CN115420367A - 一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置及方法，属于光电测量技术领域。本发明的装置包括激光测振仪、第一λ/2波片、第二λ/2波片、第三λ/2波片、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、平面反射镜、第一声光调制器、第二声光调制器、FM信号源、第一正弦信号源、第二正弦信号源。本发明用声光调制器进行光频调制式激励，用球形凹面反射镜聚焦反射法解决声光调制器在光频调制过程产生的光束发散和飘忽移动问题，以光频调制方式产生模拟振动的正弦波形激励激光测量信号，用以提供激光测振仪特性测评的激励源，实现激光测振仪校准。本发明具有更快响应时间，更宽频率范围，更大振幅范围。

Description

一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置及方法
技术领域
本发明涉及一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置及方法，属于光电测量技术领域。
背景技术
激光测振仪是一种通用、基础性振动、冲击测量仪器，具有高精度、非接触、对被测对象无附加干扰和影响的测量仪器，它的计量校准与性能测评一直是行业难点问题，主要原因有：1)它的激励为运动量值(位移、速度、加速度)，而所用测量原理是通过激光多普勒效应进行，需要通过光频率变化感知物理运动，输出又是以电信号数据形式给出结果，涉及机械运动、光频控制、电子测量等不同方面。2)由于光电测量的频率范围和准确度远高于机械运动量值的频率范围与准确度，导致对其进行计量校准和性能测评所需的合适的激励源一直缺乏，很难寻找到合乎要求的装置与设备。3)通常对其计量校准均是通过“标准振动台”激励，以“标准激光测振仪”进行量值测量，对其它激光测振仪进行计量校准。由于振动台属于机电结构的物理运动装置，受限于物理原理和机械原理等的限制，以及材料、机械加工能力等的限制，和激光测振仪这种光电测量仪器相比，其稳定性不易达到很高，频带较窄，并且在低频时振幅可以达到比较大的量值，而高频情况下，振幅仅能实现非常小的量值，准确度也较低，不易达到给激光测振进行计量溯源的技术要求。尽管使用标准激光测振仪进行计量校准，由于振动台特性造成的不确定度以及其振幅和频率范围所造成的限制仍然是激光测振仪计量校准中存在的主要问题。4)另一方面，使用标准激光测振仪对其它激光测振仪进行计量溯源本身，依然存在的逻辑上的问题是，标准激光测振仪自己的计量校准问题仍然无法获得解决。
发明内容
针对激光测振仪计量校准与性能测评中存在的受限于振动台等机械运动的技术参数无法完全覆盖测振仪量程且稳定性不如测振仪的主要问题，以及标准激光测振仪计量溯源无法完全解决的问题，本发明的主要目的是提供一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置及方法，用声光调制器(AOM)进行光频调制式激励，用球形凹面反射镜聚焦反射法解决声光调制器在光频调制过程产生的光束发散和飘忽移动的问题，以光频调制方式产生模拟振动的正弦波形激励激光测量信号，用以解决激光测振仪特性的测评的激励源问题，进而实现凹面反射聚焦型激光测振仪校准。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，包括激光测振仪、第一λ/2波片、第二λ/2波片、第三λ/2波片、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、平面反射镜、第一声光调制器、第二声光调制器、FM信号源、第一正弦信号源、第二正弦信号源。
由激光测振仪产生的激光，经过第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一λ/2波片，到达第一声光调制器，第一正弦信号源产生所需的正弦波形调制信号，控制第一声光调制器，对第一λ/2波片方向来的激光信号进行移频、并产生-1级衍射光，然后被第一凹面反射镜反射聚焦，回到第一声光调制器继续移频，再穿过第一λ/2波片、经过第二偏振分光镜反射，以及第三偏振分光镜的反射，穿过第三λ/2波片，到达第二声光调制器，第二正弦信号源产生所需的正弦波形调制信号，对FM信号源进行频率调制，产生已调FM信号，通过控制第二声光调制器，对第三λ/2波片传来的激光进行移频调制，产生+1级衍射激光，该激光被第二凹面反射镜反射聚焦，返回第二声光调制器再次移频调制，先后穿过第三λ/2波片、第三偏振分光镜，被平面反射镜反射，穿过第二λ/2波片，经第一偏振分光镜反射，回到被校激光测振仪进行测量处理，实现以第二正弦信号源产生的正弦波形对激光测振仪进行振动激励的模拟过程。
从激光测振仪测量获得的波形结果与第二正弦信号源的比较中，获得激光测振仪的激励响应特性，进而实现凹面反射聚焦型激光测振仪性能测评与校准。
作为优选，使用第一声光调制器进行频率移动，用第一凹面反射镜反射聚焦，使用第二声光调制器进行激光频率调制，用第二凹面反射镜反射聚焦，克服衍射调制激光的光斑飘忽移动问题。
作为优选，所使用的第一凹面反射镜、第二凹面反射镜均为球面镜，其第一声光调制器放到第一凹面反射镜的球心处，第二声光调制器放到第二凹面反射镜的球心处。
作为优选，所用的第一声光调制器和第二声光调制器，其移频和调制不仅能够分别工作在±1级衍射级上，也能够工作在±2级衍射级、±3级衍射级等其它任意衍射级上。
作为优选，所述测量装置完全采用被测量的激光测振仪发出的稳频激光，并不需要自己的激光光源，因此，能够降低成本，并能够避免标准装置的激光光源参量与被计量校准激光参量不一致而产生的不确定度。
本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准方法，基于所述一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置实现。
使用声光调制器进行频率移动，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，再使用声光调制器以正弦波形调制的调频信号控制方式，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪进行测量处理，获得其对正弦波形运动时的响应波形。
针对声光调制器调制过程中由于衍射效应而产生的激光束偏移发散，以及激光束飘忽移动的问题，使用具有球面特征的凹面反射镜进行反射汇聚，将声光调制器放到凹面镜球心处，使得任意方向的散射和飘移光最终都被反射汇聚至球心处，用以解决激光束飘忽移动的问题，以获得稳定可靠的返回激光。
使用电信号控制光信号产生具有正弦波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有运动多普勒特征的光频调制信号，从而避免机械运动产生高质量正弦波形运动信号的难点。由此计量校准或评估激光测振仪的正弦波形运动的响应特性，与振动台等激励相比，本实施例具有更快的响应时间，更宽的频率范围，更大的振幅范围。
本实施例将线运动信号(线运动速度、线运动加速度)量值通过频率调制与解调技术溯源到频率量值上，因而从原理上，具有比机械运动激励更高的测量准确度和稳定性。因为频率量值是当今计量行业里人们所能达到最高测量准确度的一个物理量，远高于任何其它物理量。
有益效果：
1、本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，使用电信号控制光信号产生具有正弦波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有运动多普勒特征的光频调制信号，从而避免机械运动产生高质量正弦波形运动信号的难点。由此计量校准或评估激光测振仪的正弦波形运动的响应特性，与振动台等激励相比，本发明具有更快的响应时间，更宽的频率范围，更大的振幅范围。
2、本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，使用声光调制器进行频率移动，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，然后再使用声光调制器以正弦波形调制的调频信号控制方式，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪进行测量处理，获得其对正弦波形运动时的响应波形。
3、本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，针对声光调制器调制过程中由于衍射效应而产生的激光束偏移发散，以及激光束飘忽移动的问题，本发明使用具有球面特征的凹面反射镜进行反射汇聚，将声光调制器放到凹面镜球心处，使得任意方向的散射和飘移光，最终都被反射汇聚至球心处，用以解决该问题，以获得稳定可靠的返回激光。
4、本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，将线运动信号(线运动速度、线运动加速度)量值通过频率调制与解调技术溯源到频率量值上，因而从原理上，具有比机械运动激励更高的测量准确度和稳定性。因为频率量值是当今计量行业所能达到最高测量准确度的一个物理量，远高于任何其它物理量。
附图说明
图1为本发明公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置的结构示意图。
其中：1—激光测振仪、2—第一偏振分光镜、3—第二偏振分光镜、4—第一λ/2波片、5—第一声光调制器、6—第一凹面反射镜、7—第一正弦信号源、8—第二λ/2波片、9—平面反射镜、10—第三偏振分光镜、11—第三λ/2波片、12—第二声光调制器、13—第二凹面反射镜、14—FM信号源、15—第二正弦信号源。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，包括激光测振仪1、第一λ/2波片4、第二λ/2波片8、第三λ/2波片11、第一偏振分光镜2、第二偏振分光镜3、第三偏振分光镜10、第一凹面反射镜6、第二凹面反射镜13、平面反射镜9、第一声光调制器5、第二声光调制器12、FM信号源14、第一正弦信号源7、第二正弦信号源15等组成。
由激光测振仪1产生的激光，经过第一偏振分光镜2、第二偏振分光镜3、第一λ/2波片4，到达第一声光调制器5，第一正弦信号源7产生所需的正弦波形调制信号，控制第一声光调制器5，对第一λ/2波片4方向来的激光信号进行移频、并产生-1级衍射光，然后被第一凹面反射镜6反射聚焦，回到第一声光调制器5继续移频，再穿过第一λ/2波片4、经过第二偏振分光镜3反射，以及第三偏振分光镜10的反射，穿过第三λ/2波片11，到达第二声光调制器12，第二正弦信号源15产生所需的正弦波形调制信号，对FM信号源14进行频率调制，产生已调FM信号，通过控制第二声光调制器12，对第三λ/2波片11传来的激光进行移频调制，产生+1级衍射激光，该激光被第二凹面反射镜13反射聚焦，返回第二声光调制器12再次移频调制，先后穿过第三λ/2波片11、第三偏振分光镜10，被平面反射镜9反射，穿过第二λ/2波片8，经第一偏振分光镜2反射，回到被校激光测振仪1进行测量处理，完成以第二正弦信号源15产生的正弦波形对激光测振仪1进行振动激励的模拟过程。
从激光测振仪1测量获得的波形结果与第二正弦信号源15的比较中，可以获得激光测振仪1的激励响应特性，进而实现凹面反射聚焦型激光测振仪性能测评与校准。
本实施例使用声光调制器进行频率移动，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，然后再使用声光调制器以正弦波形调制的调频信号控制方式，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪进行测量处理，获得其对正弦波形运动时的响应波形。
本实施例针对声光调制器调制过程中由于衍射效应而产生的激光束偏移发散，以及激光束飘忽移动的问题，使用具有球面特征的凹面反射镜进行反射汇聚，将声光调制器放到凹面镜球心处，使得任意方向的散射和飘移光，最终都被反射汇聚至球心处，用以解决该问题，以获得稳定可靠的返回激光。
本实施例使用电信号控制光信号产生具有正弦波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有运动多普勒特征的光频调制信号，从而避免机械运动产生高质量正弦波形运动信号的难点。由此计量校准或评估激光测振仪的正弦波形运动的响应特性，与振动台等激励相比，本实施例具有更快的响应时间，更宽的频率范围，更大的振幅范围。
本实施例将线运动信号(线运动速度、线运动加速度)量值通过频率调制与解调技术溯源到频率量值上，因而从原理上，具有比机械运动激励更高的测量准确度和稳定性。因为频率量值是当今计量行业里人们所能达到最高测量准确度的一个物理量，远高于任何其它物理量。
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 (9)

1.一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：包括激光测振仪(1)、第一λ/2波片(4)、第二λ/2波片(8)、第三λ/2波片(11)、第一偏振分光镜(2)、第二偏振分光镜(3)、第三偏振分光镜(10)、第一凹面反射镜(6)、第二凹面反射镜(13)、平面反射镜(9)、第一声光调制器(5)、第二声光调制器(12)、FM信号源(14)、第一正弦信号源(7)、第二正弦信号源(15)；
由激光测振仪(1)产生的激光，经过第一偏振分光镜(2)、第二偏振分光镜(3)、第一λ/2波片(4)，到达第一声光调制器(5)，第一正弦信号源(7)产生所需的正弦波形调制信号，控制第一声光调制器(5)，对第一λ/2波片(4)方向来的激光信号进行移频、并产生-1级衍射光，然后被第一凹面反射镜(6)反射聚焦，回到第一声光调制器(5)继续移频，再穿过第一λ/2波片(4)、经过第二偏振分光镜(3)反射，以及第三偏振分光镜(10)的反射，穿过第三λ/2波片(11)，到达第二声光调制器(12)，第二正弦信号源(15)产生所需的正弦波形调制信号，对FM信号源(14)进行频率调制，产生已调FM信号，通过控制第二声光调制器(12)，对第三λ/2波片(11)传来的激光进行移频调制，产生+1级衍射激光，该激光被第二凹面反射镜(13)反射聚焦，返回第二声光调制器(12)再次移频调制，先后穿过第三λ/2波片(11)、第三偏振分光镜(10)，被平面反射镜(9)反射，穿过第二λ/2波片(8)，经第一偏振分光镜(2)反射，回到被校激光测振仪(1)进行测量处理，实现以第二正弦信号源(15)产生的正弦波形对激光测振仪(1)进行振动激励的模拟过程；
从激光测振仪(1)测量获得的波形结果与第二正弦信号源(15)的比较中，获得激光测振仪(1)的激励响应特性，进而实现凹面反射聚焦型激光测振仪性能测评与校准。
2.如权利要求1所述的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：使用电信号控制光信号产生具有正弦波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有运动多普勒特征的光频调制信号，从而产生高质量正弦波形运动信号。
3.如权利要求2所述的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：使用声光调制器进行频率移动，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，然后再使用声光调制器以正弦波形调制的调频信号控制方式，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪进行测量处理，获得其对正弦波形运动时的响应波形。
4.如权利要求3所述的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：使用具有球面特征的凹面反射镜进行反射汇聚，将声光调制器放到凹面镜球心处，使得任意方向的散射和飘移光都被反射汇聚至球心处，以获得稳定可靠的返回激光。
5.如权利要求1所述的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：使用第一声光调制器(5)进行频率移动，用第一凹面反射镜(6)反射聚焦，使用第二声光调制器(12)进行激光频率调制，用第二凹面反射镜(13)反射聚焦，克服衍射调制激光的光斑飘忽移动问题。
6.如权利要求1所述的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：所使用的第一凹面反射镜(6)、第二凹面反射镜(13)均为球面镜，其第一声光调制器(5)放到第一凹面反射镜(6)的球心处，第二声光调制器(12)放到第二凹面反射镜(13)的球心处。
7.如权利要求1所述的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：所用的第一声光调制器(5)和第二声光调制器(12)，其移频和调制不仅能够分别工作在±1级衍射级上，也能够工作在±2级衍射级、±3级衍射级等其它任意衍射级上。
8.如权利要求1所述的一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置，其特征在于：所述测量装置完全采用被测量的激光测振仪发出的稳频激光，并不需要自己的激光光源，因此，能够降低成本，并能够避免标准装置的激光光源参量与被计量校准激光参量不一致而产生的不确定度。
9.一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准方法，基于如权利要求1所述一种凹面反射聚焦型激光测振仪校准装置实现，其特征在于：使用声光调制器进行频率移动，获得光频调制器的激光频率调制信号波形，再使用声光调制器以正弦波形调制的调频信号控制方式，使得光频调制信号保持中值频率不变的特征返回激光测振仪进行测量处理，获得其对正弦波形运动时的响应波形；
针对声光调制器调制过程中由于衍射效应而产生的激光束偏移发散，以及激光束飘忽移动的问题，使用具有球面特征的凹面反射镜进行反射汇聚，将声光调制器放到凹面镜球心处，使得任意方向的散射和飘移光最终都被反射汇聚至球心处，用以解决激光束飘忽移动的问题，以获得稳定可靠的返回激光；
使用电信号控制光信号产生具有正弦波形运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有运动多普勒特征的光频调制信号；
将线运动信号量值通过频率调制与解调技术溯源到频率量值上，实现激光测振仪校准。
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