【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及激光干涉，具體涉及一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
1、激光振動(dòng)測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大及對(duì)待測(cè)振動(dòng)表面無(wú)干擾等特點(diǎn)，已成為振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的技術(shù)。激光振動(dòng)測(cè)量技術(shù)不僅可以對(duì)物體的宏觀及微觀特征進(jìn)行納米甚至亞納米量級(jí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)超精密級(jí)的量值傳遞和量值溯源；也可在微納米量級(jí)上精確描述和記錄物質(zhì)從超低頻至高頻的空間-時(shí)間行為過(guò)程，來(lái)揭示物質(zhì)間的相互作用機(jī)理和科學(xué)規(guī)律。
2、激光振動(dòng)測(cè)量技術(shù)主要有激光三角法、光強(qiáng)法、散斑干涉法、全息干涉法、單頻激光干涉法、雙頻激光干涉法等幾種方法。激光三角法和光強(qiáng)法屬于直接探測(cè)方法，激光三角法測(cè)量范圍小、測(cè)量精度低、分辨力低，不適合測(cè)量高頻、高速振動(dòng)，光強(qiáng)法易受環(huán)境和光源的干擾，測(cè)量精度低，這兩種方法不適合高精度測(cè)量。散斑干涉法對(duì)環(huán)境擾動(dòng)很敏感，且只能測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)，無(wú)法測(cè)量非簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和沖擊，全息干涉法處理過(guò)程費(fèi)時(shí)，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。雙頻激光干涉法具有信號(hào)受直流漂移影響小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其測(cè)量速度受到限制，測(cè)量非線性誤差較大，難以實(shí)時(shí)校正和補(bǔ)償，從而制約了其測(cè)量精度，而且?guī)в邪嘿F的聲光移頻器件，光路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
3、對(duì)于單頻激光干涉法測(cè)振目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方案，一種是通過(guò)分立光學(xué)元件搭建干涉系統(tǒng)，另一種則是設(shè)計(jì)硅光芯片集成光學(xué)器件，在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)干涉系統(tǒng)。兩種方案各有優(yōu)劣，分立光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不過(guò)器件成本高，系統(tǒng)體積較大；硅光芯片方案由于采用最新硅光集成技術(shù)，可以較小體積實(shí)現(xiàn)功能，不過(guò)設(shè)計(jì)難度高、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、技術(shù)目的：針對(duì)現(xiàn)有單頻激光干涉法測(cè)振的不足，本專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及方法，通過(guò)簡(jiǎn)化光學(xué)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理，降低系統(tǒng)復(fù)雜性和制造成本，同時(shí)提高振動(dòng)測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。
2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用了如下技術(shù)方案：
3、一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括：
4、激光器一，用于發(fā)出連續(xù)單頻激光；
5、分束器，用于將單頻激光分為兩路，其中第一光路的光束分別經(jīng)過(guò)環(huán)形器一和合束器，與激光器二發(fā)出的單頻參考激光合束后照射至被測(cè)物體表面，被測(cè)物體反射回來(lái)的光束通過(guò)合束器和環(huán)形器一返回，作為信號(hào)光進(jìn)入耦合器；第二光路的光束作為本振光直接經(jīng)過(guò)耦合器與第一光路反射回來(lái)的光束進(jìn)行混頻；
6、耦合器，用于將兩路光束混頻并生成兩路干涉光信號(hào)，其中一路干涉光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器二后通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)90°；
7、光電探測(cè)器一和光電探測(cè)器二，分別用于接收兩路干涉光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為i信號(hào)和q信號(hào)；
8、數(shù)據(jù)采集和處理模塊，用于對(duì)i信號(hào)和q信號(hào)進(jìn)行解算，獲取被測(cè)物體的振動(dòng)信息。
9、本專(zhuān)利技術(shù)還公開(kāi)了一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量方法，應(yīng)用于以上所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，具體包括以下步驟：
10、激光器一發(fā)出連續(xù)單頻激光，通過(guò)分束器將光束分為兩路；
11、一路光束依次經(jīng)過(guò)環(huán)形器一和合束器，與激光器二發(fā)出的單頻參考激光合束后照射至被測(cè)物體表面，被測(cè)物體反射的光束再通過(guò)合束器與環(huán)形器一返回，進(jìn)入耦合器，另一路光束作為本振光直接進(jìn)入耦合器；
12、兩路光束通過(guò)耦合器進(jìn)行混頻，混頻后生成兩路干涉光信號(hào)；
13、兩路干涉光信號(hào)其中一路經(jīng)過(guò)環(huán)形器二通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入光電探測(cè)器二，另一路直接進(jìn)入光電探測(cè)器一；
14、光電探測(cè)器一和光電探測(cè)器二接受混頻后的干涉光信號(hào)，并分別將其轉(zhuǎn)換成i信號(hào)和q信號(hào)；
15、數(shù)據(jù)采集和處理模塊對(duì)i信號(hào)和q信號(hào)進(jìn)行處理，提取物體的振動(dòng)信息。
16、有益效果：本專(zhuān)利技術(shù)所提供的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及方法具有如下有益效果：
17、本專(zhuān)利技術(shù)采用雙光路設(shè)計(jì)，并通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡對(duì)混頻后的光束偏振方向進(jìn)行調(diào)整，確保信號(hào)光和本振光的偏振狀態(tài)匹配，不僅提高干涉信號(hào)的穩(wěn)定性，避免偏振失配導(dǎo)致的信號(hào)衰減和干擾，而且通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的穩(wěn)定偏振控制，系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)環(huán)境和溫度波動(dòng)的敏感性大幅降低；且傳統(tǒng)的光學(xué)干涉系統(tǒng)通常依賴(lài)復(fù)雜的混頻裝置和多級(jí)偏振控制元件，而本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡替代傳統(tǒng)混頻器，與復(fù)雜的光學(xué)混頻器相比，既降低了光路復(fù)雜度，減少使用的分立光學(xué)器件數(shù)量以及混頻器帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)一定程度降低了使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)的不利影響，保證了系統(tǒng)測(cè)量精度和性能。
18、通過(guò)光電探測(cè)器生成正交i信號(hào)和q信號(hào)，并利用正交解算方法獲取相位信息，避免傳統(tǒng)方法的相位模糊問(wèn)題，正交信號(hào)處理確保了相位信息在整個(gè)周期內(nèi)連續(xù)可解算；且通過(guò)計(jì)算公式將相位變化與位移直接聯(lián)系，這種基于光相位的解算方法能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)位移精度；i/q信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣與解算適合動(dòng)態(tài)振動(dòng)測(cè)量場(chǎng)景，支持高頻振動(dòng)分析。
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1.一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，光電探測(cè)器一和光電探測(cè)器二輸出的I信號(hào)和Q信號(hào)表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集和處理模塊基于雙程光路設(shè)計(jì)，被測(cè)物體的振動(dòng)位移計(jì)算公式如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，被測(cè)物體的振動(dòng)速度計(jì)算公式如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括信號(hào)處理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、算法處理器模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，激光器一采用1550nm保偏窄線寬激光器作為信號(hào)源，激光器二采用650nm單模激光器作為指示光源。
7.一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量方法，應(yīng)用于如權(quán)利要求1-6任一一項(xiàng)所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于，信號(hào)光和本振光的電場(chǎng)分別表示為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，光電探測(cè)器一和光電探測(cè)器二輸出的i信號(hào)和q信號(hào)表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集和處理模塊基于雙程光路設(shè)計(jì)，被測(cè)物體的振動(dòng)位移計(jì)算公式如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，被測(cè)物體的振動(dòng)速度計(jì)算公式如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感的單頻激光干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張亞，崔遠(yuǎn)馳，王勇，趙子超，雷露，王海建，鄭洋洋，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：南京木木西里科技有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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