一种基于泰曼-格林干涉仪的非接触式激光测速系统

1.本发明涉及激光测速领域，尤其涉及一种基于泰曼-格林干涉仪的非接触式激光测速系统。


背景技术：

2.激光测速就是能通过激光对物体运行速度的测量，利用光学技术确定速度有两种基本原理，一种是基于测量目标物散射粒子的多普勒频移，另一种是飞行时间法，即测量粒子穿越确定空间间隔所用的时间。分别利用多普勒频移和飞行时间确定被测物体的速度。随着科技的发展，传统的测量设备已不能满足现状的需求，已渐渐地被淘汰，而激光测速传感器已被广泛使用，它在很多领域中测量有着重要意义。
3.现有激光多普勒测速仪主要采用的双光束-双散射模式，双光束差动模式的激光多普勒测速系统中要求探测光在待测点严格交叉，导致此类系统对光机稳定性要求极高，在部分严苛环境(水下高压环境、跨界面测量且存在一定界面波动的环境等)使用时，探测光在待测点容易出现不交叉的现象，如测量深海热液的流速时，随着海水压力的增加，压力舱光窗的变形使得双光束在热液速度探测中难以保持交叉，最终会导致测量失败；双光束差动模式的激光多普勒测速系统测量点处干涉条纹的间隔及方向固定，不能随被测物粒子尺寸的变化及被测速度方向的变化进行调整。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可避免探测光在待测点不能交叉的问题，且稳定性好、可实现不同方向和不同尺寸粒子速度测量的基于泰曼-格林干涉仪的非接触式激光测速系统。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种基于泰曼-格林干涉仪的非接触式激光测速系统，包括激光器、扩束器、分束棱镜、一号反射镜、二号反射镜、偏振分束器、四分之一波片、电荷耦合元件、一号光电探测器、一号透镜、二号透镜、三号透镜，在垂直于待测物的光路上距离待测物由近及远依次设置一号透镜、四分之一波片、偏振分束器、分束棱镜、一号反射镜，在分束棱镜下方的光路上距离分束棱镜由近及远依次设置扩束器、激光器，在分束棱镜上方的光路上设置二号反射镜，在偏振分束器下方的光路上距离偏振分束器由近及远依次设置二号透镜、一号光电探测器，在偏振分束器上方的光路上距离偏振分束器由近及远依次设置三号透镜、电荷耦合元件，其中，落在待测物的光斑大小与落在电荷耦合元件上的光斑大小相同。
7.优选的，所述的一号透镜与二号透镜采用相同规格透镜，且一号透镜与待测物之间的距离等于二号透镜与电荷耦合元件之间的距离。
8.优选的，所述的激光器与扩束器之间设有准直器。
9.优选的，还包括四号透镜和探测器阵列，所述四号透镜和探测器阵列距离待测物由近及远依次设置，所述探测器阵列包括至少一个二号光电探测器。
10.本发明的有益效果是：
11.(1)基于泰曼-格林干涉仪的非接触式激光测速系统实现了两出射光的同轴架构，在跨界面测量中，避免了两束光分离的现象，适用于各种严苛环境的测量，适用范围广，且测量稳定性较高。
12.(2)通过调整一号反射镜以及二号反射镜的位置，来改变干涉条纹的方向和间距，从而实现不同方向和不同尺寸粒子速度的测量。
13.(3)通过设置探测器阵列可实现多点同时测速。
附图说明
14.图1为本发明整体结构示意图；
15.图2为速度和信噪比随转速变化的曲线图；
16.图3为频率和速度随转速变化的曲线图；
17.图4为频率和信噪比随条纹数目变化的曲线图；
18.图中，1-激光器，2-准直器，3-扩束器，4-分束棱镜，5-一号反射镜，6-二号反射镜，7-偏振分束器，8-四分之一波片，9-一号透镜，10-待测物，11-二号透镜，12-一号光电探测器，13-三号透镜，14-电荷耦合元件，15-四号透镜，16-二号光电探测器。
具体实施方式
19.下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：
21.一种基于泰曼-格林干涉仪的非接触式激光测速系统，包括激光器1、扩束器3、分束棱镜4、一号反射镜5、二号反射镜6、偏振分束器7、四分之一波片8、电荷耦合元件14、一号光电探测器12、一号透镜、二号透镜11、三号透镜13，在垂直于待测物10的光路上距离待测物10由近及远依次设置一号透镜9、四分之一波片8、偏振分束器7、分束棱镜4、一号反射镜5，在分束棱镜4下方的光路上距离分束棱镜4由近及远依次设置扩束器3、激光器1，在分束棱镜4上方的光路上设置二号反射镜6，在偏振分束器7下方的光路上距离偏振分束器7由近及远依次设置二号透镜11、一号光电探测器12，在偏振分束器7上方的光路上距离偏振分束器7由近及远依次设置三号透镜13、电荷耦合元件14。其中，落在待测物10的光斑大小与落在电荷耦合元件14上的光斑大小相同，保证测量结果的精准性。
22.进一步的，所述的激光器1与扩束器3之间设有准直器2。将激光器1发射的光准直后平行进入扩束器3中。
23.工作时，由激光器1输出线偏光，经准直器2、扩束器3后到达半透半反的分束棱镜4，其中一路经分束棱镜4反射到一号反射镜5，另一路透过分束棱镜4入射到二号反射镜6，两束光分别经一号反射镜5和二号反射镜6反射后在分束棱镜4汇合，并形成干涉光束进入偏振分束器7。大部分干涉光经四分之一波片8后由一号透镜9聚焦于待测物10上，待测物粒子的散射光经过一号透镜9收集后，再经过四分之一波片8后由偏振分束器7反射，经二号透
镜11后聚焦于一号光电探测器12，少部分干涉光经偏振分束器7反射后由三号透镜13收集聚焦于电荷耦合元件14。一号光电探测器12测得频率，电荷耦合元件14测得条纹间距，待测物速度为频率乘以间距。通过调整一号反射镜5以及二号反射镜6的位置来适应不同尺寸以及不同测量方向待测物10的测量。
24.本实施例中，为保证落在待测物10的光斑大小与落在电荷耦合元件14上的光斑大小相同，同时保证操作方便，所述的一号透镜9与二号透镜11采用相同规格透镜，且一号透镜9与待测物10之间的距离等于二号透镜11与电荷耦合元件14之间的距离。
25.为了验证测速方法的可行性,设计并搭建了基于泰曼-格林干涉仪的非接触式激光测速系统。选用转速可调的光学斩波器作为待测物，光斩波器是一种转速稳定、抖动小的精密仪器，以斩波器上的点作为测试点，测量此点的切线方向的速度。条纹方向被调整为垂直于光斩波器表面的线速度，使用电荷耦合元件14观察到的条纹间距为6.4um。条纹数为27。目标物上的散射光由一号透镜9收集，通过四分之一波片8，由偏振分束棱镜7反射，由二号透镜11聚焦到一号光电探测器12。实验旨在测量一号光电探测器12输出信号的频率fd随转速的变化，而由频率fd和条纹间距d得到的速度v如图2所示，每个值是三个重复的平均值。为了比较，理论速度也由旋转直径15.5mm和斩波器显示的旋转速度计算，两者重合较好。图2中还描述了不同速度下的信噪比(snr)，snr随着速度的增加而降低，此结论与双光束差动模式的激光多普勒测速系统基本一致，测量结果精确。
26.进一步的，还包括四号透镜15和探测器阵列，所述四号透镜15和探测器阵列距离待测物10由近及远依次设置，所述探测器阵列包括至少一个二号光电探测器16。传统双光束差动模式测速系统只能测量一个测量点的速度，本方案基础上增加探测器阵列可实现待测物10上多点速度的测量(利用多个二号光电探测器16实现多个点的测量，每个二号光电探测器16可测量一个点，可根据需求设置一定数量的二号光电探测器16，来测量一定数量点的速度)。由二号光电探测器16测得频率，电荷耦合元件14测得条纹间距，待测物速度为频率乘以间距。
27.使用三维微动平台使光斩波器从一号透镜9的焦点靠近或远离一号透镜9。焦点标记为0，靠近透镜9的方向上，位置标记为0.5mm到5.5mm。散射光由四号透镜15收集，四号透镜15斜置于目标后方，二号光电探测器16的光敏面比较大。图3描述了不同位置处频率随速度的变化。随着速度的增加，频率近似线性地增加，该结果与差分激光多普勒系统一致。随着目标靠近焦点，频率增加，原因为离焦点位置越近，目标上的光斑越小。但是条纹的数量在不同的位置不会改变，所以条纹间距变小，且频率fd在相同速度下变得更大。在不同位置得到的速度如图3所示，由频率和条纹间隔决定的速度与旋转速度成正比，不同位置处测的同一速度基本相等。因此，探测器阵列可同时测量不同位置的速度。图4中，斩波器固定在标有0.5mm的位置，转速为100转/分钟。可以通过调整一号反射镜5以及二号反射镜6来改变条纹的数量，随着条纹数量的增加，频率增加，因此我们可以选择合适的条纹数来得到合适的信号频率。不同条纹数目下的信噪比也在图4中画出，随着条纹数的增加，信噪比先增大后减小。对于一定尺寸的颗粒，需要合适的条纹间距以获得更高的信噪比。
28.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本
文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。