一种外差式激光多普勒振动测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种外差式激光多普勒振动测量装置，包括：光前端模块，包括镜头和激光器，用于通过激光器产生激光，并将激光通过镜头发射到外部；子载波插入模块，连接在光前端模块和被测物体之间，包括带有反射镜的超声换能器，用于接收光前端模块经由镜头发射的激光，将激光反射到被测物体，并将被测物体漫反射回来的光再次反射回到镜头；其中，反射镜以预定频率和预定振幅振动，在振动测量光路上引入预定频率和预定振幅的光程变化。本发明专利技术能够提高调制信号的信噪比，在镜头口径和激光输出功率受限的条件下增加测量距离。功率受限的条件下增加测量距离。功率受限的条件下增加测量距离。

【技术实现步骤摘要】
一种外差式激光多普勒振动测量装置


[0001]本专利技术涉及一种振动测量装置，尤其涉及一种外差式激光多普勒振动测量装置，属于光学精密测量


技术介绍

[0002]激光振动测量技术是一种非接触振动测量技术，因其具备精度高、灵敏度高、测量距离远等特点，日益受到各种高精测量领域的青睐，已经广泛应用于机械制造、航空航天、微细加工、建筑等领域。目前，基于激光振动测量的技术主要有：多普勒参考光振动测量技术、散斑法振动测量技术、莫尔条纹法、全息干涉法振动测量技术等。
[0003]其中，多普勒参考光振动测量技术主要利用光外差技术和光学多普勒效应实现，包括外差式振动测量技术和零差式振动测量技术。零差式振动测量技术不需要对参考光进行移频处理，省去了声光移频器件，简化了光学系统。但由于光学系统和电学系统在零中频处存在较大的系统噪声以及干扰，因此零差式振动测量技术的抗干扰能力不如外差式振动测量技术。外差式振动测量技术的工作原理是使进入光电探测器中的相互干涉的两路光信号的载波频率不同，形成干涉后将产生差频信号。为了提高测量系统的抗干扰能力，通常采用声光调制器将信号光预先移到一个较高频率的方式，移频频率通常为40MHz或 55MHz。
[0004]在美国专利申请“Tunable Optical Frequency Converter Basedon a Doppler Vibration Mirror”(US 2014/0327956 A1)中，专利技术人提出了基于多普勒振动反光镜的可调移频模块。该模块采用反光镜和少量的光学器件实现了具有大的频率转换范围、高的变频效率和大的输出功率。但是，该技术方案仅仅涉及光学移频功能，并未考虑振动测量功能。另外，在中国专利申请“一种脉冲激光外差多普勒测振测量结构”(CN 105043527 A)中，专利技术人提出了利用脉冲信号来控制两个声光调制器，并分别利用两个镜头实现激光的反射和接收，以实现远距离的振动测量。但是，该技术方案需要使用两个镜头，具体进行振动测量时对焦难度较大。
[0005]总之，现有外差式激光振动测量装置因为光学器件的端面反射和环形器有限的隔离度，都会在一定程度上存在载波泄漏信号。该载波泄漏信号和测量信号在频谱上是完全重叠的。在远距离测量时，载波泄漏信号对测量信号解调的影响主要有三方面：一是降低测量信号的信噪比，缩短了测量距离；二是在解调信号时引入非线性；三是振动测量装置在本地的振动会调制到载波泄漏信号中，进一步影响测量精度。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种改进设计的外差式激光多普勒振动测量装置。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用下述的技术方案：
[0008]一种外差式激光多普勒振动测量装置，包括：
[0009]光前端模块，包括镜头和激光器，用于通过激光器产生激光，并将所述激光通过所
述镜头发射到外部；
[0010]子载波插入模块，连接在所述光前端模块和被测物体之间，包括带有反射镜的超声换能器，用于接收所述光前端模块经由所述镜头发射的激光，将所述激光反射到所述被测物体，并将所述被测物体漫反射回来的光再次反射回到所述镜头；其中，
[0011]所述反射镜以预定频率和预定振幅振动，在振动测量光路上引入预定频率和预定振幅的光程变化。
[0012]其中较优地，所述超声换能器以预定频率带动所述反射镜一起振动。
[0013]其中较优地，所述子载波插入模块还包括超声信号源；所述超声信号源配置为产生预定频率的电信号，将所述电信号输出到所述超声换能器以便所述超声换能器将所述电信号转换为超声振动。
[0014]其中较优地，所述反射镜和所述超声换能器刚性连接，与所述镜头轴线夹角为45度。
[0015]其中较优地，所述外差式激光多普勒振动测量装置还包括：信号处理模块，与所述光前端模块连接，包括功分器、上边带滤波器、下边带滤波器和合路器；其中，
[0016]所述功分器，用于接收所述光前端模块输出的中频信号，并将所述中频信号进行功率分配得到两路信号，所述两路信号中的一路信号流入所述上边带滤波器，另一路信号流入所述下边带滤波器；
[0017]所述合路器，用于将所述上边带滤波器处理过的信号和所述下边带处理过的信号进行合并，并输入到下级处理模块。
[0018]其中较优地，所述信号处理模块还包括放大器、抗混叠滤波器、模数变换器和FPGA处理器；其中，
[0019]所述放大器，用于对所述光前端模块输出的中频信号进行放大，并将放大后的中频信号输送到所述功分器；
[0020]所述抗混叠滤波器，用于接收所述合路器输出的信号，并将所述输出的信号进行抗混叠滤波；
[0021]所述模数变换器，用于接收所述抗混叠处理后的上下边带信号，并将所述抗混叠处理后的上下边带信号从模拟形式转换为数字形式；
[0022]所述FPGA处理器，用于在数字域对上下边带信号进行解调以获取所述被测物体的振动参数。
[0023]其中较优地，所述光前端模块和所述子载波插入模块在结构上采用吸声或减振材料以避免超声信号被所述光前端模块拾取。
[0024]与现有技术相比较，本专利技术实施例提供的外差式激光多普勒振动测量装置，在光路上增加了子载波插入模块。该模块在振动测量光路上引入特定频率、特定振幅的光程变化。这样的设计能够提高调制信号的信噪比，在镜头口径和激光输出功率受限的条件下增加测量距离。而且，该设计使得测量信号解调的线性度提高，主要原因是没有载波泄漏信号的非线性干扰。并且，测量信号的噪声相对传统系统更加平稳，有利于信号后处理以进一步提升精度。再者，振动测量装置在本地的振动对目标物振动信号的影响减弱，因此不需要采用双光路探测的方式抑制共模干扰信号。
附图说明
[0025]图1为现有技术中，外差式激光振动测量装置的工作原理图；
[0026]图2为现有技术中，载波泄漏信号的示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例提供的外差式激光多普勒振动测量装置的整体结构示意图；
[0028]图4为第一类贝塞尔函数曲线的示意图。
[0029]图5为本专利技术实施例中，载波泄漏信号的示意图。
[0030]图6为本专利技术实施例中，信号处理模块的结构示意图。
具体实施方式
[0031]下面结合附图和具体实施例对本专利技术的
技术实现思路
进行详细具体的说明。
[0032]如图1所示，在现有技术的一个示例中，该外差式激光振动测量装置包括激光器101a、分束器102a、声光调制器(AOM)103a、本振104a、环形器105a、镜头106a、合束器107a、光电探测器108a和解调器109a。其中，激光器101a输出的激光经过分束器102a后分为了两路光信号，一路用于实现参考光，一路用于实现测量光。其中测量光经过声光调制器103a后实现频移。为了实现频移功能，声光调制器需要本振104a提供一个角频率为ω
c
的本振信号。移频后的测量光经过镜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于包括：光前端模块，包括镜头和激光器，用于通过激光器产生激光，并将所述激光通过所述镜头发射到外部；子载波插入模块，连接在所述光前端模块和被测物体之间，包括带有反射镜的超声换能器，用于接收所述光前端模块经由所述镜头发射的激光，将所述激光反射到所述被测物体，并将所述被测物体漫反射回来的光再次反射回到所述镜头；其中，所述反射镜以预定频率和预定振幅振动，在振动测量光路上引入预定频率和预定振幅的光程变化。2.如权利要求1所述的外差式多普勒振动测量装置，其特征在于：所述超声换能器以预定频率带动所述反射镜一起振动。3.如权利要求2所述的外差式多普勒振动测量装置，其特征在于所述子载波插入模块还包括超声信号源；所述超声信号源产生预定频率的电信号，将所述电信号输出到所述超声换能器，以便所述超声换能器将所述电信号转换为超声振动。4.如权利要求2所述的外差式多普勒振动测量装置，其特征在于：所述反射镜和所述超声换能器刚性连接，与所述镜头轴线的夹角为45度。5.如权利要求1～4中任意一项所述的外差式多普勒振动测量装置，其特征在于还包括：信号处理模块，与所述光前端模块连接，包括功分器、上边带滤波器、下边带滤波器和合路器；其中，所述功分器，用于接收所述光前端模块输出的中频信号，并将所述中频信号进行功率分配得到两路信号，所述两路信号中的一路...

【专利技术属性】
技术研发人员：周郭飞，宋大林，覃波，杨宏，张晓娟，赵金平，牛建民，
申请(专利权)人：公安部第一研究所，
类型：发明
国别省市：