专利名称：半导体激光自混合干涉测振仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及振动精密测量仪器，准确地说是一种半导体激光自混合干涉测 振仪。
背景技术：
测振仪系统常应用于航天航空，汽车，机械电子产品振动测量。测振仪主 要有两大类型接触式压电传感测振仪和非接触式光学传感测振仪。
接触式压电传感测振仪其主要原理是压电效应，石英晶体和人工极化陶瓷 (PZT)把振动信号转换成电信号，通过对电信号的处理分析，显示出振动的 加速度、速度、位移值。如北京时代TV110测振仪，测量范围位移，0.001 1.999mm (峰一峰值)，频率范围位移，10Hz 500Hz。接触式测振仪的缺点 是测量对象范围有限，无法测量测振仪接触不到的振动物体。'
非接触的光学传感测振仪主要原理是多普勒干涉、系统利用激光多普勒效 应把振动信号转换成多普勒频率信号。通过对多普勒频率信号的处理分析，显 示出振动的加速度、速度、位移值。例如，美国MetroLaser公司的VibroMet500V 测振仪，振动频率范围为OHz- 20 kHz，振动幅度范围为0. 1 nm - 10 mm。多 普勒测振仪的缺点是光路中需要许多光学元器件，结构复杂，体积较大。
已有方法的缺点是难以做出体积小、结构紧凑、价格低、精度高、可以非 接触测量的测振仪。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量振动信息的半导体激光自混合干涉测振仪， 利用光反馈效应产生的激光自混合干涉测量物体振动。 发明原理
3激光自混合干涉是指在激光应用系统中，激光器输出的光被外部物体反射 或散射后，其中一部分光由反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带外部物体振动 的信息，与激光腔内的光相混合后，发生干涉现象，因输出的光信号与传统的 双光東干涉有相似之处，故被称之为自混合干涉。
三角波电流源驱动半导体激光器，当注入电流被三角波调制时，半导体激 光器的输出光强是光反馈产生的共振与调制产生的强度迭加。.去掉线性调制分 量，就获得周期性的光反馈共振信号。光反馈共振信号随外部腔长变化，乾镜5 移动半个波长(人/2)时，光反馈共振信号会产生明显突变，光电探测器得到的 三角波信号上升沿和下降沿的突变信号数目会有差别。用徼分方法得到上升沿 和下降沿的自混合模跳信号，然后将每个调制周期内的下降沿的模跳信号数目 减去上升沿的模跳信号数目，最后把多个三角波周期的差值做累加处理，再乘 以固定系数就可以恢复出振动波形，从而得到振动的频率、振幅。差值的正负 极性表示物体的运动方向。
基于上述发明原理，本发明半导体激光自混合测振仪，包括光学系统和电
学系统；
所述光学系统，由同光轴地依次设置的光电探测器、半导体激光器、准直 透镜和靶镜构成；
所述电学系统由信号源电路、信号预处理电路，A/D转换电路(模数转换电 路)，DSP数据处理单元和输出终端构成；
所述信号源电路，由三角波信号源和电流调制电路构成； 三角波信号源产生三角波信号，经过电流调制电路后对半导体激光器进行 电流调制；半导体激光器发出的激光经过准直透镜后变为平行光，该平行光入 射到靶镜上，部分光返回激光腔内，反馈光携带外部物体的信息，与激光腔内 的光相混合后，发生干涉现象，称为自混合光；自混合光强由光电探测器检测 出且转换为对应的电流信号，经过信号预处理电路(解调电路)首先转换为电压信号，再微分为以方波为基波，叠加突变的信号；该信号经过A/D转换电路转 换为数字信号，最后由DSP数据处理单元(数字信号处理电路)处理，由输出终 端输出结果。
本发明不需要传统激光干涉仪的分東器和参考镜等辅助光学元件，装置易
准直，结构简单紧凑，成本低廉。
图l是本发明半导体激光自混合测振仪光学系统示意图2是本发明半导体激光自混合测振仪电学系统框图； 图3是本发明DSP数据处理单元框图4是本发明DSP数据处理软件框图；其中，a图是采集处理软件流程图； b图是中断处理流程框图5是信号预处理电路电路图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
实施例
本实施例釆用正弦波电压做为驱动，为了方便定标和验证测量结果，被测 物体为扬声器。
半导体激光器1选用美国TH0RLABS公司GH06510B2A021 (波长654nm，功 率10mw)型号激光器，光电探测器2采用集成于半导体激光器内的光电二极管。 采用硅片作为靶镜(反射镜)8，目的是为了控制返回光的光强，使得反射光为 弱光反馈。电流调制电路釆用以运放为核心的加法电路，用于叠加直流和交流 电流信号。如图5所示，信号预处理电路模块由三部分组成，第一部分为用于 电流-电压转换的电阻；第二部分为运算放大电路，目的是对电流-电压转换得 到的电压进行放大处理；第三部分为由运放、电阻、电容组成的有源徽分电路。 A/D转换芯片(A/D转换电路)采用ADS8364 。 DSP数据处理单元采用 TMS320LF2407A。结合图1说明利用光学系统产生自混合干涉，进行测量振动的具体实施方 法。本发明装置中同光轴地依次置有半导体激光器1、准直透镜3、靶镜8。光
电探测器2使用封装在半导体激光器管壳内的光电二极管。半导体激光器安装 在准直管7中。准直透镜3使用一个非球面的校准透镜。靶镜和被测物体4相 连，随物体沿光轴轴线移动。
在调试干涉仪器时，先根据半导体激光器的阈值电流和功率等参数调整驱 动电流中的偏置电流，使半导体激光器发出激光， 一般偏置电流调节在阔值电 流的1.5倍。透镜3将激光器发出的椭圆光東变换成圆光東，调节透镜3的焦 距并使出射光東成准直平行光。调整驱动电流中的调整调制电流的大小调制电 流调节在阈值电流的0.1倍。当激光器出光后调节光路，使得激光经靶镜的靶 面后返回激光腔内，以保证能发生自混合干涉。调节光路使得反馈光强约为入 射光强的5。/。，获得周期性的激光自混合干涉信号。
结合图2说明激光自混合测振仪的硬件电路调节。三角波信号源9产生三 角波信号，经过电流调制电路10的叠加形成直流叠加交流的调制电流。该调制 电流输入半导体激光器。光电探测器2将接收到的自混合光光强转换为电流信 号，经过信号预处理电路ll将电流信号转换成电压信号，并且放大电压信号， 最后对该电压信号进行徼分处理。微分得到的电压信号经过A/D转换电路12进 行模数转换，经DSP数据处理单元13处理后得到振动信号。振动信号最终输出 到输出终端14。
结合图4a，说明用DSP (数字信号处理电路)采集和处理信号的步骤。系 统上电后首先调用系统初试化程序，接着调用GPIO (通用并行10 口)初始化程 序，完成ADS8364控制信号功能定义及初始电平输出；接下来调用ADS8364的 复位程序。下一步调用ADS8364时钟信号产生程序。然后调用定时器初始化程 序并启动定时器，使定时器3周期中断，令程序每10us进一次中断程序，等待 ADS8364准备好(ADS8364准备好状态量ADCREADY初始值为1)，启动AD转换并 令ADCREADY二O。启动A/D转换10us后进入中断，在中断程序中读取转换结果并保存，当保存的数据个数达到2048时，开始进行数据处理。否则，继续采样。 数据处理结東后，最后改变ADS8364准备好状态量(ADCREADY=1)并返回，此 时采样频率为IOOKHZ。采样频率可以根据需要灵活设置。如此循环往复，完成 数据的釆集。
结合图4b，说明中断处理程序。当数据采集的个数等于2048时，开始进行 平滑处理，去除突变的噪声。然后，把处理过的数据差分。差分以后的模跳信 号叠加在方波信号上。根据数据的正负极性确定模跳信号处在上升沿还是下降 沿。接着，采取阈值判断方法检测出每个调制周期内上升沿的模跳个数。采用 同样的处理方法检测出同一个调制周期内下降沿的模跳个数。最后，把检测出 来的模跳数进行求差累加，并去除误差，重构出波形，得到振动信息。
权利要求
1、一种半导体激光自混合干涉测振仪，包括光学系统和电学系统；所述光学系统，由同光轴地依次设置的光电探测器、半导体激光器、准直透镜和靶镜构成；所述电学系统由信号源电路、信号预处理电路，A/D转换电路，DSP数据处理单元和输出终端构成；所述信号源电路，由三角波信号源和电流调制电路构成；三角波信号源产生三角波信号，经过电流调制电路后对半导体激光器进行电流调制；半导体激光器发出的激光经过准直透镜后变为平行光，该平行光入射到靶镜上，部分光返回激光腔内，反馈光携带外部物体的信息，与激光腔内的光相混合后，发生干涉现象，为自混合光；自混合光强由光电探测器检测出且转换为对应的电流信号，经过信号预处理电路首先转换为电压信号，再微分为以方波为基波，叠加突变的信号；该信号经过A/D转换电路转换为数字信号，最后由DSP数据处理单元处理，由输出终端输出结果。
全文摘要
本发明公开了一种半导体激光自混合干涉测振仪，包括光学系统和电学系统；光学系统由同光轴地依次设置的光电探测器、半导体激光器、准直透镜和靶镜构成；电学系统由信号源电路、信号预处理电路，A/D转换电路，DSP数据处理单元和输出终端构成；三角波信号源产生三角波信号，经过电流调制电路后对半导体激光器进行电流调制；半导体激光器发出的激光经过准直透镜后变为平行光，入射到靶镜上，部分光返回激光腔内，与激光腔内的光产生自混合；自混合光强由光电探测器检测出且转换为对应的电流信号，经过信号预处理电路首先转换为电压信号，再微分为以方波为基波，叠加突变的信号；该信号转换为数字信号，最后由DSP数据处理单元处理，由输出终端输出。
文档编号G01H9/00GK101539454SQ20091003009
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者岳邦强, 张小元, 鸣 王 申请人:南京师范大学