CN201540156U - 一种振动校准用激光干涉仪 - Google Patents

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于梅
刘爱东
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Abstract

本实用新型公开了一种振动校准用激光干涉仪，包括激光器和普通分光棱镜，普通分光棱镜位于激光器的输出光路上，普通分光棱镜的分光面与普通分光棱镜的输出光路夹角为45°，激光器输出光分为呈90°夹角的参考光与测量光，参考光方向上设有参考反射镜，测量光方向上设有测量反射镜，测量反射镜与振动物体固定并随振动物体移动，参考光和测量光经普通分光棱镜汇集形成总干涉光，总干涉光方向设有将总干涉光分成偏振方向正交的两个支路干涉光的偏振分光装置，两个支路干涉光光路上分别设有光电接收器。本实用新型的激光干涉仪能够扩展振动传感器灵敏度的测量范围、满足振动传感器灵敏度相移测量的光学要求、准确测量振动传感器灵敏度相移。

Description

一种振动校准用激光干涉仪
技术领域
本实用新型涉及一种振动测量仪器，特别是涉及一种振动校准用激光干涉仪。
背景技术
目前振动传感器灵敏度的校准方法都是采用基于正弦逼近的激光干涉法，传统的校准方法比如条纹计数、最小点法等由于只有使用一路干涉光，所以只能测量灵敏度的幅值而不能测量灵敏度的相移，且振动测量的频率范围也受到一定的限制。将干涉光通过一定的装置分成两束干涉光，其中任意一路仍然可以用来测量灵敏度幅值，通过两路干涉光进行相位比较，就可测量出加速度灵敏度的相移。
本实用新型是为了解决现有技术中的不足而完成的，本实用新型的目的是提供一种能够扩展振动传感器灵敏度的测量范围、满足振动传感器灵敏度相移测量的光学要求、准确测量振动传感器灵敏度相移的激光干涉仪。
发明内容
本实用新型的一种振动校准用激光干涉仪，包括激光器和普通分光棱镜，所述普通分光棱镜位于所述激光器的输出光路上，所述普通分光棱镜的分光面与所述普通分光棱镜的输出光路夹角为45°，所述激光器输出光经普通分光棱镜分为呈90°夹角的参考光与测量光，所述参考光方向上设有将参考光原路反射回的参考反射镜，所述测量光方向上设有将测量光原路反射回的测量反射镜，所述测量反射镜与振动物体固定并随所述振动物体移动，所述反射回的参考光和测量光经普通分光棱镜汇集形成总干涉光，所述总干涉光方向设有将总干涉光分成偏振方向正交的两个支路干涉光的偏振分光装置，所述两个支路干涉光光路上分别设有光电接收器。
本实用新型的一种振动校准用激光干涉仪还可以是：
所述偏振分光装置为偏振分光器。
所述偏振分光器为偏振分光棱镜。
所述激光器输出光路为水平方向，所述经过普通分光棱镜分出的参考光为铅垂方向，所述测量光为水平方向，所述参考反射镜镜面为水平方向，测量反射镜镜面为铅垂方向，所述总干涉光为铅垂方向，所述两个支路干涉光光路分别为铅垂方向和水平方向。
上述两个支路干涉光分别与能够将正交偏振的两路干涉光光信号转换为相位相差90°的第一光电接收器和第二光电接收器连接。
所述激光器为单频激光器。
本实用新型的一种振动校准用激光干涉仪，相对于现有技术而言由于其在总干涉光方向设有将总干涉光分成偏振方向正交的两个支路干涉光的偏振分光装置，两个支路干涉光光路上分别设有光电接收器而具有的优点为：
1.满足振动传感器灵敏度相移测量的光学要求。
2.除了可以准确测量振动的速度外，还可以准确测量振动传感器灵敏度相移。
3.扩展了振动传感器灵敏度的测量范围。
附图说明
图1本实用新型一种一种振动校准用激光干涉仪实施例示意图。
图号说明
1…激光器             2…普通分光棱镜    3…参考反射镜
4…测量反射镜         6…偏振分光装置
51…第一光电接收器    52…第二光电接收器
下面结合附图图1对本实用新型的一种振动校准用激光干涉仪作进一步详细说明。
具体实施方式
本实用新型的一种振动校准用激光干涉仪，请参考图1，包括激光器1和普通分光棱镜2，普通分光棱镜2位于激光器1的输出光路上，普通分光棱镜2的分光面与普通分光棱镜2的输出光路夹角为45°，激光器1输出光经普通分光棱镜2分为呈90°夹角的参考光与测量光，参考光方向上设有将参考光原路反射回的参考反射镜3，测量光方向上设有将测量光原路反射回的测量反射镜4，测量反射镜4与振动物体固定并随振动物体移动，反射回的参考光和测量光经普通分光棱镜2汇集形成总干涉光。这些结构是现有的激光干涉仪中必须包含的部分，而本实用新型的激光干涉仪的特点在于：总干涉光方向设有可以将总干涉光分成偏振方向正交的两个支路干涉光的偏振分光装置6，两个支路干涉光光路上分别设有光电接收器。具体说明，激光器1为单频激光器。偏振分光装置6为偏振分光器。偏振分光器为偏振分光棱镜。当然还可以是其他结构和种类的偏振分光装置6，只要是能够将总干涉光分为正交的两个支路干涉光即可。更进一步优选的方案为请参考图1，激光器1输出光路为水平方向，经过普通分光棱镜2分出的参考光为铅垂方向，测量光为水平方向，参考反射镜3镜面为水平方向，测量反射镜4镜面为铅垂方向，总干涉光为铅垂方向，两个支路干涉光光路分别为铅垂方向和水平方向。
本实用新型的一种振动校准用激光干涉仪，请参考图1，偏振分光器将总干涉光分为正交的两个支路干涉光，这两个支路干涉光分别与能够将正交偏振的两路干涉光光信号转换为相位相差90°的第一光电接收器51和第二光电接收器52连接。两个光电接收器与计算器连接可以准确测量振动传感器灵敏度相移。振动传感器灵敏度幅值和相移的解算如下
振动加速度传感器的复合灵敏度可以用频率的复值函数表示：
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500031
其中，
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500032
为加速度传感器的幅值灵敏度，
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500033
为加速度传感器输出信号的初相位，
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500034
为振动台加速度的初相位，而
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500035
是加速度传感器复灵敏度的相移。
幅值称为幅频特性或增益因子，相移
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500037
称为相频特性或相位因子。加速度传感器幅相特性的求解就是要分别绘出加速度传感器幅值灵敏度
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500038
与相移
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500039
在频域的两条特性曲线。
由振动台的位移幅值
Figure DEST_PATH_GSB000000703215000310
，频率f(角频率ω＝2πf)和位移的初相位
Figure DEST_PATH_GSB000000703215000311
可以求出加速度幅值和初相位：
a ^ = ω 2 s ^ - - - ( 2 )
Figure G2009201678454D000413
其中，振动台产生的位移为：
Figure G2009201678454D000414
加速度传感器输出为：
Figure G2009201678454D000415
水平与垂直两个方向光电检测器的输出分别为：
Figure G2009201678454D000416
Figure G2009201678454D000417
其中， u ^ 1 = u ^ 2 , 调相值
Figure G2009201678454D000419
Figure G2009201678454D000420
为光电检测器信号的初相位，
Figure G2009201678454D000421
为调制项。假设服从余弦变化的调制项与位移st之间没有相移，此时调制项
Figure G2009201678454D000423
的幅值
Figure G2009201678454D000424
与振动台的位移量成正比，有
Figure G2009201678454D000425
即：
Figure G2009201678454D000426
等于振动台一个振幅内光电信号条纹数的2π倍。调制项
Figure G2009201678454D000427
反映对应于振动信号位移的变化和光电信号变化的角位移，同时也反映振动台位移变化的大小决定光电信号的疏密。
在t0＜t＜t0+TMeas测量时间内，以相同的时间间隔Δt＝tl-tl-1，对两路光电信号连续进行同步采样，通过A/D变换，将两列光电信号连续的时间函数变成离散时间序列{u1(tl)}和{u2(tl)}。由此可以计算出对应于每一组u1(tl)和u2(tl)的调相值序列
Figure G2009201678454D00052
对于调相值序列
Figure G2009201678454D00053
展开后可以得到N+1个线性方程组：
Figure G2009201678454D00054
i＝0，1，2，……N(采样点数)(9)
其中，
Figure G2009201678454D00055
Figure G2009201678454D00056
C为常数。用最小二乘法将测量得到的一组离散的数据序列拟合为正弦函数(正弦逼近法)。解这个方程组可求得唯一的A、B、C值。并可求得调制项的幅值
Figure G2009201678454D00057
和位移的初相位
Figure G2009201678454D00058
Figure G2009201678454D00059
Figure G2009201678454D000510
由此得到加速度幅值
Figure G2009201678454D000511
及相位
Figure G2009201678454D000512
Figure G2009201678454D000513
同理，可以获得加速度传感器输出信号的N+1个采样序列{u(tl)}，构建出N+1个(12)式的线性方程组，并用正弦逼近法解出Au和Bu的值。
u(ti)＝Aucosωti-Businωti+Cu    (12)
其中，
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500041
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500042
Cu为常数。
可以由Au和Bu算出加速度传感器输出信号的幅值
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500043
和初相位
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500044
u ^ = A u 2 + B u 2 - - - ( 13 )
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500046
由求出的振动台加速度幅值
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500047
和初相位，加速度传感器输出信号的幅值
Figure DEST_PATH_GSB00000070321500049
和初相位
Figure DEST_PATH_GSB000000703215000410
，就可以得出给定频率下的加速度传感器幅值灵敏度
Figure DEST_PATH_GSB000000703215000411
和相移
Figure DEST_PATH_GSB000000703215000412
S ^ a = u ^ a ^ - - - ( 15 )
Figure DEST_PATH_GSB000000703215000414
从以上的分析得知，要求得振动加速度灵敏度的幅值和相移，必须提供两路正交的激光干涉信号。而本实用新型的激光干涉仪刚好可以提供两个支路正交的激光干涉信号。因此可以准确测量振动加速度灵敏度的幅值和相移。
上述仅对本实用新型中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本实用新型的保护范围，凡是依据本实用新型中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种振动校准用激光干涉仪，包括激光器和普通分光棱镜，所述普通分光棱镜位于所述激光器的输出光路上，所述普通分光棱镜的分光面与所述普通分光棱镜的输出光路夹角为45°，所述激光器输出光经普通分光棱镜分为呈90°夹角的参考光与测量光，所述参考光方向上设有将参考光原路反射回的参考反射镜，所述测量光方向上设有将测量光原路反射回的测量反射镜，所述测量反射镜与振动物体固定并随所述振动物体移动，所述反射回的参考光和测量光经普通分光棱镜汇集形成总干涉光，其特征在于：所述总干涉光方向设有将总干涉光分成偏振方向正交的两个支路干涉光的偏振分光装置，所述两个支路干涉光光路上分别设有光电接收器。
2.根据权利要求1所述的一种振动校准用激光干涉仪，其特征在于：所述偏振分光装置为偏振分光器。
3.根据权利要求2所述的一种振动校准用激光干涉仪，其特征在于：所述偏振分光器为偏振分光棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种振动校准用激光干涉仪，其特征在于：所述激光器输出光路为水平方向，所述经过普通分光棱镜分出的参考光为铅垂方向，所述测量光为水平方向，所述参考反射镜镜面为水平方向，测量反射镜镜面为铅垂方向，所述总干涉光为铅垂方向，所述两个支路干涉光光路分别为铅垂方向和水平方向。
5.根据权利要求1所述的一种振动校准用激光干涉仪，其特征在于：所述两个支路干涉光分别与能够将正交偏振的两路干涉光光信号转换为相位相差90°的第一光电接收器和第二光电接收器连接。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种振动校准用激光干涉仪，其特征在于：所述激光器为单频激光器。
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