一种多维激光测振仪及其测量方法
【专利摘要】本发明提供一种多维激光测振仪及其测量方法，一种多维激光测振仪至少包括两组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个光束聚焦系统，所述每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点；所述各激光测振组件的激光器出射的激光由光束聚焦系统聚焦到振动物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉，激光测振组件内部设置的探测器探测干涉信号，解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量。通过振动投影分量根据适当的矢量关系求解出振动物体沿正交坐标轴的多维振动分量信息。所述多维激光测振仪能够实现多维振动信息测量，较之单组件测量信息更为丰富。
【专利说明】一种多维激光测振仪及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光精密测量领域，涉及一种激光测振仪，特别涉及一种多维激光测 振仪及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 振动存在于生活、工业生产、科学研究的各个领域，对于振动的测量有着极大的需 求。特别是振动的非接触式测量，不会影响振动的原有状态，测量结果更为准确可靠，^ 振动测量的发展方向。目前，较为成熟非接触式振动测量技术为激光多普勒技术，一般采 用外差式结构，需要激光光源，声光移频器，光电探测器，分束器、合束器等。详见专利CN 203102703 U《一种新型激光外差千涉实验仪》。
[0003] 近年来，激光自混合测振技术开始崭露头角。相关综述介绍详见1997年马军山发 表于《宇航测量技术》的文章《激光自混合干涉测量技术综述》。激光自混合技术结构极为 简单，激光器出射光束由透镜聚焦于物体，散射光回到激光器内部，将引起激光输出功率的 相应变化，光电探测器探测激光输出功率的变化信号，经过一定解调算法则可以获取被测 物体的振动信息。
[0004] 但是，无论采用激光多普勒测振技术还是采用激光自混合测振技术，都只能测量 沿光束方向的一维振动，测量信息不够丰富。为了丰富测量维度信息，考虑多激光测振组件 组合的方式，包括激光多普勒测振组件或者激光自混合测振组件。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种多维激光测振仪及其测量方法，解决了利用激光测振技术进行 振动物体的非接触式测量的问题，其技术方案如下所述：
[0006] 一种多维激光测振仪，至少包括两组激光测振组件，所述激光测振组件共用一个 光束聚焦系统，所述每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体 的同一点；
[0007] 其中，所述各组激光测振组件的激光器出射的激光，由光束聚焦系统聚焦到振动 物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉，激光测振组件内部设置的探测器探测干 涉信号,解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量；
[0008] 所述多维激光测振仪根据各个激光测振组件所测量得到的投影分量，通过矢量关 系求得振动物体沿正交坐标轴的振动分量。实现振动物体的多维振动信息测量。
[0009] 进一步的，所述激光测振组件是激光多普勒测振组件或者激光自混合测振组件。
[0010] 所述多维激光测振仪为二维激光测振伩，所述激光测振组件设置有两组，包括第 一激光测振组件和第二激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统 光轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激 光测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射 光束的投影分量为V 41、V42,将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照 射点作为原点，并垂直于Z轴建立x-y坐标系，所述振动物体沿坐标轴X，Z方向的二维振动 分量为
[0011]
【权利要求】
1. 一种多维激光测振仪，其特征在于，至少包括两组激光测振组件，所述激光测振组件 共用一个光束聚焦系统，所述每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到 振动物体的同一点； 其中，所述各组激光测振组件的激光器出射的激光，由光束聚焦系统聚焦到振动物体 上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉，激光测振组件内部设置的探测器探测千涉信 号，解调出振动物体沿激光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量； 所述多维激光测振仪根据各个激光测振组件所测量得到的投影分量，通过矢量关系求 得振动物体沿正交坐标轴的振动分量，实现振动物体的多维振动信息测量。
2. 根据权利要求1所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述激光测振组件是激光多 普勒测振组件或者激光自混合测振组件。
3. 根据权利要求1所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述多维激光测振仪为二维 激光测振仪，所述激光测振组件设置有两组，包括第一激光测振组件和第二激光测振组件， 所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴对称分布，分别为第一激光测振组 件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的第二出 射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v 41、v42，将沿光束聚 焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y 坐标系，所述振动物体沿坐标轴 X，z方向的二维振动分量为
其中\，\为振动物体的沿坐标轴的振动分量，Θ为第一出射光束与第二出射光束的 夹角，光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第二出射光束间隔为h，存在下述关系式
4. 根据权利要求1中所述的多维激光测振仪，其特征在于：将沿光束聚焦系统的光轴 方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，其中 有一组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布，在获取所述的振动物体沿激 光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束投影分量之前，先测量z坐标的振动分量以实现 其他激光测振组件对光束夹角Θ进行校准。
5. 根据权利要求4中所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述的多维激光测振仪为 二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振 组件和第三激光测振组件，其中，第三激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分 布；其余两组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴对称分布，分别为第一激光 测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统的 第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为v 41、v42，所述 第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息v4(l，实现第一出射光束与第二出射光束的角 度Θ的校准 Vz = V4〇
经校准后，得到振动物体沿坐标轴X，Z方向的二维振动分量为
6·根据权利要求1所述的多维激光测振仪，其特征在于,所述多维激光测振仪为三维 激光测振仪，所述的激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振组 件和第三激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交分 布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束、第二激光测振组件通过 光束聚焦系统的第二出射光束，以及第三激光测振组件通过光束聚焦系统的第三出射光 束，所述第三激光测振组件沿光轴布置，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为Z轴，将振动 物体的激光照射点作为原点，并垂直于Z轴建立χ-y坐标系，第一激光测振组件布置于y轴 h 41/2处，第二激光测振组件布置于X轴-h42/ 2处，所述物体振动沿第一出射光束和第二出 射光束的投影分量为V41、V42，所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息％。，所述 第三激光测振组件的第三出射光束测量物体沿 z轴方向的振动分量为 = V40 通过三个组件的正交分布得到振动物体沿y轴的振动分量Vy，振动物体沿X轴的振动 分量Vx
其中，Θ 4Q?41为第三激光测振组件的第三出射光束与第一激光测振组件的第一出射光 束的夹角，Θ 4。?42为第三激光测振组件的第三出射光束与第二激光测振组件的第二出射光 束的夹角，则有下述关系式
能够由光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第三出射光束间距h41/2,第二出射 光束与第第三出射光束间距h42/2计算得到。
7.根据权利要求4所述的多维激光测振仪，其特征在于，所述多维激光测振仪为三维 激光测振仪，所述的激光测振组件设置有五组，分别为第一激光测振组件至第五激光测振 组件，通过光束聚焦系统之后分别为第一出射光束至第五出射光束，所述每组激光测振组 件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交对称放置，构成十字分布，其中，所述第三激光测振 组件沿光轴布置，通过第一激光测振组件至第三激光测振组件分别发出的第一出射光束至 第三出射光束的振动投影分量实现第一出射光束和第二出射光束的夹角Θ 41~42校准：
通过第三激光测振组件至第五激光测振组件分别发出的第三出射光至第五出射光束 的振动投影分量实现光束第四出射光束和第五出射光束的夹角θ43?44校准：
其中，V4。是第三激光测振组件测量Z轴方向上的振动信息，其余第一激光测振组件至 第五激光测振组件四组激光测振组件测量的投影分量为v41、v42、v43、v 44 ; ' 经校准后，得到振动物体沿坐标轴x，y，z方向的三维维振动分量为 Vz = v4〇
8·根据权利要求I-7中任一所述的多维激光测振仪的多维激光测振方法，其特征在于 包括以下步骤： ~ A、 每组激光测振组件出射的激光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点； B、 由光束聚焦系统聚焦到振动物体上的散射光束返回到激光测振组件形成干涉； C、 激光测振组件内部设置的探测器探测干涉信号，解调出振动物体沿激光测振组件通 过光束聚焦系统的出射光束的投影分量； ' ^ D、 获取物体的振动测量。
9. 根据权利要求8所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述的多维激光测振仪为 二维测振仪，所述的激光测振组件设置有两组,所述每组激光测振组件的出射光束沿光束 聚焦系统光轴对称分布，其中，步骤C中，每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光 轴对称分布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光 测振组件通过光束聚焦系统的第二出射光束，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光 束的投影分量为v 41、v42，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动物体的激光照射 点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，所述振动物体沿坐标轴X，z方向的二维振动分 量为
其中vx，vzS振动物体的沿坐标轴的振动分量，Θ为第一出射光束与第二出射光束的 夹角，光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第二出射光束间隔为h,存在下述关系式
10. 根据权利要求8所述的多维激光测振方法，其特征在于，将沿光束聚焦系统的光轴 方向定义为z轴，将振动物体的激光照射点作为原点，并垂直于z轴建立x-y坐标系，其中 有一组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴分布,在获取所述的振动物体沿激 光测振组件通过光束聚焦系统的出射光束的投影分量之前，先测量z坐标的振动分量以实 现其他激光测振组件对光束夹角Θ进行校准。
11. 根据权利要求1〇所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述的多维激光测振仪 为二维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测 振组件和第三激光测振组件，其中，第三激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴 分布；其余两组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统的光轴对称分布，分别为第一激 光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束，以及第二激光测振组件通过光束聚焦系统 的第二出射光束，其中，步骤C中,所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分 量为V 41、v42，所述第三激光测振组件测量Z轴方向上的振动信息v4。，实现第一出射光束与 第二出射光束的角度Θ的校准 Vz = V40
经校准后，得到振动物体沿坐标轴X，z方向的二维振动分量为
iei
12.根据权利要求8所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述多维激光测振仪为 三维激光测振仪，所述激光测振组件设置有三组，分别为第一激光测振组件、第二激光测振 组件和第三激光测振组件，所述每组激光测振组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交分 布，分别为第一激光测振组件通过光束聚焦系统的第一出射光束、第二激光测振组件通过 光束聚焦系统的第二出射光束，以及第三激光测振组件通过光束聚焦系统的第三出射光 束，所述第三激光测振组件沿光轴布置，将沿光束聚焦系统的光轴方向定义为z轴，将振动 物体的激光照射点作为原点，并垂直于Z轴建立x-y坐标系，第一激光测振组件布置于y轴 h 41/2处，第二激光测振组件布置于X轴-h42/2处， 其中，步骤C中，所述物体振动沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量为V4i、v42， 所述第三激光测振组件测量z轴方向上的振动信息V4。，所述第三激光测振组件的第三出射 光束测量物体沿z轴方向的振动分量为 Vz = V40 通过三个组件的正交分布得到振动物体沿y轴的振动分量Vy，振动物体沿χ轴的振动 分量Vx
其中，94。?41为第三激光测振组件的第三出射光束与第一激光测振组件的第一出射光 束的夹角，Θ 4。?42为第三激光测振组件的第三出射光束与第二激光测振组件的第二出射光 束的夹角，则有下述关系式
能够由光束聚焦系统的焦距为f，第一出射光束与第三出射光束间距h4i/2,第二出射 光束与第三出射光束间距h42/2计算得到。 I3·根据权利要求10所述的多维激光测振方法，其特征在于，所述的多维激光测振仪 为三维测振仪，所述的激光测振组件设置有五组，分别为第一激光测振组件至第五激光测 振组件，通过光束聚焦系统之后分别为第一出射光束至第五出射光束，所述每组激光测振 组件的出射光束沿光束聚焦系统光轴正交对称放置，构成十字分布，其中，所述第三激光 f振件沿光轴，少C中，通过第一激光测振组件至第三激光测振组件分别发出的 第-出射光束至第二出射光束的振动投影分量实现第-出射光束和第二出射光束的夹角 θ 校准：
通过第三激光测振组件至第五激光测振组件分别发出的第三出射光束至第五出射光 束的振动投影分量实现光束第四出射光束和第五出射光束的夹角θ43?44校准：
其中，V4。是第三激光测振组件测量Ζ轴方向上的振动信息，其余第一激光测振组件至 第五激光测振组件四组激光测振组件测量的投影分量为V41、V42、V43、V 44 ; 经校准后，得到振动物体沿坐标轴X，y，Ζ方向的三维振动分量为 = V4〇
【文档编号】G01H9/00GK104215317SQ201410425812
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】叶岗 申请人:宁波舜宇智能测量仪器有限公司