CN114527293B - 一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法 - Google Patents

一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，属于激光测量技术领域。半径已知的待测旋转物体的旋转轴应与光路主轴在同一个平面内，并且相垂直，会聚透镜将光束聚焦在旋转物体表面；锁定飞秒光频梳的重复频率与载波包络偏移频率；从频率计数器读取重复频率变化量；根据公式计算出待测旋转物体的转速。本发明将传统激光多普勒转速测量中激光频率的多普勒频移测量转化为射频域重复频率变化的测量，能够显著简化光路结构，降低信号处理复杂度。本发明能够提高转速测量的灵敏度和测量精度，由物体旋转引起多普勒频移导致的重复频率的极微小变化也能够被高分辨地探测到，并可将测量结果溯源于国际单位制的时间基本单位上。

Description

一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，属于激光测量技术领域。
背景技术
转速的测量是日常生产生活中一个非常重要的问题。目前已发展出光电码盘测速法、离心式测速法、闪光测速法、漏磁测速法、霍尔元件测速法等多种方法，并在不同的领域发挥着重要作用。但这些方法有些是接触式测量方法，有些需要在转动机构上安装传感器等额外器件，有些测量范围较为狭窄。基于激光多普勒效应的转速测量法可回避上面提到的一些缺点，具有非接触测量、动态响应快、测量范围大、精确度高等优点，目前得到了快速发展。
当光源、接收器、物体之间有相对运动时，接收器探测到的光波频率发生变化，这就是激光多普勒效应。由于多普勒频移相对于光源光波频率非常小，实际测量中，多采用光外差多普勒测速技术。即便如此，光源频率的不稳定依然限制了转速测量的准确性与测量范围。另外，为了消除基频干扰，一般需要引入光频率调制器对光源的发射激光进行移频，这一方面加剧了装置的复杂性，另一方面又引入了额外的频率不确定度。对于一些转速测量要求严格的场合，激光多普勒测速的精度亟需进一步提高。
发明内容
本发明主要目的是提供一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，能够实现高精度高灵敏度转速测量，由物体旋转引起多普勒频移导致的重复频率的极微小变化也能够被高分辨地探测到，本发明还具有结构简单、易于实现的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，基于飞秒光频梳的高精度转速测量系统实现，所述高精度转速测量系统包括飞秒光频梳、激光扩束镜、偏振分束器、1/4相位波片、会聚透镜一、会聚透镜二、光电探测器一、光电探测器二、电学混频器、频率计数器、待测旋转物体。所述飞秒光频梳的输出激光由激光扩束镜扩展成大口径的发射光束，继而依次通过所述偏振分束器、1/4相位波片、会聚透镜一，其中所述1/4相位波片的快轴方向与所述偏振分束器的水平偏振方向的夹角呈45度；所述会聚透镜一将发射光束聚焦于待测旋转物体表面，并收集旋转物体表面的散射光；散射光反向再次经过所述1/4相位波片后，由所述偏振分束器反射而出，再经所述会聚透镜二聚焦于所述光电探测器一上；所述飞秒光频梳另外输出一部分光由所述光电探测器二直接接收。所述光电探测器二探测所述飞秒光频梳的重复频率fr，所述光电探测器一探测飞秒光频梳经旋转物体散射后新的重复频率fr’，两者经过所述电学混频器后获得重复频率差Δfr，由所述频率计数器进行测量。
本发明公开的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，飞秒光频梳经旋转物体散射后的重复频率改变量与物体的转速呈正比：
飞秒光频梳包含等频率间隔分布的纵模，其电磁场由电场形式表达为
(1)式中fr为飞秒光频梳的重复频率，f0为飞秒光频梳的载波包络偏移频率，飞秒光频梳是一系列频率成分为nfr+f0的激光的叠加，An为各相应频率成分的复振幅。飞秒光频梳聚焦照射到旋转物体表面上，根据激光多普勒效应，飞秒光频梳的每一个频率成分均会发生多普勒频移。根据多普勒效应原理，对于频率为f的激光，频移量Δf表示为
其中，v为旋转物体表面的线速度，c为光速，α为聚焦光束夹角的一半。因此，对于某个特定频率的光，其多普勒频移量与旋转物体的线速度成正比。
将(2)式带入(1)式，得经旋转物体散射后的飞秒光频梳表达式为
Bn为散射光各相应频率成分的复振幅。(3)式反应旋转物体散射后飞秒光频梳的重复频率发生变化，新的重复频率fr’为
多普勒效应造成飞秒光频梳重复频率的移动，重复频率的变化量Δfr为
定义旋转物体的半径为R，转速M以转/s为单位，则线速度与转速之间有关系
v＝2πRM (6)
将(6)式带入(5)式，得
因此，飞秒光频梳激光经旋转物体散射后的重复频率变化量与物体的转速呈正比。将传统激光多普勒测量中光学频率的多普勒频移测量转化为射频域重复频率变化的测量。将(7)式改写，得到由重复频率的变化量计算转速的关系式为
其中κ是比例系数
首先确定(8)式中的比例系数κ。比例系数κ由采用的装置决定，可依据(9)式直接计算。另外，由于照射到物体上的会聚光束的夹角一般难以精确测量，会给精确计算κ带来误差，因此还能够通过采用测量转速已知的标准转速旋转物体，作出转速M与重复频率变化量Δfr之间的曲线，根据曲线的斜率也能够得到比例系数κ值。
本发明公开的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，包括如下步骤：步骤一：半径已知的待测旋转物体的旋转轴应与光路主轴在同一个平面内，并且相垂直，所述会聚透镜一将光束聚焦在旋转物体表面；步骤二：锁定所述飞秒光频梳的重复频率fr与载波包络偏移频率f0；步骤三：从所述频率计数器读取重复频率变化量Δfr；步骤四：根据公式(8)计算出待测旋转物体的转速M，即基于飞秒光频梳实现高精度转速测量。
采用的飞秒光频梳的重复频率fr与载波包络偏移频率f0在测量时均处于锁定状态，锁定的参考源为微波原子钟或光学频率标准。锁定后的重复频率具有高频率稳定性，一般可以优于10-11量级，当锁定于喷泉钟上稳定度甚至能够优于10-15。因此，由物体旋转引起多普勒频移导致的重复频率的极微小变化都将被高分辨地探测到，从而本发明装置具有非常高的测量灵敏度与精确度。
有益效果
1、本发明公开的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，将传统激光多普勒转速测量中激光频率的多普勒频移测量转化为射频域重复频率变化的测量，无需光外差探测，能够显著简化光路结构，降低信号处理复杂度。
2、本发明公开的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，由于飞秒光频梳重复频率的高稳定度，能够提高转速测量的灵敏度和测量精度，由物体旋转引起多普勒频移导致的重复频率的极微小变化也能够被高分辨地探测到，并可将测量结果溯源于国际单位制的时间基本单位上。
附图说明
图1是实施基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法采用的装置；
其中，1-飞秒光频梳、2-激光扩束镜、3-偏振分束器、4-1/4相位波片、5-会聚透镜一、6-会聚透镜二、7-光电探测器一、8-光电探测器二、9-电学混频器、10-频率计数器、11-待测旋转物体。
图2是实施例中重复频率变化量与转速的对应关系。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本实施例公开的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，实施该方法的装置如图1所示，包括：飞秒光频梳1、激光扩束镜2、偏振分束器3、1/4相位波片4、会聚透镜一5、会聚透镜二6、光电探测器一7、光电探测器二8、电学混频器9、频率计数器10、待测旋转物体11。装置中器件的连接关系为：所述飞秒光频梳1的输出激光由所述激光扩束镜2扩展成大口径的发射光束，继而依次通过所述偏振分束器3、1/4相位波片4、会聚透镜一5，其中所述1/4相位波片4的快轴方向与所述偏振分束器3的水平偏振方向的夹角呈45度；所述会聚透镜一5将发射光束聚焦于待测旋转物体11表面，并收集旋转物体表面的散射光；散射光反向再次经过所述1/4相位波片4后，由所述偏振分束器3反射而出，再经所述会聚透镜二6聚焦于所述光电探测器一7上；所述飞秒光频梳1另外输出一部分光由所述光电探测器二8直接接收。所述光电探测器二8探测所述飞秒光频梳1的重复频率fr，所述光电探测器一7探测飞秒激光经旋转物体散射后新的重复频率fr’，两者经过所述电学混频器9后获得重复频率差Δfr，由所述频率计数器10进行测量。
本实施例中所述飞秒光频梳1为重复频率100MHz的掺铒光纤飞秒光频梳，锁定的参考源为铷原子钟，其在1s采样时间下的稳定度为6.5×10-12。所述激光扩束镜2的放大倍率为50倍，扩束后的发射光束直径约为3cm，所述偏振分束器3、1/4相位波片4、会聚透镜一5和会聚透镜二6的通光口径均大于3cm。
为了获得公式(8)中的比例系数κ，采用本发明方法及上述装置测量转速恒定已知的旋转飞轮，拟合转速与重复频率变化量之间的曲线，获得了公式(8)中的比例系数κ＝1.373854(单位：转·m)。
本实施例中重复频率变化量与转速的对应关系如图2。
本实施例中待测的旋转物体选取为一个直径10.5cm的飞轮，由一个高速高精度马达驱动。测量步骤如下：(1)将飞轮的旋转轴设置在光路主轴同一个平面内，并且与光路主轴垂直，所述会聚透镜一5将光束聚焦在飞轮表面；(2)锁定所述飞秒光频梳1的重复频率fr与载波包络偏移频率f0；(3)从所述频率计数器10读取重复频率变化量Δfr；(4)根据公式(8)计算出待测旋转物体的转速M。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，其特征在于：基于飞秒光频梳的高精度转速测量系统实现，所述高精度转速测量系统包括飞秒光频梳、激光扩束镜、偏振分束器、1/4相位波片、会聚透镜一、会聚透镜二、光电探测器一、光电探测器二、电学混频器、频率计数器、待测旋转物体；所述飞秒光频梳的输出激光由激光扩束镜扩展成大口径的发射光束，继而依次通过所述偏振分束器、1/4相位波片、会聚透镜一，其中所述1/4相位波片的快轴方向与所述偏振分束器的水平偏振方向的夹角呈45度；所述会聚透镜一将发射光束聚焦于待测旋转物体表面，并收集旋转物体表面的散射光；散射光反向再次经过所述1/4相位波片后，由所述偏振分束器反射而出，再经所述会聚透镜二聚焦于所述光电探测器一上；所述飞秒光频梳另外输出一部分光由所述光电探测器二直接接收；所述光电探测器二探测所述飞秒光频梳的重复频率fr，所述光电探测器一探测飞秒光频梳经旋转物体散射后新的重复频率fr’，两者经过所述电学混频器后获得重复频率差Δfr，由所述频率计数器进行测量；
飞秒光频梳经旋转物体散射后的重复频率改变量与物体的转速呈正比；
飞秒光频梳包含等频率间隔分布的纵模，其电磁场由电场形式表达为
(1)式中fr为飞秒光频梳的重复频率，f0为飞秒光频梳的载波包络偏移频率，飞秒光频梳是一系列频率成分为nfr+f0的激光的叠加，An为各相应频率成分的复振幅；飞秒光频梳聚焦照射到旋转物体表面上，根据激光多普勒效应，飞秒光频梳的每一个频率成分均会发生多普勒频移；根据多普勒效应原理，对于频率为f的激光，频移量Δf表示为
其中，v为旋转物体表面的线速度，c为光速，α为聚焦光束夹角的一半；因此，对于某个特定频率的光，其多普勒频移量与旋转物体的线速度成正比；
将(2)式带入(1)式，得经旋转物体散射后的飞秒光频梳表达式为
Bn为散射光各相应频率成分的复振幅；(3)式反应旋转物体散射后飞秒光频梳的重复频率发生变化，新的重复频率fr’为
多普勒效应造成飞秒光频梳重复频率的移动，重复频率的变化量Δfr为
定义旋转物体的半径为R，转速M以转/s为单位，则线速度与转速之间有关系
v＝2πRM (6)
将(6)式带入(5)式，得
因此，飞秒光频梳激光经旋转物体散射后的重复频率变化量与物体的转速呈正比；将传统激光多普勒测量中光学频率的多普勒频移测量转化为射频域重复频率变化的测量；将(7)式改写，得到由重复频率的变化量计算转速的关系式为
其中κ是比例系数
首先确定(8)式中的比例系数κ；比例系数κ由采用的装置决定，可依据(9)式直接计算。
2.如权利要求1所述的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，其特征在于：由于照射到物体上的会聚光束的夹角一般难以精确测量，会给精确计算κ带来误差，因此还能够通过采用测量转速已知的标准转速旋转物体，作出转速M与重复频率变化量Δfr之间的曲线，根据曲线的斜率也能够得到比例系数κ值。
3.如权利要求1所述的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：半径已知的待测旋转物体的旋转轴应与光路主轴在同一个平面内，并且相垂直，所述会聚透镜一将光束聚焦在旋转物体表面；步骤二：锁定所述飞秒光频梳的重复频率fr与载波包络偏移频率f0；步骤三：从所述频率计数器读取重复频率变化量Δfr；步骤四：根据公式(8)计算出待测旋转物体的转速M，即基于飞秒光频梳实现高精度转速测量。
4.如权利要求3所述的一种基于飞秒光频梳的高精度转速测量方法，其特征在于：采用的飞秒光频梳的重复频率fr与载波包络偏移频率f0在测量时均处于锁定状态，锁定的参考源为微波原子钟或光学频率标准；锁定后的重复频率具有高频率稳定性，因此，由物体旋转引起多普勒频移导致的重复频率的极微小变化都将被高分辨地探测到，从而提高测量灵敏度与精确度。
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