CN204085453U - 一种激光振动、位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光振动、位移传感器，所述激光器出射激光，通过准直系统投射到振动物体上，垂直散射光通过准直系统回到激光器，形成自混合干涉系统；探测器测量激光器输出功率，通过信号解调实现振动物体的高频振动测量；所述振动物体的斜向散射进入聚焦系统中，在散射探测器上得到聚焦光斑位置，形成激光三角法结构，通过散射探测器上光斑位置能够反演出物体的绝对距离，实现测量振动物体的低频位移变化。本实用新型在不增加系统复杂度的情况下，实现了激光三角法与激光自混合技术的有机结合，实现了测量高频振动与低频位移变化两种功能。

Description

一种激光振动、位移传感器

技术领域

本实用新型属于精密测量领域，涉及一种振动、位移传感器，特别涉及一种结合激光自混合技术与激光三角法的振动、位移传感器。

背景技术

激光三角法广泛应用于测量领域，主要进行距离，位移等测量；但是对于频率较高的振动变化，则要求探测器CCD/CMOS工作在高帧率状态下，高帧率势必减少曝光时间，影响图像分辨率。另外，探测器CCD/CMOS工作在10MHz的驱动频率下，如果像素点为2K，则探测器帧率为5KHz，对于振动而言，一个周期测量十个点，则最大的振动频率为500Hz；因而激光三角法对于频率高于500Hz的振动较为困难。

激光自混合技术结构简单，只需要激光器与探测器就可以构成振动探测系统，但是根据张玉燕博士论文《基于LD自混合干涉的位移及速度测量技术的研究》第五章的结论，激光自混合技术对于低速(小于70mm/s)测量精度不高。而对于低频振动而言，所对应的速度普遍不高，所以激光自混合技术对于低频振动测量有待改进。

另外，激光自混合技术所采用的激光器要求，一般采用单纵膜运行，线宽要求小于1GHz，输出功率几个mW的半导体激光器，但是满足这些条件的可见光激光器较少，而量产的价格便宜的通信用半导体激光器普遍在红外波段。

实用新型内容

本实用新型提供了一种激光振动、位移传感器，能够实现0Hz～20kHz的宽振动频率范围的测量。其技术方案如下所述：

一种激光振动、位移传感器，包括光学系统与电路系统；

在物体振动高频情况下，所述电路系统的驱动电路形成周期电流驱动光学系统的激光器出射激光投射到物体上，所述物体的散射光反馈回激光器形成自混合干涉，并由所述电路系统进行物体的高频振动解调；

在物体振动低频情况下，所述电路系统的驱动电路形成恒流电流驱动光学系统的激光器出射激光投射到物体上，所述物体的斜向散射光由聚焦系统接收，在线阵探测器上形成光斑，形成激光三角法结构，并由所述电路系统进行物体的低频振动解调。

所述光学系统包括激光器、光电探测器、准直系统、聚焦系统和线阵探测器；所述准直系统设置在激光器和振动物体之间，所述光电探测器与激光器相连接，用于测量激光器的输出功率，所述聚焦系统和线阵探测器用于探测激光器照射到振动物体的斜向散射；

所述电路系统包括运算控制单元，与运算控制单元相连接的功能选择单元、光电探测器的信号放大电路以及线阵探测器的探测电路，所述运算控制单元与激光器的驱动电路相连接。

所述的激光振动、位移传感器还包括可见光光源、反射器、合束器，所述可见光光源的出射光线经反射镜后，再通过合束器合束后，由准直系统出射形成指示光路。

所述聚焦系统和线阵探测器之间设置有带通滤波器。

本实用新型在不增加系统复杂度的情况下，实现了激光三角法与激光自混合技术的有机结合，实现了高频振动与低频位移变化两种功能。

附图说明

图1是本实用新型提供的实施例1的示意图；

图2是本实用新型提供的实施例2的示意图；

图3是本实用新型涉及电路结构的示意图。

具体实施方式

如图1所示的实施例1中，激光振动、位移传感器包括激光器11、光电探测器12、准直系统13、聚焦系统14与线阵探测器15。

激光器11出射激光，通过准直系统13投射到振动物体2上，垂直散射光，通过准直系统13回到激光器11，形成自混合干涉系统，光电探测器12测量激光器输出功率，通过信号解调可以实现物体2高频振动测量。物体2的斜向散射进入聚焦系统14中，在线阵探测器15上可以得到聚焦光斑位置，形成激光三角法结构。通过探测器上光斑位置能够反演出物体的绝对距离，实现物体2的低频位移变化。

如图2所示的实施例2中，激光振动、位移传感器包括红外波段测量激光器11、可见光光源16、反射器17、合束器18、光电探测器12、准直系统13、聚焦系统14、带通滤波器19与线阵探测器15。

红外波段测量激光器11出射激光，通过准直系统13投射到振动物体2上，垂直散射光，通过准直系统13回到激光器11，形成自混合干涉系统，光电探测器12测量激光器输出功率，通过信号解调可以实现物体2高频振动测量。物体2的斜向散射进入聚焦系统14中，经过带通滤波器19后，可见光被反射，红外光透射在线阵探测器15上形成光斑，形成激光三角法结构。通过探测器上光斑位置能够反演出物体的绝对距离，实现物体2的低频位移变化。红外光不可见，可见光光源16出射光线经反射镜17后，再通过合束器18合束后，由准直系统13出射形成指示光路。

具体的涉及电路部分如图3所示，激光振动、位移传感器包括激光器11、光电探测器12、准直系统13、聚焦系统14与线阵探测器15。

光电探测器12一般选择硅光电二极管，PIN光电二极管或者雪崩光电二极管。线阵探测器15一般选择线阵的CCD或者线阵CMOS光电探测器。激光器11一般选择半导体激光器，例如650nm激光二极管。

当振动物体2处于低频位移变化，功能选择单元31选择低频测量档，运算控制单元32控制驱动电路33产生恒定电流驱动激光器11出射激光，激光经过准直系统13后投射到物体2上，物体2的斜向散射光由聚焦系统14接收，在线阵探测器15上形成光斑。光斑在线阵探测器15上的像素点位置与物体2沿激光器出射激光方向的位移一一对应。探测电路35将线阵探测器15上接收到的光电信号传回运算控制单元32。运算控制单元32通过光斑像素点位置变化，便可解调物体2的低频位移变化。

当振动物体2处于高频振动时，功能选择单元31选择高频测量档，运算控制单元32控制驱动电路33形成周期电流驱动激光器11，周期电流一般选择三角波，三角波频率320kHz。激光器11出射激光经过准直系统13后投射到物体2上，物体2的散射光经准直系统13反馈回激光器11，形成自混合干涉，光电探测器12探测激光器11输出的激光交流信号，经过信号放大电路34后传回运算控制电路32进行物体2的高频振动解调。

本实用新型在不增加系统复杂度的情况下，实现了激光三角法与激光自混合技术的有机结合，实现了高频振动与低频位移变化两种功能，并能实现绝对距离测量。

本实用新型满足自混合技术应用的通信用半导体激光器，由于批量生产，成本较低，但是大多在红外波段，而满足可见光波段满足自混合技术的激光器，选择余地较少，因而提出红外激光测量，可见光指示的结构。

Claims (4)

1.一种激光振动、位移传感器，其特征在于：包括光学系统(1)与电路系统(3)；

在物体振动高频情况下，所述电路系统(3)的驱动电路(33)形成周期电流驱动光学系统(1)的激光器出射激光投射到物体(2)上，所述物体(2)的散射光反馈回激光器(11)形成自混合干涉，并由所述电路系统(3)进行物体(2)的高频振动解调；

在物体振动低频情况下，所述电路系统(3)的驱动电路(33)形成恒流电流驱动光学系统(1)的激光器出射激光投射到物体(2)上，所述物体(2)的斜向散射光由聚焦系统(14)接收，在线阵探测器(15)上形成光斑，形成激光三角法结构，并由所述电路系统(3)进行物体(2)的低频振动解调。

2.根据权利要求1所述的激光振动、位移传感器，其特征在于：所述光学系统(1)包括激光器(11)、光电探测器(12)、准直系统(13)、聚焦系统(14)和线阵探测器(15)；所述准直系统(13)设置在激光器(11)和振动物体(2)之间，所述光电探测器(12)与激光器(11)相连接，用于测量激光器(11)的输出功率，所述聚焦系统(14)和线阵探测器(15)用于探测激光器(11)照射到振动物体(2)的斜向散射；

所述电路系统(3)包括运算控制单元(32)，与运算控制单元(32)相连接的功能选择单元(31)、光电探测器(12)的信号放大电路(34)以及线阵探测器(15)的探测电路(35)，所述运算控制单元(32)与激光器(11)的驱动电路(33)相连接。

3.根据权利要求2所述的激光振动、位移传感器，其特征在于：还包括可见光光源(16)、反射器(17)、合束器(18)，所述可见光光源(16)的出射光线经反射镜(17)后，再通过合束器(18)合束后，由准直系统(13)出射形成指示光路。

4.根据权利要求3所述的激光振动、位移传感器，其特征在于：所述聚焦系统(14)和线阵探测器(15)之间设置有带通滤波器(19)。