CN117848480B - 一种隔振平台的残余振动检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超精密测量技术领域，特别涉及一种隔振平台的残余振动检测装置及方法。该装置包括：控制器以及沿光路行进方向依次设置的一个激光器、一个准直镜、一个分光镜、两个光学滤波器和两个光学探测器，其中：分光镜用于对经过准直镜准直处理的平行激光进行分束，得到两个分束激光；光学滤波器用于对分束激光进行降噪处理，以使分束激光在光学探测器上形成清晰光斑；光学探测器与控制器电连接，光学探测器用于对清晰光斑进行光电转换，得到清晰光斑的位置信息，并将位置信息发送给控制器；控制器用于对位置信息进行计算，得到隔振平台的残余振动情况。本发明可以提供高精度的残余振动测量结果，同时有效降低对隔振平台残余振动的测量难度。

Description

一种隔振平台的残余振动检测装置及方法

技术领域

本发明涉及超精密测量技术领域，特别涉及一种隔振平台的残余振动检测装置及方法。

背景技术

随着星模拟器越来越多的用于天文研究，光管阵列式穹顶恒星模拟系统这种可以有效提高星模拟器测量精度和探测灵敏度的地面装置，在实验研究中的运用也越来越广泛。

隔振平台是穹顶恒星模拟系统的重要组成部分，如果隔振平台的尺寸过大，则对隔振平台的残余振动测量的测量精度会降低。

基于此，目前亟需一种隔振平台的残余振动检测装置及方法来解决上述技术问题。

发明内容

为了有效保证隔振平台的残余振动检测的精度，本发明实施例提供了一种大尺寸隔振平台振动检测装置及方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种隔振平台的残余振动检测装置，包括：控制器以及沿光路行进方向依次设置的一个激光器、一个准直镜、一个分光镜、两个光学滤波器和两个光学探测器，其中：

所述激光器、所述准直镜和两个所述光学探测器均位于隔振平台的外侧，所述分光镜和两个所述光学滤波器均位于所述隔振平台的上表面，所述激光器、所述准直镜、所述分光镜、第一光学滤波器和第一光学探测器位于同一条第一直线上，所述分光镜、第二光学滤波器和第二光学探测器位于同一条第二直线上，所述第一直线和所述第二直线垂直；

所述分光镜用于对经过所述准直镜准直处理的平行激光进行分束，得到两个分束激光；

两个所述光学滤波器依次用于对一个所述分束激光进行降噪处理，以使一个所述分束激光在所述第一光学探测器上形成第一清晰光斑，另一个所述分束激光在所述第二光学探测器上形成第二清晰光斑；

两个所述光学探测器均与所述控制器电连接，每个所述光学探测器均用于对一个所述清晰光斑进行光电转换，得到一个所述清晰光斑的位置信息，并将所述位置信息发送给所述控制器；

所述控制器用于对所述位置信息进行计算，得到所述隔振平台的残余振动情况。

优选地，所述控制器具体是通过如下方式进行计算的：

基于所述位置信息，得到每个所述清晰光斑的位置随时间变化的曲线；

基于所述曲线，得到任一时刻每个所述清晰光斑的坐标变化量；

对所述坐标变化量进行分析，得到所述隔振平台的残余振动情况。

优选地，所述控制器在执行所述基于所述曲线，得到所述清晰光斑的坐标变化量时，具体用于执行如下操作：

A₁＝a₁-a₀

A₂＝a₂-a₀

B₁＝b₁-b₀

B₂＝b₂-b₀

式中，(a₀，b₀)为坐标原点；(a₁，b₁)为第一清晰光斑的坐标值；(a₂，b₂)为第二清晰光斑的坐标值；A₁为第一清晰光斑对应的横坐标变化量；B₁为第一清晰光斑对应的纵坐标变化量；A₂为第二清晰光斑对应的横坐标变化量；B₂为第二清晰光斑对应的纵坐标变化量。

优选地，所述控制器在执行所述对所述坐标变化量进行分析，得到所述隔振平台的残余振动情况时，具体用于执行如下操作：

基于所述第一所述清晰光斑的位置沿第一光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量；

基于所述第二所述清晰光斑的位置沿第二光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量；

基于每个所述清晰光斑的位置沿所述光学探测器坐标系的y轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量。

优选地，所述控制器在执行所述基于所述第一所述清晰光斑的位置沿第一光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量时，具体用于执行如下操作：

y＝A₂

式中，y为所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量。

优选地，所述控制器在执行所述基于所述第二所述清晰光斑的位置沿第二光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量时，具体用于执行如下操作：

x＝A₁

式中，x为所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量。

优选地，所述控制器在执行所述基于每个所述清晰光斑的位置沿所述光学探测器坐标系的y轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量时，具体用于执行如下操作：

式中，z为所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量。

第二方面，本发明实施例还提供了一种隔振平台的残余振动检测方法，其特征在于，应用于如上述任一项实施例所述的大尺寸隔振平台振动检测方法，包括：

利用两个所述光学探测器依次获取待测平行激光的两个光斑；

利用两个所述光学探测器依次对两个所述光斑进行光电转换，得到每个所述光斑的位置信息；

利用所述控制器对每个所述位置信息进行处理，得到所述隔振平台的残余振动情况。

优选地，在所述利用所述控制器对所述位置信息进行处理，得到所述隔振平台的振动情况之后，还包括：

基于所述残余振动情况，评估所述隔振平台的隔振性能。

优选地，所述基于所述振动情况，评估所述隔振平台的隔振性能，包括：

基于所述残余振动情况，计算所述隔振平台的振动传递系数；

基于所述振动传递系数，评估所述隔振平台的隔振性能。

本发明实施例提供了一种隔振平台的残余振动检测装置及方法，通过在隔振平台周身安装固定激光器、准直镜和光学探测器，利用光学探测器获取激光器发出的激光数据，并将该数据传输给控制器进行计算，从而得到隔振平台的振动情况。通过将处理系统的自动化算法应用于大尺寸隔振平台振动检测的过程中，不仅可以实现自动化测量和控制，降低对大尺寸隔振平台的测量难度，而且还可以提供高精度的隔振平台残余振动检测结果，使隔振平台的隔振性能评估更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的隔振平台的残余振动检测装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的隔振平台残余振动后光斑的成像示意图；

图3是本发明一实施例提供的隔振平台的残余振动检测方法的流程图。

附图标记：

1-激光器、2-准直镜、3-分光镜、4-第一光学滤波器、5-第二光学滤波器、6-第一光学探测器、7-第二光学探测器、8-控制器、9-隔振平台。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，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的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。

下面描述以上构思的具体实现方式。

如图1所示，本发明实施例提供了一种隔振平台的残余振动检测装置，包括控制器6以及沿光路行进方向依次设置的一个激光器1、一个准直镜2、一个分光镜3、两个光学滤波器4和两个光学探测器5。

激光器1、准直镜2和两个光学探测器均位于隔振平台9的外侧，分光镜3和两个光学滤波器4均位于隔振平台9的上表面，激光器1、准直镜2、分光镜3、第一光学滤波器4和第一光学探测器6位于同一条第一直线上；分光镜3、第二光学滤波器5和第二光学探测器7位于同一条第二直线上，第一条直线和第二条直线互相垂直。

准直镜2用于对激光器1发射的激光进行准直，得到平行激光；分光镜3用于对平行激光进行分束，得到两个分束激光；两个光学滤波器依次用于对一个分束激光进行降噪处理，以使一个分束激光在第一光学探测器6上形成第一清晰光斑，另一个分束激光在第二光学探测器7上形成第二清晰光斑；两个光学探测器均与控制器8电连接，每个光学探测器均用于对一个清晰光斑进行光电转换，得到一个清晰光斑的位置信息，并将位置信息发送给控制器8；控制器8用于对位置信息进行计算，得到隔振平台9的残余振动情况。

本发明实施例中，通过将处理系统的自动化算法应用于大尺寸隔振平台振动检测的过程中，不仅可以实现自动化测量和控制，降低对大尺寸隔振平台的测量难度，而且还可以提供高精度的隔振平台残余振动检测结果，使隔振平台的隔振性能评估更加准确。

本发明的一种实施方式中，第一光学探测器6和第二光学探测器7的种类可以是位敏探测器、波长敏感探测器，还可以是四象限探测器、雪崩光电管等，考虑到测试过程中对探测器响应速度、对光灵敏度等方面的要求，本实施例优选探测器为四象限探测器。

本发明实施例中，激光器1发出的激光光束镜准直镜2进行准直处理后入射至分光镜3上，分光镜3对激光进行分束处理，一束激光经过第一光学滤波器4后入射在第一光学探测器6上，另一束激光经过第二光学滤波器5后入射在第二光学探测器7上，两束激光经过滤波器后光束张角均被减小，两束激光的准直性得到进一步提升。

进一步地，一束激光在第一光学探测器6上形成第一清晰光斑，另一束激光在第二光学探测器7上形成第二清晰光斑，两个光斑的初始位置分别在两个光学探测器的中心原点位置，当隔振平台9存在物理振动时，两个光学探测器输出的光斑位置将发生变化，请参考图2，第一清晰光斑的初始位置坐标为(0,0)，当隔振平台9发生残余振动时，第一清晰光斑的位置坐标变为(3,3)，探测器将发生变化的位置信息发送给控制器8，控制器8根据该信息计算得到隔振平台9的残余振动情况。

本发明实施例中，控制器8是通过如下方式对位置信息进行计算，从而得到隔振平台9的振动情况：首先基于位置信息，得到第一清晰光斑的位置随时间变化的曲线和第二清晰光斑的位置随时间变化的曲线；基于该曲线，得到在任一时刻第一清晰光斑和第二清晰光斑的坐标变化量；再对坐标变化量进行分析，得到隔振平台9的残余振动情况。

具体来说，当隔振平台9发生振动时，多数时间是在空间坐标系的x、y、z三个方向上同时发生运动，这种方式的运动会带来第一探测器6和第二探测器7输出的光斑位置同时发生变化，任一时刻的清晰光斑坐标位置的变化量通过如下公式进行计算：

A₁＝a₁-a₀

A₂＝a₂-a₀

B₁＝b₁-b₀

B₂＝b₂-b₀

式中，(a₀，b₀)为坐标原点；(a₁，b₁)为第一清晰光斑的坐标值；(a₂，b₂)为第二清晰光斑的坐标值；A₁为第一清晰光斑对应的横坐标变化量；B₁为第一清晰光斑对应的纵坐标变化量；A₂为第二清晰光斑对应的横坐标变化量；B₂为第二清晰光斑对应的纵坐标变化量。

控制器8在通过上述计算得到清晰光斑的坐标变化量后，根据变化量对隔振平台9的残余振动情况进行分析：基于所述第一所述清晰光斑的位置沿第一光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量；基于所述第二所述清晰光斑的位置沿第二光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量；基于每个所述清晰光斑的位置沿所述光学探测器坐标系的y轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量。

也就是说，当隔振平台9在空间坐标系的y方向运动时，其将引起第一清晰光斑沿着第一光学探测器6的平面坐标系的x轴变化，对应第一光学探测器6输出的数据A₁；通过如下公式计算隔振平台9的y方向的运动量：

y＝A₂

式中，y为所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量。

当隔振平台9在空间坐标系的x方向运动时，其将引起第二清晰光斑沿着第二光学探测器7的平面坐标系的x轴变化，对应第二光学探测器7输出的数据A₂；通过如下公式计算隔振平台9的x方向的运动量：

x＝A₁

式中，x为所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量。

当隔振平台9在空间坐标系的z方向运动时，其将引起第一清晰光斑沿着第一光学探测器6的平面坐标系的y轴变化；同时第二清晰光斑沿着第二光学探测器7的平面坐标系的y轴变化，依次对应第一光学探测器6输出的B₁、第二光学探测器7输出的B₂；通过如下公式计算隔振平台9的z方向的位移量：

式中，z为所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量。

如图3所示，本发明实施例提供了一种隔振平台的残余振动检测方法，应用于上述任一项实施例提及的隔振平台的残余振动检测装置，该方法包括：

步骤S1、利用两个光学探测器依次获取待测平行激光的两个光斑；

步骤S2、利用两个光学探测器依次对两个光斑进行光电转换，得到每个光斑的位置信息；

步骤S3、利用控制器8对每个位置信息进行处理，得到隔振平台9的残余振动情况。

可以理解的是，本发明实施例提供的方法实施例与上述装置实施例同属于相同的发明构思，因此二者具有相同的有益效果，在此不进行赘述。

本发明实施例中，在利用控制器8对每个位置信息进行处理，得到隔振平台9的残余振动情况之后，还包括：基于残余振动情况，评估隔振平台9的隔振性能。值得说明的是，评估隔振平台9的隔振性能的方式较多，例如可以是根据隔振平台9的残余振动位移量，计算隔振平台9的振动传递系数，再根据振动传递系数，评估隔振平台9的隔振性能。这些都是本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种隔振平台的残余振动检测装置，其特征在于，包括控制器以及沿光路行进方向依次设置的一个激光器、一个准直镜、一个分光镜、两个光学滤波器和两个光学探测器，其中：

所述激光器、所述准直镜和两个所述光学探测器均位于隔振平台的外侧，所述分光镜和两个所述光学滤波器均位于所述隔振平台的上表面，所述激光器、所述准直镜、所述分光镜、第一光学滤波器和第一光学探测器位于同一条第一直线上，所述分光镜、第二光学滤波器和第二光学探测器位于同一条第二直线上，所述第一直线和所述第二直线垂直；

所述分光镜用于对经过所述准直镜准直处理的平行激光进行分束，得到两个分束激光；

两个所述光学滤波器依次用于对一个所述分束激光进行降噪处理，以使一个所述分束激光在所述第一光学探测器上形成第一清晰光斑，另一个所述分束激光在所述第二光学探测器上形成第二清晰光斑；

两个所述光学探测器均与所述控制器电连接，每个所述光学探测器均用于对一个所述清晰光斑进行光电转换，得到一个所述清晰光斑的位置信息，并将所述位置信息发送给所述控制器；

所述控制器用于对所述位置信息进行计算，得到所述隔振平台的残余振动情况。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器具体是通过如下方式进行计算的：

基于所述位置信息，得到每个所述清晰光斑的位置随时间变化的曲线；

基于所述曲线，得到任一时刻每个所述清晰光斑的坐标变化量；

对所述坐标变化量进行分析，得到所述隔振平台的残余振动情况。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制器在执行所述基于所述曲线，得到所述清晰光斑的坐标变化量时，具体用于执行如下操作：

式中，（a ₀ ，b ₀ ）为坐标原点；（a ₁ ，b ₁ ）为第一清晰光斑的坐标值；（a ₂ ，b ₂ ）为第二清晰光斑的坐标值；A ₁ 为第一清晰光斑对应的横坐标变化量；B ₁ 为第一清晰光斑对应的纵坐标变化量；A ₂ 为第二清晰光斑对应的横坐标变化量；B ₂ 为第二清晰光斑对应的纵坐标变化量。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制器在执行所述对所述坐标变化量进行分析，得到所述隔振平台的残余振动情况时，具体用于执行如下操作：

基于所述第一所述清晰光斑的位置沿第一光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量；

基于所述第二所述清晰光斑的位置沿第二光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量；

基于每个所述清晰光斑的位置沿所述光学探测器坐标系的y轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器在执行所述基于所述第一所述清晰光斑的位置沿第一光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量时，具体用于执行如下操作：

式中，y为所述隔振平台在全局坐标系的y方向的运动量。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器在执行所述基于所述第二所述清晰光斑的位置沿第二光学探测器坐标系的x轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量时，具体用于执行如下操作：

式中，x为所述隔振平台在全局坐标系的x方向的运动量。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器在执行所述基于每个所述清晰光斑的位置沿所述光学探测器坐标系的y轴变化，得到所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量时，具体用于执行如下操作：

式中，z为所述隔振平台在全局坐标系的z方向的运动量。

8.一种隔振平台的残余振动检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7中任一项所述的装置，包括：

利用两个所述光学探测器依次获取待测平行激光的两个光斑；

利用两个所述光学探测器依次对两个所述光斑进行光电转换，得到每个所述光斑的位置信息；

利用所述控制器对每个所述位置信息进行处理，得到所述隔振平台的残余振动情况。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述利用所述控制器对所述位置信息进行处理，得到所述隔振平台的振动情况之后，还包括：

基于所述残余振动情况，评估所述隔振平台的隔振性能。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于所述振动情况，评估所述隔振平台的隔振性能，包括：

基于所述残余振动情况，计算所述隔振平台的振动传递系数；

基于所述振动传递系数，评估所述隔振平台的隔振性能。