CN1057907A

CN1057907A - 运动姿态测量方法及其装置

Info

Publication number: CN1057907A
Application number: CN 90103139
Authority: CN
Inventors: 殷纯永; 宋云峰; 梁晋文
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1992-01-15
Anticipated expiration: 2005-06-28
Also published as: CN1021784C

Abstract

一种运动姿态测量方法及其装置，属于激光多普勒测量技术。本发明采用准共光路，四光束双焦点的光路***，光电接收器接收两个光点的散射光并对两组信号的频率及相位进行检测。利用该方法设计出运动姿态测量仪可对被测物X方向和Z方向测出大于0.05μm的线位移和2.5″角位移，测出从0.2米 /sec到0.1μm/sec的线速度和10⁷角秒/秒～5 角秒/秒的角速度，可用于对机械***的微小振动分析，腐蚀蠕变，焊缝热变形分析等广阔领域。

Description

本发明属于激光测量技术领域，特别涉及激光多普勒测量速度及振动的技术。

激光多普勒测量技术是六十年代发展起来的一种非接触测量方法。它是利用被测物散射光的多普勒频移来获得速度信息，可用来测量固体的运动速度，及固体表面的振动情况。目前广泛采用双光束单焦点的方法构成光学***，即将激光光源出射的光分成两束，再将这两束产生一定的频差后会聚成一点射到被测物上。由光电接收器接收从被测物点上的反射光及散射光。或者将上述两束光中的一束会聚射向被测物，另一束作为参考光直接由光电接收器接收。检测电路对光电接收器输出的信号的频率进行检测，得到被测物的运动速度及振动情况。根据上述方法，已制造出激光多普勒测速仪（LDA）和激光多普勒测振仪（LDV），分别用于速度测量和机械振动分析。图1是目前国际上流行的商用激光多普勒测速仪（LDA）的光路原理及结构示意图，在图1中，激光束由分光镜（2）分成两束光，反射镜（4）将其中一束光转向，使之与另一束光平行，频移器件（3）使这两束光产生一频差，具有频差的光束，经透镜（5）会聚到被测目标（6）上，并被散射。散射光经透镜（5）、反射镜（7）、透镜（8）收集后由光电接收器（9）接收，光电接收器输出的电信号的频率与被测目标沿X方向的运动速度成比例。通过检测光电信号的频率，就可测量出目标沿X方向的运动。它可用于测量与光轴垂直的流速或固体表面的运动速度（X方向）。由于光学零件的振动，机座的振动，声光驱动电源频率波动，空气扰动等干扰因素的影响，使得光电信号的相位随机抖动。这样就不可能测量固体表面的微小位移和微小运动速度，其测量速度下限为100μm/s。图2为激光多普勒测振仪（LDV）的光路原理及结构示意图，图中，激光器（1）发出的光束由分光镜（2）分成两束光，反射镜（4）将其中一束光转向，使之与另一束光平行，这两束光经频移器（3）后产生一定频差。具有频差的两束光中的一束做为测量光束经半透半反镜（10）射到被测目标上。另一束做为参考光。参考光与由测量目标散射或反射回的测量光在光电接收器（9）产生外差干涉。光电接收器输出的光电信号的频率与被测目标沿Z方向的速度成比例。通过检测频率的变化就可得到目标沿Z方向的运动情况。它可用于测量沿光轴方向（Z方向）的振动。

在许多实际应用中，需要同时测量与光轴垂直方向（X方向）和沿光轴方向（Z方向）的运动情况，因此必须用LDA和LDV两台仪器，用LDA时，外界振动会引入测量结果造成误差，由于相位噪声大，不能进行相位测量，使分辨率难以提高。另外，被测物在与光轴垂直的平面内，除有平动外，还可能有转动。上述的两种仪器均不能测出被测物的转动角度。

本发明的目的在于克服上述测量方法的不足之处，提出一种能测量物体的多种运动姿态的测量方法，提高测量精度和分辨率，扩大测量范围，本发明根据这种测量方法设计出一种运动姿态测量仪，可对LDA和LDV进行方便转换并可测出物体的转动角度。

本发明提出一种运动姿态测量方法，采用激光多普勒测量技术，即将激光束聚焦后射到被测物点上，该被测物点反射及散射回来的光由光电接收器接收并转换成电信号输出，信号处理***对该电信号的频率进行检测，分析，得到被测点的运动姿态，其特征在于采用准共路四光束双焦点的光路***，即用分光元件将所说的激光光束分成四束具有两种不同偏振方向的偏振光，用频率调制器使其中两束具有不同偏振方向的偏振光与另外两束偏振光产生一定量的频差再用聚光元件使所说的两束以上的光束形成相距不远的两个光点，所说的被测物放置在所说的两个光点处，所说的光电接收器接收两个焦点处的被测物点的反射光及散射光并转换成电信号输出，所说的信号处理***对所说的两组电信号的频率及相位进行检测。

上述测量方法的光路***还可构成双光束差动式光路，即所说的聚光元件把所说的四束光中具有相同偏振方向的两束光聚焦成一点，把具有另外一种偏振方向的两束光聚焦成另一点，所说的光电接收器接收两焦点处被测物点的反射光及散射光。

上述测量方法的光路***还可构成为参考光式光路，即所说的聚光光件把所说的四束光中具有相同频率的两束光聚焦成两个焦点后射到所说被测物的两点上，所说被测物点的反射光、散射光由所说的电光接收器接收，所说的另外两束光作为参考光，聚焦后由光学转向元件直接射向所说的光电接收器。

本发明所述的运动姿态测量方法，其特征在于所说的光路***中设置一光路选择的实现双光束差动式光路与参考光式光路的转换方法。本发明的原理如图3所示，激光器1发出的光由分光元件（12）分成两束，频移器（13）使这两束光产生频差。具有频差的两束光经分光器（14）后分成四束。四束中的两束光（A、B）经聚光装置（16）后射到被测物体表面，另两束光（A′、B′）由一光路选择器控制。①当测量沿X方向的运动时，光路选择器使光束A′、B′通过聚光装置射到被测表面，（此时进入到检测器的光线被关闭），分别与另两束光A、B会聚在被测表面上两点P₁、P₂。P₁、P₂两点处的散射光线由检测器（17）收集并转转换成电信号。电信号由后续处理器处理可得到物体表面沿X方向的运动。②当测量Z方向上运动，光路选择器使得光线A′、B′进入检测器（17）（此时进入到聚光装置的光线被关闭），做为参考光，与来自被测表面的光束A、B在P₁、P₂两点处的散射光线相互干涉，干涉信号转换成电信号送后续处理器，处理后可得到物体表面沿Z方向上的运动。

在本发明中，代表P₁、P₂两点运动信息的光电流信号的表达式为：

i₁（t）＝I₀₁+A₁COS（2πf₀t₁+φ₁+φ₀₁）

i₂（t）＝I₀₂+A₂COS（2πf₀t₂+φ₂+φ₀₂）

式中：φ₁、φ₂是与测量点处位移成比例的相位项，φ₀₁、φ₀₂是初始相位;I₀₁、I₀₂是平均电流、A₁、A₂是随机幅值。

对于X方向运动测量有：

φ₁＝R_x·d_x1

φ₂＝R_x·d_x2

对Z方向运动有：

φ₁＝R_z·d_z1

φ₂＝R_z·d_z2

其中R_x、R_z是由光路***决定的X方向、Z方向的比例因子。

d_x1、d_x2、d_z1、d_z2，分别是P₁、P₂点在X向和Z向的位移。

信号处理器可检测出相位φ₁、φ₂从而得到被测目标在X方和Z向的运动。

对于在与光轴（Z向）垂直的平面内的转动有：

转角：φ_x＝（d_x1-d_x2）/L

转动角速度：ω_x＝dφ_x/dt

对于在光轴平面内的转动有：

转角：φ_z＝（d_z1-d_z2）/L

转动角速度：ω_z＝dφ_z/dt

式中L是P₁、P₂两点间距。

本发明所述的双光束差动式光路与参考光式光路的转换方法有两种具体方案，其一所说的四束光中具有两束相同频率的，一路中放置一可移动的转向元件。当该转向元件移出光路外时，构成差动式光路，当该转向元件放置在该光路中时，则构成参考式光路。

其二，所说的四束光中具有两束相同频率的为一路，在该光路中放置一分光元件，把这一路光分成按原方向进行的第一路光束，及转变了方向的第二路光束，该第一路和第二路中分别设置一个光线开关，并使二个开关状态相反，当第一路光中的光线开关开启时，则构成差动式光路，当第二路光中的光线开关开启时，则构成参考式光路。

本发明按上述方法设计出一种运动姿态测量仪，由激光光源、分光元件、光学转向元件、聚光元件组成的光学***，光电接收器，信号处理***组成，其特征在于所说的光学***构成如下：由激光光源出射的光束被第一分光元件分成两束光，这两束光分别经过频率调制器后产生一定频差，带有频差的两光束光分别由偏振器件变成偏振方向相互垂直的四束光，这四束光由聚光元件两两会聚成相隔一定距离的两个光点。

该运动姿态测量仪的光学***还可设置一可移动的光学转向元件，用其实现双光束差动式光路与参考光式光路的转换，或者设置第二个分光元件和两个光线开关替代上述可移动的光学转向元件实现两种光路的快速转换。

本发明所述的运动姿态测量仪中的信号处理***框图如图4所示，包括予处理电路A₁、A₂、A₃;跟踪滤波器与调制解调器（T₁、T₂、T₃）;选择开关（S）;频差倍增与减法器（L）;相位检测器（P）;输入输出接口（I/O）;频移电源及混频器（M）;计算机（PC）等部分组成。

本发明所述的测量仪可对运动物体进行多种测量，测量精度高，测量范围广，对机械***的微小振动分析，腐蚀蠕变，焊缝热变形分析等领域有广泛的的应用前景。

附图简要说明：

图1 为已有的光多普勒测速仪（LDA）光路原理及结构示意图。

图2 为已有的激光多普勒测振仪（LDV）光路原理及结构示意图。

图3 本发明提出的运动姿态测量方法原理示意图。

图4 本发明的信号处理***框图。

图5 本发明的一种最佳实施例光学原理及结构示意图。

图6 本发明的一种最佳实施例信号处理***总体框图。

本发明提出一种最佳实施例是用于测量计算机硬盘驱动器的磁头的多功能磁头飞行姿态测量仪。现结合附图5、6进行详细描述。图5为本实施例的总体光路及结构示意图。由功率为5mw波长为0.6328μm的He-Ne激光器发出线偏振激光，偏振分光镜（18）将激光束分成两偏振方向相垂直的两束激光并由反射棱镜（19）、（20）反射成两平行光束，两平行光分别经声光调制器（21）、（22）后产生频移，带有频移的光束分别经λ/4波片（23）、（24）后，变成圆偏振光。渥拉斯登棱镜（25）、（26）将两圆偏振光变成四束偏振相互垂直的四束光。两渥拉斯登棱镜分束角相等且对称布置。每一个渥拉斯登棱镜可绕其光轴旋转，使得其分开的两光束所在平面与由另一个渥拉斯棱镜分开的两光束所在的平面相互平行，且两平面与水平面相垂直。反射镜（27）、（28）固定在一导轨上可沿箭头所示方向移动以使光路适合不同的测量需要。当测量磁头面内姿态时，移动导轨使渥拉斯登棱镜（25）发出的两束光直接照到光阑（34），得到四光束双焦点差动式光路。当测量磁头垂向姿态时，移动导轨使反射棱镜（28）将渥拉斯登棱镜（25）发出的两束光截断，并反射到反射棱镜（27），使这两束光做为参考光，形成双光束双焦点参考光式光路。反射镜（36）、透镜（5）、透镜（8）、反射镜（7）、偏振分光镜（31）及两检偏器（30）、（32），光电接收器（29）、（33），对于两种方式的光路都是固定的，两种测量方式的转换，只需平移反射镜（27）、（28）即可。

被测物表面上两焦点间距L是透镜（5）的焦距f₅和渥拉斯登棱镜分束角θ的函数，由几何光学可得：

L＝f₅·tgθ

根据具体的测量对象可选择不同的L值。当L值确定后，可首先确定θ值，再确定f₅。改变透镜焦距，可改变两测点的间距。

本实施例中，对于磁头测量，两焦点的距离在2～4mm范围。形成两焦点的光束，偏振方向相互垂直，且实验表明，在测量点处的散射光及反射光的的退偏不严重，故可用偏振分光镜将两测点的散射光分开。

本实施例中，声光调制器（21）、（22）的声光驱动电源的频率分别选取40MHZ和41MHZ，其频差为1MHZ，两光电接收器选用PIN光电接收器。本实施例的信号处理***总体框图如图6所示。其工作原理如下：两光电接收器接收到中心频率f₀为1MHZ的光电信号，还包含大量噪声，含有噪声的信号通过中心频率为f₀、带宽为△f的滤波器BF1、BF2后滤去大部分噪声，得到幅度随机调制，中心频率为f₀的信号。该信号经自动增益控制电路AGC后变为幅值恒定的正弦信号，再经RS触发器后得到方波信号。该方波信号的中心频率为f₀，相位与测量点的位移成正比，相位随时间的变化即信号的频率与速度成正比。两声光电源AOS₁AOS₂输出的信号经混频电路M₁进行混频，再经带通滤波器BF₃后得到频率为f₀的标准信号。RS₁、RS₂输出的两路测量信号通过跟踪滤波器TF₁、TF₂后得到与测量点速度成比例的模拟输出和方波输出，RS₃输出的标准信号通过TF₃后得到标准方波输出，这三路方波信号经过选择开关输入频差倍增器×10后送计数器C₁计数。当选择开关接通TF₁、TF₂时，C₁计数器所计脉冲数为两测点的相对位移;当选择开关接通TF₁、TF₃或TF₂、TF₃时，C₁计数器所计脉冲数，为一个测点的绝对位移。计数器C₁的输出通过计算机接口电路送入计算机计算。RS₁与RS₂，RS₁与RS₃的输出还可分别送入相位检测器得到与两信号的相位差或正比的模拟电压，再经低通滤波器滤波，其模拟量输出可直接由记录仪进行记录，也可通过A/D转换输入计算机进行运算。

本实施例所述的多功能磁头飞行姿态测量仪可以在光轴的垂直方向和沿光轴方向测出0.05μm的线位移和2.5″角位值，测出0.2m/sec～0.1μm/sec的线速度和10⁷角秒/S～5角秒/S角速度，完全满足了对磁头运动状态的测量工作。

Claims

1、一种运动姿态测量方法，采用激光多普勒测量技术，即将激光束聚焦后射到被测物点上，该被测物点反射及散射回来的光由光电接收器接收并转换成电信号输出，检测电路对该电信号的频率及相位进行检测，分析，得到被测点的运动姿态，其特征在于采用准共路四光束双焦点的光路***，即用分光元件将所说的激光光束分成四束具有两种不同偏振方向的偏振光，用频率调制器使其中两束具有不同偏振方向的偏振光与另外两束偏振光产生一定量的频差，再用聚光元件使所说的两束以上的光束形成相距不远的两个光点，所说的被测物放置在所说的两个光点处，所说的光电接收器接收两个焦点处的被测物点的反射光及散射光并转换成电信号输出，所说的检测电路对所说的两组电信号的频率及相位进行检测。

2、一种如权利要求1所述的运动姿态测量方法，其特征在于所说光路***为双光束差动式光路，即所说的聚光元件把所说的四束光中具有相同偏振方向的两束光聚焦成一点，把具有另外一种偏振方向的两束光聚焦成另一点，所说的光电接收器接收两焦点处被测物点的反射光及散射光。

3、一种如权利要求1所述的运动姿态测量方法，其特征在于所说的光路***为参考光式光路，即所说的聚光元件把所说的四束光中具有相同频率的两束光聚焦成两个焦点后射到所说被测物的两点上，所说被测物点的反射光，散射光由所说的电光接收器接收，所说的另外两束光作为参考光，聚焦后由光学转向元件直接射向所说的光电接收器。

4、一种如权利要求1所述的运动姿态测量方法，其特征在于所说的光路***中设置一光路选择器，实现双光束差动式光路与参考光式光路的转换。

5、一种如权利要求4所述的运动姿态测量方法，其特征在于所说的光路选择器为可移动的转向元件，即所说的四束光中具有两束相同频率的为一路，在该光路中放置所说的可移动的转向元件，当该转向元件移出光路外时，则构成差动式光路，当该转向元件放置在该光路中时，则构成参考式光路。

6、一种如权利要求4所述的运动姿态测量方法，其特征在于所说的光路选择器由转向元件与光线开关组成，即所说的四束光中具有两束相同频率的为一路，在该光路中放置一分光元件，把这一路光分成按原方向进行的第一路光束及转变了方向的第二路光束，该第一路和第二路中分别设置一个光线开关，并使二个开关状态相反，当第一路光中的光线开关开启时则构成差动式光路，当第二路光中的光线开关开启时，则构成参考式光路。

7、一种采用如权利要求1所述方法的运动姿态测量仪，由激光光源、分光元件、光学转向元件、聚光元件组成的光学***，光电接收器，信号处理***组成，其特征在于所说的光学***构成如下：由激光光源出射的光束被第一分光元件分成两束光，这两束光分别经过频率调制器后产生一定频差，带有频差的两光束分别由偏振器件变成偏振方向相互垂直的四束光，这四束光由聚光元件两两会聚成相隔一定距离的两个光点。

8、如权利要求7所述的运动姿态测量仪，其特征在于所说的光学***还包括有一可移动的光学转向元件。

9、如权利要求7所述的运动姿态测量仪，其特征在于所说的光学***还包括有第二个分光元件和两个光线开关。

10、如权利要求7所述的运动姿态测量仪，其特征在于所说的信号处理***包括予处理电路;跟踪滤波器与调制解调器;选择开关;频差倍增与减法器;相位检测器;输入输出接口;频移电源及滤频器;计算机。