CN103424177A - 一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法及装置，所述方法利用干涉作用在光电探测模块的光敏表面附近的光场中产生数量众多、周期分布的干涉条纹，同时基于干涉原理在光电探测模块的光敏表面附近的光场中产生与无干涉条纹时相比频率更高的空间光强分布，使得光电探测模块在此剧烈变化的光场中的相同位移量能够产生更加剧烈的光强变化，从而提高反射式激光测振***的灵敏度；所述装置包括驱动模块、激光发射模块、准直模块、干涉模块、光电探测模块、信号处理模块、计算及显示模块。本发明在现有反射式测振***的基础上，在不增加***复杂度及成本的前提下，利用干涉大幅度提高了***灵敏度。
Description
技术领域
本发明提出一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法及装置，涉及激光测振技术领域，适用于玻璃、薄膜等具有双反射表面的被测物体的振动测量领域。
背景技术
激光反射法是光电检测技术的一种，具有非接触式、结构简单、成本低、环境适应性强、实时处理能力强、工作距离长等优点，在测振、测长及测量物体形貌方面得到了广泛的应用。在反射式测振***中，当测量距离较远时，反射光斑的尺寸一般较大，导致与光电探测器不匹配，造成测量灵敏度低。若在光电探测器前放置聚焦透镜或者望远镜来会聚光斑时，又会造成光斑移动量的减少，因此提高***灵敏度的效果不佳。
利用干涉是提高测量灵敏度的方案之一，例如采用一束测量光、一束参考光相干涉。但是这个方案极大的增加了***的复杂度。首先对激光的相干长度有较高要求，特别是当远距离测量时，两束相干光的光程相差较大；其次为了得到参考光并且能够和测量光发生反射，要求***设计更加精密，光路调节更加复杂；再次，两束相干光非共路，引入的噪声较大；最后测量得到的信号需要进行解调才能够还原成原信号。因此该方案增加了***的复杂度以及成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提出了一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法和装置，在不增加整个***复杂度以及成本的前提下提高了反射式激光测振***的灵敏度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法，利用干涉作用在光电探测模块的光敏表面附近的光场中产生数量众多、周期分布的干涉条纹，同时基于干涉原理在光电探测模块的光敏表面附近的光场中产生与无干涉条纹时相比频率更高的空间光强分布，使得光电探测模块在此剧烈变化的光场中的相同位移量能够产生更加剧烈的光强变化，从而提高反射式激光测振***的灵敏度。
作为本发明的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法的进一步优化方案，包括调试步骤、测试步骤，具体如下：
（1）调试步骤：根据接收端的条纹性质，选择最佳的激光发射模块的空间位置和发射角度，以及光电探测模块的接收位置，使得光电探测模块接收到的干涉条纹的宽度与光电探测模块的光敏表面尺寸相仿、在干涉条纹可见度最大的前提下光强最强；所述条纹性质包括条纹宽度、可见度和方向；如果光敏表面是矩形，则要求干涉条纹与光电探测模块光敏表面的边沿平行或者垂直；
（2）测试步骤：利用干涉条纹能够改变反射光斑的光强分布、提高空间分辨率的性质，提高测量分辨率；具体为：通过调试步骤选择干涉条纹图样最佳的位置，将光电探测模块放置到其中，通过调节准直模块会聚反射光斑；微调激光发射模块的发射角度和光电探测模块的空间位置，最终使得接收到的信号的信噪比最好。
作为本发明的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法的进一步优化方案，在所述调试阶段中，当干涉模块是平行平板类材料并且满足相干条件时，随着激光的入射角度从垂直入射变化到掠射，干涉条纹的宽度先减小后增加；激光发射模块和光电探测模块与被测物体之间的距离越大，条纹越宽。
作为本发明的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法的进一步优化方案，如果反射光斑是长条形，则通过转动激光发射模块使得长条形光斑的边沿与干涉条纹平行或者垂直。
作为本发明的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法的进一步优化方案，如果干涉模块表面不平整导致干涉条纹无法满足测量要求，则微调激光发射模块位置及激光入射角度，以得到所需的干涉条纹。
本发明还提供一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，包括驱动模块、激光发射模块、准直模块、干涉模块、光电探测模块、信号处理模块、计算及显示模块；其中：
所述驱动模块用于提供激光发射模块恒定的工作电压与电流，并能改变激光发射模块的输出功率；
所述激光发射模块输出激光经过所述准直模块照射到所述干涉模块上，由干涉模块两个表面反射的光束相干涉产生干涉条纹，并反射到所述光电探测模块上；
所述准直模块用于调节反射光斑的大小使得清晰完整地观察到干涉条纹，并在测量时用于会聚光斑；
所述干涉模块是具有双反射表面的被测物体，或者是在被测物体表面安装的具有双反射表面的标靶，一束激光经过干涉模块后产生的两束反射光能够相互干涉形成干涉条纹；
所述光电探测模块将探测到的光强信号转换为电信号，经所述信号处理模块实现滤波放大，最后输入计算及显示模块进行计算并显示测量结果。
进一步的，本发明的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，所述干涉模块采用玻璃或薄膜作为被测物体，或者在不具有干涉作用的被测物体表面放置玻璃或薄膜作为标靶。
进一步的，本发明的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，所述驱动模块包括稳压电路以及一个与激光发射模块相串联的滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来改变激光发射模块的输出功率。
进一步的，本发明的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，所述激光发射模块采用半导体连续激光器，所述准直模块为配置在所述半导体连续激光器前端的准直透镜。
进一步的，本发明的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，所述信号处理模块包括偏置电路、增益带宽可调的多级滤波放大电路以及反馈电路；其中偏置电路给光电探测模块提供一个使其正常工作的反偏电压，同时将光电探测模块传输的信号依次通过两级滤波放大电路放大，并利用反馈电路进行负反馈提高信号增益的稳定性。
本发明采用以上技术方案与现有的反射式测振***相比，具有以下技术效果：
本发明保留了反射式测振***结构简单、成本低、环境适应性强的优点，同时光路共路，有效地抑制了共模噪声；并且在此基础上利用干涉条纹大幅度提高了测振***的灵敏度，也可以满足远距离测振的要求，并且没有增加***复杂度及成本。
附图说明
图1是本发明的一种提高反射式激光测振***灵敏度的装置示意图。
图2是本发明的信号处理模块示意图。
图3是本发明的一种提高反射式激光测振***灵敏度方法的光路图。
图4是本发明的具体实施例的干涉条纹示意图。
图5是现有反射式测振方法的测量结果示意图。
图6是本发明的具体实施例的测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提出一种利用干涉提高反射式测振***灵敏度的装置，主要包含六个模块：驱动电路模块、激光发射模块、准直模块、干涉模块（被测物体）、光电探测模块、信号处理模块、计算及显示模块，如图1所示。
驱动电路模块主要包括稳压电路，提供给激光器恒定的电压电流，保证激光器输出功率恒定。同时在电路中和激光器串联一个滑动变阻器，可以通过改变滑动变阻器来改变激光器的输出功率；当注入电流过大时，普通半导体激光器的模式将发生改变，光谱带宽增加，导致条纹的可见度降低，因此通过调节输出功率，可以达到条纹最清晰最亮的干涉图样；要达到最亮是因为激光输出功率越高测振的灵敏度就越高。
激光发射模块包含一个激光器，本实施例中采用650nm的半导体连续激光器，最大输出功率小于5mW，实测为2.2mW，相干长度在厘米量级。在出光口自带有准直透镜。
准直模块用于调节反射光斑的大小；如果激光器出光口本身带有准直透镜，可以直接作为准直模块。本实施例中采用半导体激光器自带准直透镜。
干涉模块是具有双反射表面的被测物体，本实施例中采用4mm厚的玻璃作为干涉模块，激光经过该干涉模块后能够产生等倾干涉。
光电探测模块在本实施例中采用硅光电池，型号为2CU68，感光矩形区域大小为50mm2，感度0.4-0.52mA/mW；感光区域前装有红光滤光片；被测物体的振动会引起反射光斑的移动，因此光电探测器的接收光强就会发生改变，从而转变为电信号。
信号处理模块如图2所示，包括偏置电流、增益带宽可调两级滤波放大电路以及反馈电路；偏置电路给与光电探测器一个反偏电压，使其正常工作；同时将得到的微弱信号通过两级带通放大，并利用负反馈提高增益的稳定性；本实例中将12V电源电压的一半6V提供给光电探测器作为偏置电压；两级带通放大倍数为700倍，3dB通频带为0.1~8KHz；放大倍数和通频带可以根据实际情况进行调节。
计算及显示模块主要包含计算机，信号经过信号处理模块调理后经过音频接口输入计算机，通过声卡采集得到数字信号，然后通过现有软件处理得到最终的实验结果并且进行显示。
本发明是利用干涉作用在光电探测模块的光敏表面附近的光场中产生数量众多、周期分布的干涉条纹，同时基于干涉原理在光电探测模块的光敏表面附近的光场产生与原先相比频率更高的空间光强分布，使得光电探测模块在此剧烈变化的光场中的相同位移量能够产生更加剧烈的光强变化，从而提高反射式激光测振***的灵敏度。本发明的光路图如图3所示，激光器出射连续激光经过准直透镜会聚照射到被测物体上，被测物体前后两个表面的反射光相互干涉，照射到光电探测器上后形成干涉条纹。干涉条纹改变了光强的空间分布，使得光强变化更加迅速。
在反射式测振中，通过调节准直透镜得到的光斑一般较大，相对于感光区域来说可能是过大的；但对于具有双反射表面的被测物体如玻璃、薄膜等，当激光束照射到这类被测物体上时，物体前后两个表面都将反射光束，并且当激光的相干长度超过玻璃厚度时就会发生干涉；本实施例中干涉模块是玻璃，所以会产生等倾干涉，等倾干涉的条纹宽度与波长、被测物体厚度、入射角度、激光器及接收器离被测物体的距离等因素有关；当入射角度从垂直入射变化到掠射时，条纹的宽度先减少后增加，并且存在一个与被测物体厚度有关的入射角度，使得条纹宽度达到极小值；激光器和光电探测器与被测物体之间的距离越大，条纹越宽；因此可以通过改变这些参数来得到想要的干涉条纹宽度；结果一个本来完整的高斯光斑受到干涉影响，使得空间光强重新分布；对感光区域来说，这样的空间光强重新分布可以使得光强空间变化更加剧烈，因此光斑移动相同的位移，接收光强的变化量大幅度提高，从而信噪比大幅度提高；换句话说测振***的灵敏度大幅度提高。
本发明的光路调节过程：打开激光器后通过调节准直透镜，使接收器处的反射光斑较大，从而可以清楚地看到干涉条纹，如图4所示；通过调节驱动电路来调节激光器输出功率，使条纹在保证清晰的前提下达到最亮；通过调节入射角度、激光器和光电探测器与被测物体之间的距离使得条纹的尺寸与光电探测器的接收表面尺寸相仿；选择干涉图样最佳的位置，将光电探测器放置到其中，并且使得探测器的边沿与条纹的方向一致；通过调节准直透镜使反射光斑会聚达到尺寸最小；根据实测结果，微调探测器和光斑的相对位置，达到最佳的测量效果。
本实施例采用1kHz音源激励厚度为3mm的玻璃，入射角度为10°，激光器距离被测玻璃3m，光电探测器距离被测玻璃5m，图5所示为现有的反射式测振***在上述条件下得到的测量结果的频谱曲线；图6为本发明的反射式测振方法测量结果的频谱曲线；可以看到两者在1000Hz处都具有峰值，但本发明的测量结果的信噪比明显高于现有的反射式测量方法的结果。
本发明结构简单，与现有的反射激光测振装置比没有增加复杂度及成本；同时保留了现有反射式的优点，包括结构简单、成本低、环境适应性强、实时处理能力强、工作距离长；同时又在现有方法基础上提高了测振***的灵敏度。本发明可以用于具有双反射表面的物体的振动测量，包括玻璃、薄膜、石英、平板晶体等。
Claims (10)
1.一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法，其特征在于：利用干涉作用在光电探测模块的光敏表面附近的光场中产生数量众多、周期分布的干涉条纹，同时基于干涉原理在光电探测模块的光敏表面附近的光场中产生与无干涉条纹时相比频率更高的空间光强分布，使得光电探测模块在此剧烈变化的光场中的相同位移量能够产生更加剧烈的光强变化，从而提高反射式激光测振***的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法，其特征在于：包括调试步骤、测试步骤，具体如下：
（1）调试步骤：根据接收端的条纹性质，选择最佳的激光发射模块的空间位置和发射角度，以及光电探测模块的接收位置，使得光电探测模块接收到的干涉条纹的宽度与光电探测模块的光敏表面尺寸相仿、在干涉条纹可见度最大的前提下光强最强；所述条纹性质包括条纹宽度、可见度和方向；如果光敏表面是矩形，则要求干涉条纹与光电探测模块光敏表面的边沿平行或者垂直；
（2）测试步骤：利用干涉条纹能够改变反射光斑的光强分布、提高空间分辨率的性质，提高测量分辨率；具体为：通过调试步骤选择干涉条纹图样最佳的位置，将光电探测模块放置到其中，通过调节准直模块会聚反射光斑；微调激光发射模块的发射角度和光电探测模块的空间位置，最终使得接收到的信号的信噪比最好。
3.根据权利要求2所述的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法，其特征在于：在所述调试阶段中，当干涉模块是平行平板类材料并且满足相干条件时，随着激光的入射角度从垂直入射变化到掠射，干涉条纹的宽度先减小后增加；激光发射模块和光电探测模块与被测物体之间的距离越大，条纹越宽。
4.根据权利要求2所述的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法，其特征在于：如果反射光斑是长条形，则通过转动激光发射模块使得长条形光斑的边沿与干涉条纹平行或者垂直。
5.根据权利要求2所述的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法，其特征在于：如果干涉模块表面不平整导致干涉条纹无法满足测量要求，则微调激光发射模块位置及激光入射角度，以得到所需的干涉条纹。
6.一种实施权利要求1或2所述的一种提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，其特征在于：包括驱动模块、激光发射模块、准直模块、干涉模块、光电探测模块、信号处理模块、计算及显示模块；其中：
所述驱动模块用于提供激光发射模块恒定的工作电压与电流，并能改变激光发射模块的输出功率；
所述激光发射模块输出激光经过所述准直模块照射到所述干涉模块上，由干涉模块两个表面反射的光束相干涉产生干涉条纹，并反射到所述光电探测模块上；
所述准直模块用于调节反射光斑的大小使得清晰完整地观察到干涉条纹，并在测量时用于会聚光斑；
所述干涉模块是具有双反射表面的被测物体，或者是在被测物体表面安装的具有双反射表面的标靶，一束激光经过干涉模块后产生的两束反射光能够相互干涉形成干涉条纹；
所述光电探测模块将探测到的光强信号转换为电信号，经所述信号处理模块实现滤波放大，最后输入计算及显示模块进行计算并显示测量结果。
7.根据权利要求6所述的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，其特征在于：所述干涉模块采用玻璃或薄膜作为被测物体，或者在不具有干涉作用的被测物体表面放置玻璃或薄膜作为标靶。
8.根据权利要求6所述的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，其特征在于：所述驱动模块包括稳压电路以及一个与激光发射模块相串联的滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来改变激光发射模块的输出功率。
9.根据权利要求6所述的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，其特征在于：所述激光发射模块采用半导体连续激光器，所述准直模块为配置在所述半导体连续激光器前端的准直透镜。
10.根据权利要求6所述的一种实施提高反射式激光测振***灵敏度的方法的装置，其特征在于：所述信号处理模块包括偏置电路、增益带宽可调的多级滤波放大电路以及反馈电路；其中偏置电路给光电探测模块提供一个使其正常工作的反偏电压，同时将光电探测模块传输的信号依次通过两级滤波放大电路放大，并利用反馈电路进行负反馈提高信号增益的稳定性。
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