【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及位置监测和振动监测，更具体的，涉及一种基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统、以及该系统的使用方法。
技术介绍
1、在位置监测和振动监测领域，高精度物体位移和振动测量对于许多应用至关重要。这些应用包括工业生产、结构健康监测、科学研究等。为了实现精确的位移和振动测量，研究人员和工程师已经开发了各种技术和设备。
2、目前较常使用的方法包括：机械测量法、激光测量法。
3、其中，机械测量法就是使用传统的机械传感器来测量位移/振动，但是机械传感器受到机械磨损和寿命的限制，而且机械传感器可能会对被测对象造成影响，尤其是在高精度和非侵入性要求较高的应用中。
4、激光测量法则包括：激光干涉测量法、激光回波法、激光三角测量法。
5、激光干涉测量法基于光学干涉和多普勒频移效应。其核心是一台高精度激光干涉仪和一台信号处理器。高精度激光干涉仪内的激光器发出的偏振光由分光棱镜分出两路，一路测量光，测量光被聚焦到被测物体表面，物体振动引起测量光的频移，系统收集反射光并与参考光汇聚在传感器上，这样两束光在传感器表面产生干涉，干涉信号的频率携带了被测物体的振动信息，信号处理器将多普勒频移信号转换为物体振动的速度和位移信号。然而，这种基于光学干涉的激光测量方法需要两束光的干涉来完成，因此通常需要精密的光学布局，这包括对光束的精确定位、对齐和调整，从而增加了系统搭建和维护的复杂性。为了实现精确的干涉效果，两束光的光路必须非常精确地匹配和对齐。即使微小的误差也可能导致干涉效果的损失，从而影响测量的准确性
6、激光脉冲法的核心原理是对探测物体打一束时间极短的激光，通过直接测量激光发射、打到探测物体再返回到探测器的飞行时间，来反推探测器到被测物的距离。这种测距方法类似于传统的微波雷达测距，返回的时延对应的路程是两倍的目标距离。然而，激光回波分析法适合长距离检测，但测量精度相对较低。
7、激光三角测量法的原理是通过镜头将可见激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的ccd线性相机接收，根据不同的距离，ccd线性相机可以在不同的角度下接受反射光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。激光三角测量法的结构相比激光干涉测量法简单，但是该方法需要一个接收透镜和一个发射透镜才能完成测量，透镜的物理尺寸可能会限制探头的整体尺寸，尤其是在需要保持透镜的光学性能的情况下。
8、总的来说，机械测量法操作不便，激光测量法存在测量精度易受限、结构较为复杂等问题。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对现有的激光测量法存在测量精度易受限的问题，提供了基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统、方法。
2、本专利技术采用以下技术方案实现：
3、第一方面，本专利技术公开了基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，包括：焦场发生单元、测量单元、计算单元。
4、焦场发生单元用于生成空间结构垂直焦场。焦场发生单元包括：光束发生器、能量调节模块、光束传输模块、空间光调制器、聚焦器。光束发生器用于发射出射激光；能量调节模块用于对出射激光进行能量调控，形成调控激光；光束传输模块用于对调控激光进行传输调整，形成入射光束；空间光调制器用于根据柱面波全息图将入射光束调制成柱面波光束；聚焦器用于对柱面波光束进行聚焦，并控制f≠d，产生空间结构垂直焦场；其中，柱面波全息图为叠加了柱透镜相位和闪光栅相位的全息图；f表示柱面波光束的聚焦距离，d表示空间光调制器到柱面波光束聚焦点的距离。
5、测量单元用于测量反射光束形成的光斑。反射光束由空间结构垂直焦场垂直入射到待测物体发生反射产生。
6、计算单元用于依据光斑的参数计算出待测物体所处的z轴坐标、振动频率。
7、该种基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统实现根据本公开的实施例的方法或过程。
8、第二方面，本专利技术公开了基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量方法，应用在第一方面公开的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，包括以下步骤：
9、步骤一，控制焦场发生单元生成空间结构垂直焦场；
10、步骤二，将空间结构垂直焦场对待测物体进行垂直入射，并控制测量单元测量反射光束形成的光斑；
11、步骤三，依据光斑的参数计算出待测物体所处的z轴坐标、振动频率。
12、该种基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量方法实现根据本公开的实施例的方法或过程。
13、与现有技术相比，本专利技术具备如下有益效果：
14、1，本专利技术利用空间结构垂直焦场所形成的光斑参数在不同聚焦位置处不同、会随着被测物体振动变化的特性，提出了基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统、方法，给高精度位移和振动测量带来了新的解决方案，具有广泛应用前景。
15、2，本专利技术采用ccd相机进行图像捕获，方便对光斑进行宽度信息分析，可实现高精度和实时性的位置与振动测量；整个系统布局相对简洁，仅需要单光束、单探测镜，可以实现更紧凑的设计；此外，本专利技术的空间结构垂直焦场可调，可以适应不同范围的位置测量。
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1.基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，所述计算单元获取光斑的横、纵宽度，并依据预先标定的宽度与坐标对应关系，换算出待测物体所处的Z轴坐标；
3.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，当空间光调制器为透射型、聚焦器位于空间光调制器的X方向时，若柱透镜聚焦方向与Y轴平行，所述柱透镜相位为所述闪光栅相位为若柱透镜聚焦方向与X轴平行，所述柱透镜相位为所述闪光栅相位为
4.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，当空间光调制器为反射型、聚焦器位于空间光调制器的X方向时，若柱透镜聚焦方向与Y轴平行，所述柱透镜相位为所述闪光栅相位为若柱透镜聚焦方向与X轴平行，所述柱透镜相位为所述闪光栅相位为
5.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，所述光束发生器为连续激光器或脉冲激光器。
6.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与
7.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，所述光束传输模块包括：
8.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，所述聚焦器包括：二向色镜、探测镜；
9.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，所述测量单元包括：成像透镜、CCD相机；
10.基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量方法，其特征在于，应用在如权利要求1-9中任一所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统；
...【技术特征摘要】
1.基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，所述计算单元获取光斑的横、纵宽度，并依据预先标定的宽度与坐标对应关系，换算出待测物体所处的z轴坐标；
3.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，当空间光调制器为透射型、聚焦器位于空间光调制器的x方向时，若柱透镜聚焦方向与y轴平行，所述柱透镜相位为所述闪光栅相位为若柱透镜聚焦方向与x轴平行，所述柱透镜相位为所述闪光栅相位为
4.根据权利要求1所述的基于空间结构垂直焦场的位置与振动测量系统，其特征在于，当空间光调制器为反射型、聚焦器位于空间光调制器的x方向时，若柱透镜聚焦方向与y轴平行，所述柱透镜相位为所述闪光栅相位为若柱透镜聚焦方向与x轴平行，所述柱透镜相位为所...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘登，张晶晶，郑媛媛，许兵，蒯雁，李思琪，于琦，王治强，甄胜来，吴东，俞本立，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：
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