一种光学测振方法和装置与流程

本发明涉及光学测量，尤其涉及一种基于激光外差干涉原理的光学测振装置。

背景技术：

1、振动测量是机械工程、航空航天、精密制造等领域的重要检测手段。传统的振动测量方法主要采用接触式加速度传感器，如压电加速度计。但接触式传感器存在附加质量影响、高频响应受限、安装不便等问题，尤其对于轻质结构和高频振动测量，接触式方法难以满足精度要求。

2、激光多普勒测振技术（ldv）是一种非接触式光学测振方法，利用激光的多普勒效应测量物体表面的振动速度和位移。现有的激光测振仪通常采用分立光学元件搭建干涉光路，体积较大、结构松散，光学元件的对准和稳定性容易受到环境振动和温度变化的影响。例如，德国polytec公司生产的激光测振仪虽然测量精度较高，但设备体积大、价格昂贵，不适合现场在线监测应用。

3、中国实用新型专利cn203929213u公开了一种多点式激光多普勒测振系统，采用声光调制器实现多光束频分复用，但其光学结构仍然采用传统的分立元件搭建方式，整体结构不够紧凑，抗干扰能力有限。中国发明专利申请cn108955857a公开了一种基于光纤的外差干涉光路结构和激光测振仪，通过光纤耦合器实现光路互联，但缺少温度补偿和自校准功能，长时间使用时测量稳定性受到影响。

4、此外，现有光学测振装置的探针头通常为固定结构，无法根据不同测量距离进行焦距调节，也缺少内置自校准功能，在实际使用中需要外接校准设备，操作不便。因此，亟需一种结构紧凑、测量精度高、具备温度补偿和自校准能力的光学测振装置。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构紧凑、测量精度高、环境适应性强且具备自校准功能的光学测振装置。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种光学测振装置：包括密封壳体、设置在所述密封壳体内的激光光源模块、与所述激光光源模块光路连接的偏振分光组件、设置在测量光束光路上的声光移频器、设置在参考光束光路上的参考反射镜、可拆卸探针头、双通道平衡光电探测器、信号处理模块和隔振底座。

3、所述可拆卸探针头包括探针外壳、设置在探针外壳内的可调焦透镜组、出射窗口和可更换适配器。探针外壳通过螺纹连接与密封壳体可拆卸连接，可根据不同测量需求更换适配器，适配器包括短距透镜组、中距透镜组和长距透镜组。

4、所述双通道平衡光电探测器采用两个相同型号的pin光电二极管接收干涉光信号，通过差分放大器输出差分信号，有效抑制共模噪声，提高信噪比。

5、所述装置还包括自校准振动源，由压电陶瓷元件、质量块、参考反射面、驱动信号源和弹性支撑件组成，可产生已知频率和幅值的标准振动，用于装置的定期自校准。

6、所述隔振底座由安装板、弹簧隔振器、阻尼器、底板和橡胶垫组成，有效隔离外部环境振动对测量精度的影响。

7、所述装置还包括温度补偿双法布里-珀罗参考腔，包括殷钢间隔件构成的测量参考腔和熔石英间隔件构成的补偿参考腔，利用两种材料热膨胀系数的差异实现温度漂移补偿。

8、有益效果

9、采用本发明装置，与现有技术相比，具有以下有益效果：

10、1. 结构紧凑：将激光光源、干涉光路、光电检测和信号处理全部集成在密封壳体内，光学元件固定可靠，整体结构紧凑，便于现场使用。

11、2. 测量精度高：采用双通道平衡光电探测技术，通过差分放大有效抑制共模噪声；声光移频器引入稳定的外差频移，实现高精度振动速度和位移测量。

12、3. 环境适应性强：隔振底座有效隔离环境振动，温度补偿双法布里-珀罗参考腔消除温度漂移影响，密封壳体防尘防潮，适用于工业现场等复杂环境。

13、4. 操作便捷：可拆卸探针头支持不同测量距离，可更换适配器满足多种应用场景；内置自校准振动源无需外接校准设备即可完成校准。

14、5. 维护方便：探针头通过螺纹可拆卸连接，损坏时可单独更换；模块化设计便于各部件的维修和更换。

1.一种光学测振装置，其特征在于，包括： 密封壳体(1)； 设置在所述密封壳体(1)内的激光光源模块(2)，用于发出相干激光束； 与所述激光光源模块(2)光路连接的偏振分光组件(4)，用于将所述激光束分为测量光束和参考光束； 设置在所述测量光束光路上的声光移频器(5)，用于对所述测量光束引入已知频移； 设置在所述参考光束光路上的参考反射镜(6)； 设置在所述测量光束出射方向上的可拆卸探针头(9)，所述可拆卸探针头(9)包括探针外壳(91)、设置在所述探针外壳(91)内的可调焦透镜组，以及设置在所述探针外壳(91)出射端的出射窗口(97)，所述探针外壳(91)通过螺纹连接(98)与所述密封壳体(1)可拆卸连接； 双通道平衡光电探测器(7)，用于接收所述测量光束经待测面反射后与所述参考光束干涉形成的干涉光信号，并输出差分电信号； 与所述双通道平衡光电探测器(7)电连接的信号处理模块(8)，用于对所述差分电信号进行解调处理以获得振动信息； 以及隔振底座(11)，所述隔振底座(11)设置在所述密封壳体(1)的底部。

2.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，所述双通道平衡光电探测器(7)包括： 50/50分光镜，用于将所述干涉光信号分为两束功率相等的光信号； 第一光电探测器(71)和第二光电探测器(72)，分别接收所述两束光信号，且所述第一光电探测器(71)和第二光电探测器(72)为相同型号的pin光电二极管； 差分放大器(73)，其两个输入端分别与所述第一光电探测器(71)和第二光电探测器(72)的输出端连接，用于输出差分信号以抑制共模噪声。

3.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，所述可调焦透镜组包括沿光路依次设置的准直透镜(93)、第一聚焦透镜(94)和第二聚焦透镜(95)，所述第一聚焦透镜(94)通过调焦环(96)可沿光轴方向移动，以调节测量光束的聚焦位置；所述可拆卸探针头(9)还包括可更换适配器(99)，所述可更换适配器(99)设置在所述出射窗口(97)的外侧，包括短距透镜组、中距透镜组和长距透镜组中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，还包括设置在所述密封壳体(1)内的自校准振动源(10)，所述自校准振动源(10)包括： 压电陶瓷元件(101)； 固定在所述压电陶瓷元件(101)上端的质量块(102)； 设置在所述质量块(102)上表面的参考反射面(103)； 与所述压电陶瓷元件(101)电连接的驱动信号源(104)，用于输出已知频率和幅值的驱动信号使所述压电陶瓷元件(101)产生标准振动； 弹性支撑件(105)，用于支撑所述压电陶瓷元件(101)并与所述密封壳体(1)连接。

5.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，所述隔振底座(11)包括： 与所述密封壳体(1)底部连接的安装板(111)； 设置在所述安装板(111)下方的至少两个弹簧隔振器(112)； 设置在所述安装板(111)下方且位于所述弹簧隔振器(112)之间的阻尼器(113)；与所述弹簧隔振器(112)和阻尼器(113)下端连接的底板(114)； 设置在所述安装板(111)与所述密封壳体(1)之间的橡胶垫。

6.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，还包括温度补偿双法布里-珀罗参考腔，所述双法布里-珀罗参考腔包括： 参考腔壳体(62)； 设置在所述参考腔壳体(62)内的测量参考腔(63)，所述测量参考腔(63)由第一反射镜(m1)和第二反射镜(m2)以及连接所述第一反射镜(m1)和第二反射镜(m2)的殷钢间隔件(64)构成； 设置在所述参考腔壳体(62)内的补偿参考腔(65)，所述补偿参考腔(65)由第三反射镜(m3)和第四反射镜(m4)以及连接所述第三反射镜(m3)和第四反射镜(m4)的熔石英间隔件(66)构成； 所述殷钢间隔件(64)的热膨胀系数与所述熔石英间隔件(66)的热膨胀系数不同，用于通过比较所述测量参考腔(63)和补偿参考腔(65)的腔长变化来补偿温度漂移。

7.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，所述激光光源模块(2)包括激光器(21)和光纤耦合输出器，所述激光器(21)发出的激光经所述光纤耦合输出器耦合进入单模保偏光纤；所述偏振分光组件(4)为偏振分光镜(23)，所述测量光束经所述偏振分光镜(23)透射后依次通过声光移频器(24)和四分之一波片(25)到达所述可拆卸探针头(9)中的聚焦透镜(26)。

8.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，所述密封壳体(1)包括上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体通过密封条连接，所述密封壳体(1)上设有光纤接口、电信号接口和探针头安装孔，所述光纤接口和电信号接口处设有密封接头，所述探针头安装孔内壁设有与所述螺纹连接(98)匹配的内螺纹。

9.根据权利要求1所述的光学测振装置，其特征在于，所述信号处理模块(8)包括： 模数转换器，用于将所述差分电信号转换为数字信号； 与所述模数转换器连接的数字混频器，用于将所述数字信号与本地振荡信号混频； 与所述数字混频器连接的低通滤波器，用于提取基带信号； 与所述低通滤波器连接的现场可编程门阵列处理器，用于计算振动位移和振动速度。

10.一种光学测振系统，其特征在于，包括： 如权利要求1-9中任一项所述的光学测振装置； 以及与所述光学测振装置通信连接的上位机，所述上位机用于接收所述信号处理模块(8)输出的振动信息并进行显示和存储。