CN113280905A - 一种激光测试装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光测试装置及其方法,所述装置包括:第一分光元件、第一声光调制器以及第二声光调制器;第一分光元件用于将激光器发出的激光分为第一激光和第二激光;第一激光位于第一激光光路上,第二激光位于第二激光光路上;第一声光调制器设置在第一激光光路上,用于对第一激光进行强度调制;第二声光调制器设置在第二激光光路上,用于对第二激光进行频率偏移。本发明通过振动测试模块对其中一路光束进行光强度调制,并比较调制信号和解调信号之间的相位差,获得激光传输时间,从而提高测距精度。本发明还通过同一激光器进行分束后测试,减小了对准误差,提高了测试的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域,具体涉及一种激光测试装置及其方法。
背景技术
模态分析通过测试结构固有本征频率获得结构动力学特性,从而实现辅助结构设计、无损检测以及故障分析等,广泛应用于航天、飞机、汽车、MEMS器件、工业生产线和科学研究等领域。非接触式振动测试主要采用激光外差多普勒测振技术,其特点是:非接触、高精度和高信噪比;此外,模态分析还需要获取物体的表面形貌,一般采用激光测距仪结合扫描振镜角度位置获取。传统上,激光测距仪和激光测振仪为两套独立设备,这增加了整个系统的体积和复杂性,同时两设备采用不同的激光,存在对准误差,影响测试的准确性。
发明内容
为了克服已有得技术问题,解决模态分析中振动测试模块和距离测试模块的集成化和激光束对准问题,本发明提供了一种激光测试装置及其方法。
为实现上述目的,本发明采用以下具体技术方案:
本发明第一方面提供了一种激光测试装置,包括:第一分光元件、第一声光调制器以及第二声光调制器;
第一分光元件用于将激光器发出的激光分为第一激光和第二激光;第一激光位于第一激光光路上,第二激光位于第二激光光路上;
第一声光调制器设置在所述第一激光光路上,用于对第一激光进行强度调制;
第二声光调制器设置在所述第二激光光路上,用于对第二激光进行频率偏移。
优选地,还包括:第二分光元件和激光合束器;
第二分光元件设置在第一激光光路上,用于将强度调制后的第一激光分为两路:
一路为第一激光透射光路,第一激光透射光路透射至被测物体表面,在被测物体表面发生漫反射,漫反射光沿第一激光透射光路原路返回至所述第二分光元件,并经第二分光元件折射至激光合束器位置;
另一路为第一激光折射光路,第一激光折射光路直接经第二分光元件折射至激光合束器位置;
激光合束器设置在第二激光光路上;经第二分光元件的漫反射光的折射光路、经第二分光元件的第一激光的折射光路以及频率调制后的第二激光,上述三路激光经激光合束器进行光路的合束,得到合束后的光信号。
优选地,还包括:光电探测器;光电探测器设置在激光合束器合束之后的光路上;光电探测器用于接收合束后的光信号,并将接收的所述合束后的光信号转化为电信号。
优选地,还包括:强度解调模块以及频率解调模块;
强度解调模块的输入端连接光电探测器的输出端,强度解调模块用于输出距离信号;
频率解调模块的输入端连接光电探测器的输出端,频率解调模块用于输出振动信号;
将解调后的距离信号以及振动信号分别输入至处理器,根据在处理器中预先设定好的计算公式来进行对应的数值计算。
本发明第二方面还提供一种激光测试方法,包括如下步骤:
S1:激光器发出的激光经过第一分光元件分为第一激光和第二激光;
S2:采用第一声光调制器对第一激光进行强度调制;
采用第二声光调制器对第二激光进行频率偏移。
优选地,装置还包括第二分光元件、激光合束器;
步骤S2之后还包括以下步骤:
S3:强度调制后的第一激光经所述第二分光元件分为两路:一路为第一激光透射光路,第一激光透射光路透射至被测物体表面,在被测物体表面发生漫反射,漫反射光沿第一激光透射光路原路返回至第二分光元件,经第二分光元件折射至激光合束器位置;
另一路为第一激光折射光路,第一激光折射光路直接经第二分光元件折射至激光合束器位置;
S4:经第二分光元件的漫反射光的折射光路、经第二分光元件的第一激光折射光路以及频率调制后的第二激光,上述三路激光经激光合束器进行光路的合束,得到合束后的光信号。
优选地,装置还包括光电探测器;步骤S4之后还包括以下步骤:
S5:合束后的光传输至光电探测器,将光信号转换为电信号后再进行信号的解调;并对解调后的信号进行对应的数值计算。
优选地,装置还包括强度解调模块以及频率解调模块;
如步骤S5,对电信号进行强度解调和频率解调;将解调后的距离信号以及振动信号分别输入至处理器,根据在处理器中预先设定好的计算公式来进行对应的数值计算;根据强度解调信号与强度调制信号之间的相位差计算距离;根据频率解调信号计算振动速度和位移。
本发明的有益效果:
本装置通过将激光器发出的光束进行分光后分别调制,对振动测试模块其中一路光束进行光强度调制,降低了系统的复杂性;同时比较调制信号和解调信号之间的相位差,可获得激光传输时间,从而提高测距精度;由于本装置采用同一激光光源,所以又减小了对准误差且确保了测试的准确性。
附图说明
图1是本发明的一种激光测试装置的装置结构图;
图2是本发明的一种激光测试方法的测试流程图。
其中附图标记为:
1、激光器;2、第一分光元件;3、第一声光调制器;4、第二分光元件;5、被测物体;6、第二声光调制器;7、激光合束器;8、光电探测器;9、强度解调模块;10、频率解调模块;11、距离信号;12、振动信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明提供的一种激光测试装置及其方法进行详细说明。
图1为本发明的一种激光测试装置的装置结构图。
如图1所示,本发明提供一种激光测试装置,包括:第一分光元件2、第一声光调制器3以及第二声光调制器6;第一分光元件2用于将激光器1发出的激光分为第一激光和第二激光;
第一激光位于第一激光光路上,第二激光位于第二激光光路上;
第一声光调制器3设置在第一激光光路上,用于对第一激光进行强度调制;
第二声光调制器6设置在第二激光光路上,用于对第二激光进行频率偏移。
在本发明的一个实施例中,第一分光元件2采用激光分束器。
在本发明的一个实施例中,激光器1采用波长为633nm的氦氖激光器。
在本发明的一个实施例中,第一声光调制器3为光强度调制模块,第二声光调制器6为光频率偏移模块。
本装置通过将激光器1发出的光束进行分光后分别调制,对振动测试中一路光束进行光强度调制,降低了系统的复杂性;同时比较调制信号和解调信号之间的相位差,可获得激光传输时间,从而提高测距精度;由于本装置采用同一激光光源,所以又减小了对准误差且确保了测试的准确性。
本发明提供的激光测试装置还包括:第二分光元件4以及激光合束器7;
第二分光元件4设置在第一激光光路上;第二分光元件4用于将强度调制后的第一激光分为两路:一路为第一激光透射光路,第一激光透射光路透射至被测物体5表面,在被测物体5表面发生漫反射,漫反射光沿第一激光透射光路原路返回至第二分光元件4,并经第二分光元件4折射至激光合束器7位置;
另一路为第一激光折射光路,第一激光折射光路直接经第二分光元件4折射至激光合束器7位置。
在本发明的一个实施例中,第二分光元件4采用激光偏振分束器。
激光合束器7设置在第二激光光路上,经第二分光元件4的漫反射光折射光、经第二分光元件4的第一激光折射光路以及频率调制后的第二激光光路,上述三路激光经激光合束器7进行光路的合束,得到合束后的光信号。
本发明的一个实施例中,第二分光元件4的折射光以及频率偏移后的激光在合束后形成干涉光。通过分束后的激光一路经强度调制后作用于被测物体5,另一路频率调制,而后对两束激光光束进行整合,由于两路激光都是来自于同一激光器,所以减小了整合后的激光对准误差,又提高了准确性。
本发明提供的激光测试装置还包括:光电探测器8;光电探测器8设置在激光合束器7合束之后的光路上;光电探测器8用于接收合束后的光信号,并将接收的合束后的光信号转化为电信号。
本发明提供的激光测试装置还包括:强度解调模块9以及频率解调模块10;
强度解调模块9的输入端连接光电探测器8的输出端,强度解调模块9用于输出距离信号11;
频率解调模块10的输入端连接光电探测器8的输出端,频率解调模10块用于输出振动信号12;
将解调后的距离信号11以及振动信号12分别输入至处理器,根据在处理器中预先设定好的计算公式来进行对应的数值计算。
图2为本发明的一种激光测试方法的测试流程图。下面结合图1以及图2对本发明提供的激光测试方法进行说明。
如图2所示本发明第二方面还提供一种激光测试方法,包括如下步骤:
S1:激光器1发出的激光经过第一分光元件2分为第一激光和第二激光;
S2:采用第一声光调制器3对第一激光进行强度调制;
采用第二声光调制器6对第二激光进行频率偏移。在本发明的一个实施例中,激光器1采用波长为633nm的氦氖激光器。
在步骤S2中,采用第一声光调制器3以及第二声光调制器6对两路激光进行强度调制和频率偏移。
在本发明的一个实施例中,第一声光调制器3为光强度调制模块,出射0级光进入光路;第一声光调制器3的工作频率为40MHz,调制信号为1+0.1sin(2πf1t),其中f1为调制信号频率,选为1KHz;t为时间。
在本发明的一个实施例中,第二声光调制器6为光频率偏移模块,出射一级光进入光路,第二声光调制器6的工作频率f0为40MHz,无调制信号。
在步骤S2中,还可选择对任意一路激光既进行强度调制又进行频率偏移。
在步骤S2之后,还包括以下步骤:
S3:强度调制后的第一激光经第二分光元件4分为两路:一路为第一激光透射光路,第一激光透射光路透射至被测物体5表面,在被测物体5表面发生漫反射,漫反射光沿第一激光透射光路原路返回至第二分光元件4,再经第二分光元件4折射至激光合束器7位置;另一路为第一激光折射光路,第一激光折射光路直接经第二分光元件4折射至激光合束器7位置;
S4:经第二分光元件4的漫反射光折射光路、经第二分光元件4的第一激光折射光路以及频率调制后的第二激光,上述三路激光经激光合束器7进行光路的合束,得到合束后的光信号。
在本发明的一个实施例中,第二分光元件4的折射光以及频率偏移后的激光在合束后形成干涉光。
通过分束后的激光一路经强度调制后作用于被测物体5,另一路频率调制,而后对两束激光光束进行整合,由于两路激光都是来自于同一激光器,所以减小了整合后的激光对准误差,又提高了准确性。
步骤S4之后还包括以下步骤:
S5:合束后的光传输至光电探测器8,将光信号转换为电信号后再进行信号的解调;并对解调后的信号进行对应的数值计算。
在本发明的一个实施例中,由于光电探测器8带宽应大于光偏移频率与振动物体引起的多普勒频移之和,所以光电探测器8带宽选择80MHz;由速度引起的多普勒频移为2ν/λ,其中ν为振动速度,λ为激光波长633nm。
在步骤S5中,对电信号进行强度解调和频率解调;将解调后的距离信号11以及振动信号12分别输入至处理器,根据在处理器中预先设定好的计算公式来进行对应的数值计算;根据强度解调信号与强度调制信号之间的相位差计算距离;根据频率解调信号计算振动速度和位移。
在本发明的一个实施例中,对于信号解调以及解调后的信号运算如下:
信号的强度解调由幅值检波获取;其前端先通过低通滤波器滤除高频信号,并通过相位比较器获得其与强度调制信号的相位差φ。激光传输时间为φ/(2πf1),距离为cφ/(4πf1),其中c为光速3×108m/s。由此解得距离信号11的距离数值。
信号的频率解调采用正交解调方法,将信号分为两路,分别乘频率偏移信号sin(2πf0t)及其正交信号cos(2πf0t);并分别通过低通滤波器,得到信号I(t)和Q(t),再经模数转换器采样。相位(m=0,1,2…)与位移s(t)成正比,即其速度为位移的导数,由此解得振动信号12的位移和速度的数值。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种激光测试装置,其特征在于,包括:第一分光元件、第一声光调制器以及第二声光调制器;
所述第一分光元件用于将激光器发出的激光分为第一激光和第二激光;所述第一激光位于第一激光光路上,所述第二激光位于第二激光光路上;
所述第一声光调制器设置在所述第一激光光路上,用于对所述第一激光进行强度调制;
所述第二声光调制器设置在所述第二激光光路上,用于对所述第二激光进行频率偏移。
2.如权利要求1所述的激光测试装置,其特征在于,还包括:第二分光元件和激光合束器;
所述第二分光元件设置在所述第一激光光路上,用于将强度调制后的所述第一激光分为两路:
一路为第一激光透射光路,所述第一激光透射光路透射至被测物体表面,在被测物体表面发生漫反射,漫反射光沿所述第一激光透射光路原路返回至所述第二分光元件,并经所述第二分光元件折射至所述激光合束器位置;
另一路为第一激光折射光路,所述第一激光折射光路直接经所述第二分光元件折射至所述激光合束器位置;
所述激光合束器设置在所述第二激光光路上;经所述第二分光元件的所述漫反射光的折射光路、经所述第二分光元件的所述第一激光折射光路以及频率调制后的所述第二激光,上述三路激光经所述激光合束器进行光路的合束,得到合束后的光信号。
3.如权利要求2所述的激光测试装置,其特征在于,还包括:光电探测器;所述光电探测器设置在所述激光合束器合束之后的光路上;所述光电探测器用于接收所述合束后的光信号,并将接收的所述合束后的光信号转化为电信号。
4.如权利要求3所述的激光测试装置,其特征在于,还包括:强度解调模块以及频率解调模块;
所述强度解调模块的输入端连接所述光电探测器的输出端,所述强度解调模块用于输出距离信号;
所述频率解调模块的输入端连接所述光电探测器的输出端,所述频率解调模块用于输出振动信号;
将解调后的所述距离信号以及所述振动信号分别输入至处理器,根据在所述处理器中预先设定好的计算公式来进行对应的数值计算。
5.一种激光测试方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
S1:激光器发出的激光经过所述第一分光元件分为第一激光和第二激光;
S2:采用所述第一声光调制器对所述第一激光进行强度调制;
采用所述第二声光调制器对所述第二激光进行频率偏移。
6.如权利要求5所述的激光测试方法,其特征在于,所述装置还包括第二分光元件、激光合束器;
步骤S2之后还包括以下步骤:
S3:强度调制后的所述第一激光经所述第二分光元件分为两路:一路为第一激光透射光路,所述第一激光透射光路透射至被测物体表面,在被测物体表面发生漫反射,漫反射光沿所述第一激光透射光路原路返回至所述第二分光元件,再经所述第二分光元件折射至所述激光合束器位置;另一路为第一激光折射光路,所述第一激光折射光路直接经所述第二分光元件折射至所述激光合束器位置;
S4:经所述第二分光元件的所述漫反射光的折射光路、经所述第二分光元件的所述第一激光折射光路以及频率调制后的所述第二激光,上述三路激光经所述激光合束器进行光路的合束,得到合束后的光信号。
7.如权利要求6所述的激光测试方法,其特征在于,所述装置还包括光电探测器;步骤S4之后还包括以下步骤:
S5:合束后的光传输至所述光电探测器,将光信号转换为电信号后再进行信号的解调;并对解调后的信号进行对应的数值计算。
8.如权利要求7所述的激光测试方法,其特征在于,所述装置还包括强度解调模块以及频率解调模块;
如步骤S5所述,对所述电信号进行强度解调和频率解调;将解调后的所述距离信号以及所述振动信号分别输入至处理器,根据在所述处理器中预先设定好的计算公式来进行对应的数值计算;根据强度解调信号与强度调制信号之间的相位差计算距离;根据频率解调信号计算振动速度和位移。
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