一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪及其测量方法技术

本发明专利技术提供一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，包括发射激光的双波长LD，沿发射光路方向依次设置的光路调节装置、光线密度滤波器、待测目标，与双波长LD电连接驱动电源，与双波长LD依次通讯连接的信号处理装置及数据采集分析装置。本发明专利技术还提供应用分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，双波长LD输出的一束双波长的激光经光路调节装置、光线密度滤波器至待测目标；经待测目标反射后分别返回各自的谐振管腔内与谐振管腔内光发生自混合干涉；计算机对通讯传输来的自混合信号利用偶次等效波长傅里叶变换算法进行分析处理，实现分辨率可调的目标振动测量。

A dual wavelength LD self mixing vibration measuring instrument with adjustable resolution and its measuring method

The invention provides a dual-wavelength LD self-mixing vibration measuring instrument with adjustable resolution, including a dual-wavelength LD for laser emission, an optical path adjusting device, a light density filter and a target to be measured in turn along the direction of the emitting optical path, a driving power supply electrically connected with the dual-wavelength LD, and a signal processing device in turn communicating with the dual-wavelength LD. And data acquisition and analysis device. The present invention also provides a measurement method using a dual-wavelength LD self-mixing vibration measuring instrument with adjustable resolution. A dual-wavelength laser output by a dual-wavelength LD passes through an optical path adjusting device and a light density filter to the target to be measured, and after reflection of the target to be measured, returns to the respective resonator cavity and the light in the resonator cavity to be self-mixing. Interference; The computer uses even equivalent wavelength Fourier transform algorithm to analyze and process the self-mixing signal transmitted by communication, and achieves the target vibration measurement with adjustable resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪及其测量方法
本专利技术提供一种精密光学干涉测量的
，更具体地，一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪及其测量方法。
技术介绍
振动测量是测量学的重要分支，在科研、工业生产和医学等许多领域需要对目标的振动进行测量。在精密机械、微机电系统等先进制造业领域，一般需要振动测量仪所占空间要小，灵敏度高，非接触式测量等特点；迫切需要分辨率可调的振动传感器以适应不同的工况需求。传统的振动测量方法主要有电位器式、电感式、电涡流式、电容式、磁致伸缩式等，但这些传统测量方法的技术性能已难以满足现代科学技术和生产实践发展的需要。随着先进激光技术、半导体技术和计算机技术的发展，以激光为基础的光学振动测量技术以其高精度、非接触式无损测量等显著的优点已在光学检测中具有非常广泛的应用，如迈克尔逊干涉、光栅干涉、光照强度、光电动势、光学增量编码等多种光学振动传感技术被用于测量目标振动。然而，上述几种传感技术的系统光路结构复杂、调试困难、系统昂贵，这些缺点限制了它们在相关领域的应用推广。对于现有的精密光学测振仪，如德国的PloyTec5000型多普勒测振仪，该仪器包括Mach-Zehnder干涉仪、激光传感模组等，具有高度集成的硬件电路和复杂的软件处理模块，价格高于40万人民币，非常昂贵，且应用条件苛刻，操作繁琐，对非合作目标(粗糙表面的目标)不友好。基于激光自混合干涉的振动测量技术，以其在激光器外部无需任何光学元件、结构简单的优点已在诸多领域得以应用，如模态分析、探伤、故障诊断、人体动脉脉搏波的检测、电机径向跳动跟踪等，并逐步取代一些传统的光学测量方法，成为一代新颖的振动测量技术。但是传统的激光自混合干涉振动测量仪，测量精度只有几百纳米，不能满足先进制造业对精度的苛求。通过光学倍程法提高条纹分辨率，能在一定程度上提高测量精度。但现有方法，需已知目标相关参数，这极大限制了该技术在实际测量中的应用，造成长期以来一直使用半波长的条纹分辨率；双波长双LD可以提高测量分辨率和抗干扰能力，但是双管的分立结构存在同点照射调节困难的问题。对半导激光自混合干涉仪进行注入电流调制是一种典型的提高精度方法，但电流注入同时会改变输出光波长，引入强度噪声；外腔长度调制是另一种提高方法，但需要压电陶瓷驱动器驱动半导体激光器线性运动，不仅增大了仪器体积和成本，而且存在迟滞等非线性问题，将造成不可避免的测量误差；相对于上述两种方法，电光相位调制法无机械运动部分，也不会对激光系统本身造成影响，测量精度高，范围大，在工业应用上非常有意义，但需外加昂贵的电光调制器，性价比不高，且对输出激光的偏振性有较高要求。而且上述这些提高精度的方法，其测量分辨均是单一不可调，无法满足制造业不同工况下的测量需求。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，采用集成封装有二个半导体激光管的双波长LD发射双波长激光实现待测目标的振动测量，无需复杂的信号调制解调和额外的电光频移，抗干扰能力强、结构简单紧凑、成本低，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。本专利技术还提供应用一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，通过设定合适的循环次数改变计算机分析处理的等效次数，进而实现待测目标的振幅测量分辨率可调，以适应不同振动范围、精度需求的测量。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，包括用于发射激光的双波长LD，沿发射光路方向依次设置的光路调节装置、光线密度滤波器、待测目标，与双波长LD电连接用于启动双波长LD发射激光的驱动电源，还包括与双波长LD依次通讯连接的信号处理装置及数据采集分析装置；所述的双波长LD为单管双LD结构，集成封装有2个半导体激光二极管；2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光，经待测目标反射后，包含双波长的反射光分别返回各自的半导体激光二极管的谐振腔内，与各自谐振腔内的光发生自混合干涉。优选地，所述的双波长LD输出的激光分别为红光与近红外光。优选地，所述双波长LD亦集成封装有2个光电二极管，所述光电二极管用于将半导体激光二极管的自混合光信号转换为电信号；所述信号处理装置包括依次通讯连接的电流-电压转换电路、运算放大器后；所述数据采集分析装置包括依次通讯连接的数据采集卡、计算机；所述双波长LD自混合振动测量仪还包括与计算机通讯连接示波窗口。优选地，所述的光路调节装置包括可调透镜，可调透镜安装有准直光学元件，所述准直光学元件镀有宽带增透膜，波长范围为600–1050nm；所述的可调透镜用于将一束包含双波长的激光整形成一束包含双波长的平行光。优选地，所述光线密度滤波器为圆形、连续可变的反射型中性密度滤光片，所述反射型中性密度滤光片镀有600–1050nm的增透膜。优选地，双波长LD输出的包含双波长的激光经过光路调节装置、光线密度滤波器后照射到待测目标的同一点。应用所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，包括以下步骤：步骤1：打开驱动电源启动双波长LD，双波长LD的2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光；旋转光线密度滤波器控制激光自混合处于微弱光反馈水平，开始测试；步骤2：步骤1中包含双波长的激光经光路调节装置、光线密度滤波器照射到微振动的待测目标，经待测目标反射后，包含双波长的反射光经光线密度滤波器、光路调节装置返回至各自半导体激光二极管的谐振腔内，并与各自谐振腔内的光发生自混合干涉；步骤3：双波长LD内部封装的光电二极管将步骤2中半导体激光二极管的谐振管腔内的自混合干涉光信号转变为电信号，电信号经电流-电压转换电路、运算放大器处理后、由数据采集卡同步采集并传送至计算机；步骤4：计算机对步骤3中数据采集卡同步采集的信号利用偶次等效波长傅里叶变换算法对进行分析处理；步骤5：计算机将步骤4中分析处理的结果信号传送与示波窗口；示波窗口接收并同步显示步骤4中分析处理的测量结果。优选地，步骤2中包含双波长的反射光及步骤3中的电信号均携带有待测目标的振动信息；步骤5中示波窗口显示的测量结果包括待测目标的目标振动频率f0、目标振动幅值A0、自混合干涉条纹信号。优选地，步骤4中计算机利用偶次等效波长傅里叶变换算法对数据采集卡同步采集的信号进行分析处理具体包括以下步骤：步骤41：在计算机中进行参数设定，包括循环次数m、采样率、采样时间及初始化循环变量i＝1；双波长双波长LD的两个自混合信号表示为和初始时的自混合信号表示为和其中二个自混合效应相位表示为和待测目标振动随时间变化为式中λ1和λ2代表双波长LD输出的激光波长；执行步骤42；步骤42：当i<m时，执行步骤43；当i≥m，即i＝m时，执行步骤44；步骤43：令i＝i+1，将两个自混合信号和分别平方并放大2倍，再减去1，得到P1i(t)＝2P1(i-1)(t)2-1＝cos[4π(L0+D(t))/(λ1/2i)]和P2i(t)＝2P2(i-1)(t)2-1＝cos[4π(L0+D(t))/(λ2/2i)]，返回执行步骤42；步骤44：计算P1m(t)＝P1i(t)＝cos[4π(L0+D(t))/(λ1/2i)]和P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，其特征在于，包括用于发射激光的双波长LD(2)，沿发射光路方向依次设置的光路调节装置(3)、光线密度滤波器(4)、待测目标(5)，与双波长LD(2)电连接用于启动双波长LD(2)发射激光的驱动电源(1)，还包括与双波长LD(2)依次通讯连接的信号处理装置及数据采集分析装置；所述的双波长LD(2)为单管双LD结构，集成封装有2个半导体激光二极管；2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光，经待测目标(5)反射后，包含双波长的反射光分别返回各自的半导体激光二极管的谐振腔内，与各自谐振腔内的光发生自混合干涉。

【技术特征摘要】
1.一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，其特征在于，包括用于发射激光的双波长LD(2)，沿发射光路方向依次设置的光路调节装置(3)、光线密度滤波器(4)、待测目标(5)，与双波长LD(2)电连接用于启动双波长LD(2)发射激光的驱动电源(1)，还包括与双波长LD(2)依次通讯连接的信号处理装置及数据采集分析装置；所述的双波长LD(2)为单管双LD结构，集成封装有2个半导体激光二极管；2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光，经待测目标(5)反射后，包含双波长的反射光分别返回各自的半导体激光二极管的谐振腔内，与各自谐振腔内的光发生自混合干涉。2.根据权利要求1所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，其特征在于：所述的双波长LD输出的激光分别为红光与近红外光。3.根据权利要求2所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，其特征在于：所述双波长LD(2)集成封装有2个光电二极管，所述光电二极管用于将双波长LD自混合干涉的光信号转换为电信号；所述信号处理装置包括依次通讯连接的电流-电压转换电路(6)、运算放大器后(7)；所述数据采集分析装置包括依次通讯连接的数据采集卡(8)、计算机(9)；所述双波长LD自混合振动测量仪还包括与计算机9通讯连接示波窗口。4.根据权利要求2所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，其特征在于：所述的光路调节装置(3)包括可调透镜，可调透镜安装有准直光学元件，所述准直光学元件镀有宽带增透膜，波长范围为600–1050nm；所述的可调透镜用于将一束包含双波长的激光整形成一束包含双波长的平行光。5.根据权利要求4所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，其特征在于：所述光线密度滤波器(4)为圆形、连续可变的反射型中性密度滤光片，所述反射型中性密度滤光片镀有600–1050nm的增透膜。6.根据权利要求5所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪，其特征在于：双波长LD(2)输出的包含双波长的激光经过光路调节装置(3)、光线密度滤波器(4)后照射到待测目标的同一点。7.应用权利要求6所述的一种分辨率可调的双波长LD自混合振动测量仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：打开驱动电源(1)启动双波长LD(2)，双波长LD(2)的2个半导体激光二极管发射一束包含双波长的激光；旋转光线密度滤波器(4)控制激光自混合处于微弱光反馈水平，开始测试；步骤2：步骤1中包含双波长的激光经光路调节装置(3)、光线密度滤波器(4)照射到微振动的待测目标(5)，经待测目标(5)反射后，包含双波长的反射光经光线密度滤波器(4)、光路调节装置(3)返回至各自半导体激光二极管的谐振腔内，并与各自谐振腔内的光发生自混合干涉；步骤3：双波长LD内部封装的光电二极管将步骤2中半导体激光二极管的谐振管腔内的自混合干涉光信号转变为电信号，电信号经电流-电压转换电路(6)、运算放大器(7)处理后、由数据采集卡(8)同步采集并传送至计算机(9)；步骤4：计算机(9)对步骤3中数据采集卡(8)同步采集的信号利用偶次等效波...

【专利技术属性】
技术研发人员：李栋宇，黄贞，
申请(专利权)人：岭南师范学院，
类型：发明
国别省市：广东,44