本发明专利技术提供了一种基于参考光型光路的激光多普勒面振动测量装置，属于精密测量技术中的激光外差干涉法领域。外差干涉光路系统包括频率调制系统、图像采集装置及光束发射和接收装置；频率调制系统中加入两台声光调制器对两束光分别进行调制，图像采集系统采用高速相机结合大容量高速存储装置的方式来实现图像信号的采集及存储，光束的发射部分由激光器、分光棱镜、频移装置以及准直扩束透镜等元件构成，而光的接收装置主要由合光棱镜、汇聚透镜或成像透镜、光电探测器及信号处理单元组成。本发明专利技术以面阵探测器各像素点作为点探测器，通过解决照明和记录方式改变所带来的噪声干扰、照明光功率提升及采样率下降等问题，来实现了各像素点时序信号的同步获取和振动信号的同步解调，克服了扫描方法难以实现局部瞬态信号测量以及多点方法测量点数量有限的问题。测量以及多点方法测量点数量有限的问题。测量以及多点方法测量点数量有限的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于参考光型光路的激光多普勒面振动测量装置
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[0001]本专利技术提供了一种基于参考光型光路的激光多普勒面振动测量装置，属于精密测量技术中的激光外差干涉法领域，其光路系统具有高空间分辨率和同步测量能力，可用于实现面振动测量。
技术介绍
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[0002]振动在自然界中是一种比较普遍的运动形式，广泛的存在于我们日常的生产和生活中，在实际的工程实践中，机械结构的振动特性参数则可以作为反映其动态特性的重要参数，能够为机械结构的特征分析提供丰富的状态信息，特别是对于精密仪器仪表和设备中的各种关键结构件，其振动特性参数已经成为指导结构设计和优化、性能评估、损伤检测及寿命预估的重要参数。目前，在工程实践中，激光多普勒技术已经被大量应用于结构的振动特性分析，其高精度、快速的振动解调方式使其在结构振动特性分析尤其是精密机械结构的振动检测方面具有很强的优势，非常适用于高精密工业零件的面振动检测。
[0003]激光多普勒技术作为一种非接触测量方式，通常采用光学干涉方法，通过测量干涉光频率差的方式来获取多普勒频移，进而实现加速度、速度和位移信号的测量。目前已有大量的商用激光多普勒测振仪问世，但受限于测量原理，单台激光多普勒测振仪一次测量只能实现点振动信号的实时分析，所以目前主要采用扫描式和多点同步的测量方法来实现面振动信号的测量，但是还难以完全满足工程实际的需求。若采用平面波代替点光束照明、面阵探测器代替点探测器进行信号采集，并将面阵探测器各像素点看做的点探测器对采集的时序信号进行解调，理论上可以实现面振动信号的同步测量，但平面波照明带来的散斑噪声以及面阵探测器更高的底噪会对振动信号解调产生影响，降低解调精度，因此受到测量系统设计方面的影响，在面型振动测量方面受到了限制，尤其是在多点同步测量方法的研究方面，所以需要在光路系统搭建等方面上做出优化设计来满足面型振动测量要求。
技术实现思路
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[0004]本专利技术的目的是提供一种基于参考光型光路的激光多普勒面振动测量装置，在光路系统上进行了独特设计，以解决现有激光多普勒技术中多点同步测量方法的不足。采用平面波和面阵探测器进行照明和干涉信号记录，通过外差光路系统设计，来给出一种激光多普勒面振动测量装置，以应用在精密机械结构的性能分析、损伤检测等。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种基于参考光型光路的激光多普勒面振动测量装置，包括频率调制系统、图像采集装置及光束发射和接收装置；频率调制系统中加入两台声光调制器对两束光分别进行调制，图像采集系统采用高速相机结合大容量高速存储装置的方式来实现图像信号的采集及存储，光束的发射部分由激光器、分光棱镜、频移装置以及准直扩束透镜等元件构成，而光的接收装置主要由合光棱镜、汇聚透镜或成像透镜、光电探测器及信号处理单元组成。具体包括：
[0007](1)频率调制系统：
[0008]所述装置采用的入射光为激光，声波的功率和频率稳定，衍射光具有固定的强度和频移量，从而进行激光的频率调制。本专利技术采用的是两台声光调制器对两束光分别进行调制，通过改变调制频率大小实现了从0到40MHz范围内频差的连续可调。
[0009](2)图像采集系统：
[0010]图像采集系统主要包括图像传感器、图像传输及存储装置。本专利技术采用高速相机结合大容量高速存储装置的方式来实现图像信号的采集，以实现图像传感器的采样率满足振动检测要求，且在高速图像采集条件下实现对干涉图像的稳定、实时传输和存储。
[0011]所述高速图像传感器分辨率为1280
×
1024，像素尺寸为14μm，全画幅尺寸下的最大采样率为506FPS，具有画幅区域选取功能(ROI)，能够根据目标在传感器上的成像位置和大小设置图像采集区域及分辨率。以80
×
40分辨率为例，采样率可以达到40kFPS，由近似条件，此时的振动速度最大测量范围达到510μm/s。其中设置ROI目的是可以减少冗余数据的采集，降低数据量，另一方面在较小的画幅尺寸下能够获得更高的采样率。
[0012](3)光路结构：
[0013]激光器出射的光束首先经由半波片和偏振分光棱镜组成的分光组件分为两束，两束光分别作为物光和参考光。光路中包含两个声光调制器对物光和参考光进行频率调制，分别为AOM1，AOM2。半波片用于调整线偏光的偏振方向，使分光后的两束光的光强比连续可调，以适用于不同反射率表面的测量。其中一束光经反射镜M1反射后，入射到声光调制器AOM1中进行频率调制，透射光经光阑后只保留+1级衍射光，再经空间滤波器及准直透镜滤波、扩束和准直后形成平面波，作为照明光。另外两个反射镜M2和M3用于调整照明光的方向，使照明光斑可以完全覆盖被测目标。
[0014]受振动物体调制的散射光经透镜L1和合光棱镜后，成像到高速CMOS相机光敏面，作为物光。另一束光经过半波片后也由声光调制器AOM2进行频率调制，获得的+1级衍射光经另一准直透镜滤波、扩束并准直，再由反射镜M4、M5和M6调整传播方向，最后通过匹配透镜L2汇聚，形成参考光后传播到CMOS相机光面处于物光束发生干涉。干涉图像由高速相机记录并存储到DVR中，再由PC机完成振动信号的解调。
[0015]所述半波片用于调整参考光偏振方向，使参考光与物光的偏振方向尽可能一致，引入匹配透镜L2用于调整参考光的曲率，使参考光与物光的曲率尽可能一致，这两部分调整的作用均为提高干涉条纹的对比度，使获得的混频信号具有更高的信噪比。
[0016]所述的激光光源为单纵模固态激光器，工作波长532nm，最大输出功率250mW，相干长度大于50m。
[0017]所述成像透镜L1采用了通光孔经为50mm，焦距为100mm的双胶合透镜，像距即系统的工作距离为110mm。
[0018]所述的光路系统整体基于结构紧凑、稳定性好的笼式系统进行搭建，各光学元器件具有相同的尺寸规格，以使光路系统变得更加紧凑从而提高便携性，不同光学元器件之间通过4根刚性直杆连接，以实现共轴安装及调试，也有利于提高系统整体的稳定性。
[0019]其特征在于：
[0020]第一、在频率调制方法设计上采用双声光调制器的方式进行频率调制，即两台声光调制器对两束光分别进行调制，通过改变调制频率大小来实现从0到40MHz范围内频差的
连续可调。其中被调制的两束光分别为物光和参考光。
[0021]第二、图像采集系统使用图像传感器、图像传输及存储装置。其中采用高速相机结合大容量高速存储装置的方式来实现图像信号的采集，以及在高速图像采集条件下实现对干涉图像的稳定、实时传输和存储。
[0022]第三、所述测量装置光路结构设计上，是基于参考光型光路结构来对激光多普勒面振动测量方法的光路系统进行设计和搭建。其中光路系统主要由两部分构成，一部分是光束的发射部分，由激光器、分光棱镜、频移装置以及准直扩束透镜等元件构成；另一部分是光的接收装置，主要由合光棱镜、汇聚透镜或成像透镜、光电探测器及信号处理单元组本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于参考光型光路的激光多普勒面振动测量装置，其特征在于：频率调制系统中加入两台声光调制器对激光分别进行调制，图像采集系统采用高速相机结合大容量高速存储装置的方式来实现图像信号的采集及存储，光束的发射部分由激光器、分光棱镜、频移装置以及准直扩束透镜等元件构成，而光的接收装置主要由合光棱镜、汇聚透镜或成像透镜、光电探测器及信号处理单元组成。2.根据权利要求1所述的基于参考光型光路的激光多普勒面振动测量装置，其特征在于激光器出射的光束首先经由半波片和偏振分光棱镜组成的分光组件分为两束，两束光分别作为物光和参考光。其中一束光经反射镜反射后，入射到声光调制器中进行频率调制，透射光经光阑后只保留+1级衍射光，作为照明光。另外用反射镜来调整照明光的方向，使照明光斑可以完全覆盖被测目标。受振动物体调制的散射光经透镜和合光棱镜后，成像到高速CMOS相机光敏面，作为物光。另一束光经过半波片后也由声光调制器进行频率调制，获得的+1级衍射光，再由反射镜调整传播方向，最后通过匹配透镜汇聚，形成参考光后传播到CMOS相机光面处于物光束发生干涉。3.根据权利要求2所述的调制方法，其特征在于加入了半波片...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘锋，肖文，邓鹏，柳希瑜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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