【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及振動測量，具體涉及一種低頻振動測量裝置及測量方法。
技術介紹
1、機械振動是工業生產和日常生活中的普遍現象，對振動的測量在監測機電設備健康狀況、運行效率和診斷故障方面發揮著關鍵作用。特別是對于大型水輪發電機組、水庫大壩等大型結構，其低頻振動特征在健康狀態監測中極為重要。而在在低頻微振動的測量中，由于待測目標運動速度較低，導致其多普勒頻移較小，常用的激光多普勒測振技術適用性較差。而激光干涉技術可以實時測量目標的高精度位置信息，不依賴于多普勒效應，因而適用于水輪發電機組等大型動力機械設備的低頻振動在線監測。基于光學的測振技術由于能夠無干擾地提供全面的振動信息，并且具有高分辨率和精度的特點，在各種應用中提供快速和穩健的解決方案。這些方案的關鍵技術是各種形式的光學計量學，如干涉、剪切、散斑干涉和全息干涉，各自都在振動分析和材料測試領域提供了獨特的優勢。其中光學干涉儀由于其較短的波長以及極高的相位靈敏度，成為了振動測量的重要基礎，隨著光學和計算機技術的快速發展，光學干涉測振技術仍然處在不斷的發展進步。
2、近年來，以渦旋光束為代表的結構光領域取得了顯著的進展。渦旋光束的相位具有exp(ilθ)形式的角向分布，其中θ是方位角，l是拓撲荷(tc)，其攜帶有確定的軌道角動量(oam)，已被應用在包括全息顯示、光存儲和光通信等領域。而在光學傳感領域中，渦旋光束同樣具有獨特的優點，將常規的激光干涉儀中的基模高斯渦旋光束用渦旋光束加以替代，可以構造出渦旋光束干涉儀。在常規的激光干涉儀中，兩臂間的相位差變化會引起干涉儀輸出端口
3、而在振動測量領域，渦旋光束干涉技術的應用仍然處于初步研究階段，目前僅有少數研究論文在實驗室環境中對渦旋光束干涉振動測量的基本原理進行了理論分析和初步實驗驗證，表明該方案在精度和魯棒性方面具有較為顯著的優勢，且結構簡單緊湊。然而，通過文獻調研和對實際應用場景的分析可以發現，這些測量方法的主要機制均是利用一種典型的渦旋光束(拉蓋爾-高斯模式光束)作為探測光入射到待測物體上，通過采集反射光與參考光間干涉形成的花瓣形圖樣進行測量。而對于參考光束，大部分研究工作都是采用與探測光共軛的拉蓋爾-高斯光束，兩者模式匹配較好，但測量精度和動態范圍較低，且光束對準出現偏差時，干涉圖樣變形嚴重，難以有效提取數據。而采用高斯光束作為參考光束可以提高測量精度和動態范圍，并降低對光束對準的要求，但拉蓋爾-高斯光束與高斯光速間的光強分布差異明顯，模式匹配效果差，阻礙了干涉圖樣信噪比的提高。此外，在實際的光學系統中，渦旋光束對于光學系統的彗差、像散等像差極為敏感，其光強分布會發生顯著的畸變乃至奇點劈裂，而在大多數振動測量的實際應用場景中，探測光束的傳播路徑中往往存在粗糙反射面、氣流擾動以及顆粒粉塵等系統外因素，導致產生難以預測的像差，因而對于現有的這類采用渦旋光束作為探測光束的測振方案，在實際應用中，可能難以獲得穩定的干涉圖樣數據。而渦旋光束干涉儀測振的另一個重要局限性來源于光學干涉儀固有的2π相位周期性，因而該方案測量振動的振幅被局限在探測光波長的一半以內，即數百納米，難以滿足諸多工業應用場景的需求(10微米量級)。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種低頻振動測量裝置及測量方法，解決現有技術中測量振動的振幅被局限在探測光波長的一半以內，即數百納米，難以滿足諸多工業應用場景的需求(10微米量級)的技術問題。
2、本專利技術公開了一種低頻振動測量裝置，包括多波長光源模塊、渦旋光束參考臂模塊、高斯光束探測臂模塊和干涉圖樣采集測量模塊。
3、渦旋光束參考臂模塊用于制備作為參考光束的多波長渦旋光束。
4、進一步的，所述多波長光源模塊包括至少兩個激光光源，每個激光光源均設置1/2波片，利用第一二向色鏡合束。
5、通過設置至少兩個激光光源，能夠提供具有不同中心波長的，且有良好相干性和準直度的輸入光，分別利用相應的1/2波片調節線偏振光的偏振方向，隨后利用第一二向色鏡合束，并輸出到渦旋光束參考臂模塊。
6、進一步的，所述激光光源為兩個，其中心波長之差在10nm至50nm范圍內。
7、較小的中心波長之差不僅可以增大雙波長等效波長，從而提高振幅測量范圍，此外也可以降低光學器件的色差對測量結果的負面影響。
8、進一步的，所述渦旋光束參考臂模塊包括偏振分束器、螺旋相位板、第一1/4波片以及0度反射鏡。
9、使用時，入射光束通過偏振分束器分為兩束，其中反射的豎直偏振參考光束通過階數為l的螺旋相位板和第一1/4波片后轉變為拓撲荷為l的圓偏振渦旋光束，后由0度反射鏡原路返回后再次通過第一1/4波片和螺旋相位板，轉變為拓撲荷為2l的水平偏振渦旋光束，隨后通過偏振分束器透射進入干涉圖樣采集測量模塊。
10、進一步的，所述螺旋相位板為消色差渦旋相位板或渦旋半波片(q-plate)，并采用兩次通過螺旋相位板構型。
11、其階數為l，采用兩次通過螺旋相位板構型，獲得拓撲荷為2l的渦旋參考光束。
12、進一步的，所述高斯光束探測臂模塊包括探測第一透鏡、針孔、探測第二透鏡、第二1/4波片和聚焦透鏡。
13、進一步的，探測第一透鏡的后焦面與探測第二透鏡的前焦面重合，且針孔放置在該處。
14、水平偏振的探測光束經探測第一透鏡聚焦后經由針孔中心通過，獲得理想的高斯光束，隨后經由探測第二透鏡準直，并由第二1/4波片變為圓偏振光，之后由聚焦透鏡聚焦入射到到待測樣品。調節聚焦透鏡的位置，使得樣品位于該透鏡的后焦面附近。從樣品反射的探測光再次反向經過上述光路，轉變為豎直偏振，經由偏振分束器反射進入干涉圖樣采集測量模塊。
15、進一步的，所述干涉圖樣采集測量模塊包括測量第一透鏡、偏振片、測量第二透鏡、第二二向色鏡以及相機，所述相機數量與所述激光光源相對應。
16、進一步的，測量第一透鏡的前焦面位于渦旋光束參考臂模塊中的螺旋相位板前表面，測量第一透鏡的后焦面與測量第二透鏡的前焦面重合。
17、進一步的，測量第二透鏡的后焦面與一個相機的感光面重合，所有相機與第二二向色鏡間的距離相同。
18、其中，測量第一透鏡和測量第二透鏡組成4f成像光路結構。根據光束傳播的abcd矩陣理論分析可知，對于參考渦旋光束，其在相機感光面上的光場分布與螺旋相位板前表本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種低頻振動測量裝置，其特征在于：包括多波長光源模塊(100)、渦旋光束參考臂模塊(200)、高斯光束探測臂模塊(300)和干涉圖樣采集測量模塊(400)；
2.根據權利要求1所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述多波長光源模塊(100)包括至少兩個激光光源(101)，每個激光光源(101)均設置1/2波片(102)，利用第一二向色鏡(103)合束。
3.根據權利要求2所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述激光光源(101)為兩個，其中心波長之差在10nm至50nm范圍內。
4.根據權利要求1所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述渦旋光束參考臂模塊(200)包括偏振分束器(201)、螺旋相位板(202)、第一1/4波片(203)以及0度反射鏡(204)。
5.根據權利要求4所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述螺旋相位板(202)為消色差渦旋相位板或渦旋半波片，并采用兩次通過螺旋相位板(202)構型。
6.根據權利要求1所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述高斯光束探測臂模塊(300)包
7.根據權利要求6所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：探測第一透鏡(301)的后焦面與探測第二透鏡(303)的前焦面重合，且針孔(302)放置在該處。
8.根據權利要求1所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述干涉圖樣采集測量模塊(400)包括測量第一透鏡(401)、偏振片(402)、測量第二透鏡(403)、第二二向色鏡(404)以及相機，所述相機數量與激光光源數量相對應。
9.根據權利要求8所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：測量第一透鏡(401)的前焦面位于渦旋光束參考臂模塊(200)中的螺旋相位板(202)前表面，測量第一透鏡(401)的后焦面與測量第二透鏡(403)的前焦面重合，測量第二透鏡(403)的后焦面與一個相機的感光面重合，所有相機與第二二向色鏡(404)間的距離相同。
10.一種基于多波長渦旋光束干涉的低頻振動測量方法，其特征在于：將高斯光束作為探測光束，而將渦旋光束作為參考光束。
...【技術特征摘要】
1.一種低頻振動測量裝置，其特征在于：包括多波長光源模塊(100)、渦旋光束參考臂模塊(200)、高斯光束探測臂模塊(300)和干涉圖樣采集測量模塊(400)；
2.根據權利要求1所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述多波長光源模塊(100)包括至少兩個激光光源(101)，每個激光光源(101)均設置1/2波片(102)，利用第一二向色鏡(103)合束。
3.根據權利要求2所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述激光光源(101)為兩個，其中心波長之差在10nm至50nm范圍內。
4.根據權利要求1所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述渦旋光束參考臂模塊(200)包括偏振分束器(201)、螺旋相位板(202)、第一1/4波片(203)以及0度反射鏡(204)。
5.根據權利要求4所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述螺旋相位板(202)為消色差渦旋相位板或渦旋半波片，并采用兩次通過螺旋相位板(202)構型。
6.根據權利要求1所述的一種低頻振動測量裝置，其特征在于：所述高斯光束探測臂模塊(300...
【專利技術屬性】
技術研發人員：尤治博，曾廣棟，劉德新，陳鵬，代飛，
申請(專利權)人：三峽金沙江川云水電開發有限公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。