CN106382979A - 一种激光测振仪阶跃响应的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光测振仪阶跃响应特性的测量装置及方法，属于光电测量技术领域。本发明的光频调制器测量装置，包括被计量对象激光测振仪、偏振片P1、偏振片P2、偏振反射镜M1、半透半反镜M2、声光调制器AOM1、声光调制器AOM2、FM信号源、方波信号源、正弦信号源、半透半反镜M3、反射镜M4、M5、M6、M7、半透半反镜M8、光电探测器等，通过拍频将该光频调制信号下变频至射频范围，然后，借助于高速数据采集和量化技术获取信号波形序列，以数字化方式实现激光频率调制信号波形的瞬时频率精确解调，进而获得作为标准的运动速度波形和运动加速度波形，并最终解决激光测振仪本身阶跃响应的精确测量和量值溯源问题。

Description

一种激光测振仪阶跃响应的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种激光测振仪阶跃响应的测量装置及方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

激光测振仪是一种通用、基础性振动、冲击测量仪器，具有高精度、非接触、对被测对象无附加干扰和影响的测量仪器，它的计量校准一直是行业难点问题，主要是因为它的激励为运动量值(位移、速度、加速度)，而所用测量原理又是通过激光多普勒效应进行，需要通过光频率变化感知物理运动，输出又是以电信号数据形式给出结果，涉及机械运动、光频控制、电子测量等不同方面。

通常对其计量校准均是通过“标准振动台”激励，以“标准激光测振仪”进行量值测量，对其它激光测振仪进行计量校准。由于振动台属于机电结构的物理运动装置，受限于物理原理和机械原理等的限制，以及材料、机械加工能力等的限制，和激光测振仪这种光电测量仪器相比，其稳定性不易达到很高，频带较窄，并且在低频时振幅可以达到比较大的量值，而高频情况下，振幅仅能实现非常小的量值，准确度也较低，不易达到给激光测振进行计量溯源的技术要求。尽管使用标准激光测振仪进行计量校准，由于振动台特性造成的不确定度以及其振幅和频率范围所造成的限制仍然是激光测振仪计量校准中存在的主要问题。另一方面，使用标准激光测振仪对其它激光测振仪进行计量溯源本身，也存在着逻辑上的问题是，标准激光测振仪自己的计量校准问题仍然无法获得解决。

发明内容

本发明的目的是为了解决激光测振仪计量校准中存在的受限于振动台等机械运动的技术参数无法完全覆盖测振仪量程且稳定性不如测振仪的主要问题，以及标准激光测振仪计量溯源无法完全解决的问题，提出一种激光测振仪阶跃响应的测量装置及测量方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种激光测振仪阶跃响应测量装置，包括激光测振仪、第一偏振片、第二偏振片、偏振反射镜、第一半透半反镜、第一声光调制器、第二声光调制器、FM信号源、方波信号源、正弦信号源、第二半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第三半透半反镜、光电探测器、滤波放大器、数字示波器及电子计算机。

一种激光测振仪阶跃响应的测量装置，具体测量方法为：

由激光测振仪发出的稳频激光，经过第一偏振片、偏振反射镜、透射至第一半透半反镜后一分为二，一路经第一声光调制器，被方波调制的FM信号源调制，产生+1衍射级的光频调制信号，其调制波形为方波信号，中值频率在第一声光调制器的+1衍射级的光频处。第一声光调制器作为光频调制的核心器件，实现光频阶跃。该信号经第二半透半反镜后又一分为二，一路经第二声光调制器的-1级衍射移频，获得中值频率为激光测振仪输出频率的光频调制信号，第二声光调制器作为光频频移器件。经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜反射后，以光频振动特征回到激光测振仪进行测量处理，获得激光测振仪的阶跃响应波形。其中的正弦信号源用于控制第二声光调制器的-1级频率。另外一路与第一半透半反射镜分光出的未经调制的光频信号进行拍频，获得射频频率的频率调制信号，经过光电探测器接收，得到射频范围内的方波调频信号，该信号经过数字示波器采集，经计算机进行数字化解调后，获得频率解调波形序列：

按照式(1)计算获得运动速度波形序列

${\hat{v}}_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×{\hat{f}}_i---\left(1\right)$

式中，λ为激光测振仪输出的激光波长；运动速度瞬时估计值，(i＝1,2,…,M)；为调制波形频移值，(i＝1,2,…,M)；M为解调后的序列长度。

按照式(2)计算获得运动加速度波形序列

$a\left(t\right)=\frac{dv\left(t\right)}{dt}---\left(2\right)$

从而完成激光测振仪的测量装置的赋值过程。

运动加速度瞬时估计值，(i＝1,2,…,M)；d为微分运算符。t为时间变量。

将激光测振仪运动速度或运动加速度测量结果与上述波形序列参量相比较，可以获得激光测振移阶跃响应特性的校准结果。

有益效果

本发明使用电信号控制光信号产生具有阶跃运动特征的激光多普勒信号，以光频控制变化代替物理的机械运动产生多普勒频移方式，直接产生具有运动多普勒特征的光频调制信号，从而避免了机械运动产生高质量阶跃信号的难点。由此计量校准激光测振仪的阶跃响应特性，与冲击机的激励相比，本发明具有更快的上升时间，更宽的频率范围，更大的振幅范围。

关于本装置产生的阶跃激励信号的参量赋值，是通过拍频将该光频调制信号下变频至射频范围，然后，借助于高速数据采集和量化技术获取信号波形序列，以数字化方式实现激光频率调制信号波形的瞬时频率精确解调，进而获得作为标准的振动速度波形和振动加速度波形，并最终解决激光测振仪本身阶跃响应的精确测量和量值溯源问题。因此，本发明实际上是将线运动信号(线运动速度、线运动加速度)量值通过频率调制与解调技术溯源到频率量值上，因而从原理上，具有比机械运动激励更高的测量准确度和稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种激光测振仪阶跃响应测量装置结构示意图；

其中，P1-第一偏振片、P2-第二偏振片、M1-偏振反射镜、M2-第一半透半反镜、AOM1-第一声光调制器、AOM2-第二声光调制器、M3-第二半透半反镜、M4-第一反射镜、M5-第二反射镜、M6-第三反射镜、M7-第四反射镜、M8-第三半透半反镜。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种激光测振仪阶跃响应测量装置，包括激光测振仪、第一偏振片(P1)、第二偏振片(P2)、偏振反射镜(M1)、第一半透半反镜(M2)、第一声光调制器(AOM1)、第二声光调制器(AOM2)、FM信号源、方波信号源、正弦信号源、第二半透半反镜(M3)、第一反射镜(M4)、第二反射镜(M5)、第三反射镜(M6)、第四反射镜(M7)、第三半透半反镜(M8)、光电探测器、滤波放大器、数字示波器以及电子计算机。

具体测量方法为：

由激光测振仪发出的稳频激光，经过第一偏振片(P1)、偏振反射镜(M1)、透射至第一半透半反镜(M2)后一分为二，一路经第一声光调制器(AOM1)，被方波调制的FM信号源调制，产生+1衍射级的光频调制信号，其调制波形为方波信号，中值频率在第一声光调制器(AOM1)的+1衍射级的光频处。该信号经第一半透半反镜(M3)后又一分为二，一路经第二声光调制器(AOM2)的-1级衍射移频，获得中值频率为激光测振仪输出频率的光频调制信号，经第一反射镜M4、第二反射镜M5、第三反射镜M6、第四反射镜M7反射后，以光频振动特征回到激光测振仪进行测量处理，获得激光测振仪的阶跃响应波形。其中的正弦信号源用于控制第二声光调制器(AOM2)的-1级频率。另外一路与第一半透半反镜(M2)分光出的未经调制的光频信号进行拍频，获得射频频率的频率调制信号，经过光电探测器接收，得到射频范围内的方波调频信号，该信号经过数字示波器采集，经计算机进行数字化解调后，获得频率解调波形序列：

按照式(1)计算获得运动速度波形序列

${\hat{v}}_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×{\hat{f}}_i---\left(1\right)$

式中，λ为激光测振仪输出的激光波长；

按照式(2)计算获得运动加速度波形序列

$a\left(t\right)=\frac{dv\left(t\right)}{dt}---\left(2\right)$

从而完成激光测振仪的测量装置的赋值过程。

将激光测振仪运动速度或运动加速度测量结果与上述波形序列参量相比较，可以获得激光测振移阶跃响应特性的校准结果。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，均落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.本发明的一种激光测振仪阶跃响应的测量装置，其特征在于：包括激光测振仪、第一偏振片、第二偏振片、偏振反射镜、第一半透半反镜、第一声光调制器、第二声光调制器、FM信号源、方波信号源、正弦信号源、第二半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第三半透半反镜、光电探测器、滤波放大器、数字示波器及电子计算机；

光路走向为：由激光测振仪发出的稳频激光，经过第一偏振片、偏振反射镜、透射至第一半透半反镜后一分为二，一路经第一声光调制器，被方波调制的FM信号源调制，产生+1衍射级的光频调制信号，其调制波形为方波信号，中值频率在第一声光调制器的+1衍射级的光频处；第一声光调制器作为光频调制的核心器件，实现光频阶跃；该信号经第二半透半反镜后又一分为二，一路经第二声光调制器的-1级衍射移频，获得中值频率为激光测振仪输出频率的光频调制信号，第二声光调制器作为光频频移器件；经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜反射后，以光频振动特征回到激光测振仪进行测量处理，获得激光测振仪的阶跃响应波形；其中的正弦信号源用于控制第二声光调制器的-1级频率；另外一路与第一半透半反射镜分光出的未经调制的光频信号进行拍频，获得射频频率的频率调制信号，经过光电探测器接收，得到射频范围内的方波调频信号，该信号经过数字示波器采集，经计算机进行数字化解调后，获得频率解调波形序列。

2.如权利要求1所述的一种激光测振仪阶跃响应的测量装置的测量方法，其特征在于：所述计算机进行数字化解调后获得的频率解调波形序列：

按照式(1)计算获得运动速度波形序列

${\hat{v}}_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×{\hat{f}}_i---\left(1\right)$

式中，λ为激光测振仪输出的激光波长；运动速度瞬时估计值，(i＝1,2,…,M)；为调制波形频移值，(i＝1,2,…,M)；M为解调后的序列长度；

按照式(2)计算获得运动加速度波形序列

$a\left(t\right)=\frac{dv\left(t\right)}{dt}---\left(2\right)$

从而完成激光测振仪的测量装置的赋值过程；

其中，运动加速度瞬时估计值，(i＝1,2,…,M)；d为微分运算符，t为时间变量；

将激光测振仪运动速度或运动加速度测量结果与上述波形序列参量相比较，即能获得激光测振移阶跃响应特性的校准结果。