系统相对于传统的数据采集系统具有开发周期短，集成度高，工作频率高、时钟延时在ns级、可现场反复编程、编程配置灵活等一系列优点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，其特征在于，包括激光器（1）、光隔离器（2）、可调衰减器（3）、光纤耦合器（4）、偏振控制器（5）、单光子计数器（9）和FPGA后处理模块（10），所述激光器（1）发出的光经所述光隔离器（2）、可调衰减器（3）后入射至所述光纤耦合器（4）后，然后经所述光纤耦合器（4）、偏振控制器（5）后入射至待测物体，待测物体的透射信号返回光纤耦合器（4）后，输出至所述单光子计数器（9），单光子计数器（9）的信号输出端与所述FPGA后处理模块（10）连接，所述FPGA后处理模块（10）用于根据所述单光子计数器（9）输出的电信号，计算得到待测物体的机械振动；所述FPGA后处理模块（10）根据所述单光子计数器输出的电信号，计算得到待测物体的机械振动方法为：

对所述单光子计数器（9）输出的电信号进行傅里叶变化，实现从时域到频域的转换得到频谱图，频谱图中的尖峰对应于待测物体的振动频率，振幅对应于待测物体的振动幅度

所述单光子计数器（9）的采样时间为1us-1ms，所述激光器（1）为宽光谱可调谐激光器；

所述装置还包括玻璃真空气室（8）和PZT光纤拉伸器（7），所述待测物体为纳米纤维腔（6），纳米纤维腔（6）和PZT光纤拉伸器（7）均设置在玻璃真空气室（8）内，所述PZT光纤拉伸器（7）用于对纳米纤维腔（6）进行拉伸；

所述光纤耦合器（4）为2×2光纤耦合器，其耦合比为1:99。

2.根据权利要求1所述的一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，其特征在于，还包括数据采集卡，所述数据采集卡用于采集所述单光子计数器（9）的电信号后发送至所述FPGA后处理模块（10）。

3.根据权利要求1所述的一种利用光子计数器精确测量机械振动的装置，其特征在于，真空气室的真空度维持在10^-11Torr。

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