CN115616238A - 一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪 - Google Patents

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CN115616238A CN202210493963.4A CN202210493963A CN115616238A CN 115616238 A CN115616238 A CN 115616238A CN 202210493963 A CN202210493963 A CN 202210493963A CN 115616238 A CN115616238 A CN 115616238A
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段小艳
张大治
林碧雪
田森
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Abstract

本发明公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，属于冲击测量领域。本发明包括激光器光源、偏振片、第一双凸透镜、第一平行平板、第二平行平板、平凸透镜、合作光栅、第一反射镜、第二反射镜、第二双凸透镜、平凹透镜、光电探测器；还包括调节分光棱镜。本发明通过改变差动式光栅激光测速仪的分光棱镜的分光间距，只需要通过前后移动调节分光棱镜中间的小三角棱镜，将分光间隔调整到所需大小，实现在不改变整体结构的前提下使得测速仪可同时应用于多种不同光栅常数的合作光栅。本发明具有在不改变测速仪整体结构情况下可更换不同栅距合作光栅的优点，能够根据测量需求灵活选择合适光栅，提高激光测速仪的适用性，节约成本。

Description

一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪
技术领域
本发明涉及一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，属于冲击测量领域。
背景技术
冲击测量领域一般采用激光绝对法，即利用激光多普勒测速仪进行加速度校准，目前最常用的激光测速仪主要有两种，一种即基于马赫-曾德干涉仪结构的外差(或零差)激光测振仪，其工作方式为轴向测量，激光器的光束被分光棱镜分成参考光和测量光两束，测量光迎着冲击速度的方向打在被测目标上，反射回光携带冲击目标的速度等信息与参考光发生干涉形成多普勒信号，利用多普勒频移Δf与速度v的关系式：
Figure RE-GDA0003992843540000011
即可解调得到冲击速度。另一种最常用的激光测速仪即横向测量方式的差动式激光测速仪，其光学原理如附图 1(a)所示，其需要借助合作目标—反射光栅进行工作。反射光栅固定在冲击装置的砧体侧面，主要原理为利用双入射光束光栅产生的多普勒频移，激光器发出的光被分成两束后对称照射在反射光栅表面上分别发生衍射，通过光学设计调整光栅的入射角可实现两光束的衍射光沿着光轴方向返回并发生干涉，干涉信号被光电探测器接收。冲击作用下驱动砧体(及光栅)发生轴向移动，“切割”干涉区域，引起干涉条纹的移动，通过测量条纹的移动量即可实现冲击位移/速度的测量。为了保证光栅衍射光波形成相长干涉，经过光栅相邻刻线的光程必须相差半波长的整数倍，设光栅常数为d，光栅两入射光束的入射角分别为ψ和-ψ，衍射角分别为θ1、θ2，当光栅运动时每一级衍射光均发生多普勒频移，由光程差表达式可以推导出：多普勒频移
Figure RE-GDA0003992843540000012
根据干涉条件和光栅方程，可到
Figure RE-GDA0003992843540000013
(m，k为衍射级次)两衍射光重合且衍射方向沿光轴方向即θ1＝θ2＝0，则有
Figure RE-GDA0003992843540000014
通常选择两光束的+1和-1级光，以使干涉仪的镜头口径小一些。则
Figure RE-GDA0003992843540000015
通过比较两种类型激光测速仪的工作原理可见，差动式光栅激光测速仪的最大优势在于可以降低冲击速度对应的频移，更容易实现高速冲击速度的测量。以基于光栅常数d＝150，即150线/毫米合作光栅的差动式激光多普勒测速仪为例，根据测量公式，1m/s的冲击速度对应0.316MHz的频移，而外差激光测振仪对应3.16MHz的频移，前者可以大大降低后续信号采集和处理电路的压力，更容易实现高速测量。但传统光栅差动式激光测速仪的主要问题是一旦结构完成建立，只能针对某一栅距的合作光栅工作，如果更换光栅需要重新进行结构设计和干涉仪的搭建，造成应用局限，增加使用成本。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，通过改变差动式光栅激光测速仪的分光棱镜的分光间距，实现在不改变整体结构的前提下使得测速仪可同时应用于多种不同光栅常数的合作光栅。本发明具有在不改变测速仪整体结构情况下可更换不同栅距合作光栅的优点，能够根据测量需求灵活选择合适光栅，提高激光测速仪的适用性，节约成本。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，包括激光器光源、偏振片、第一双凸透镜、第一平行平板、第二平行平板、平凸透镜、合作光栅、第一反射镜、第二反射镜、第二双凸透镜、平凹透镜、光电探测器；还包括调节分光棱镜。
所述调节分光棱镜由两块上、下反射棱镜和小三角棱镜构成；通过调节小三角棱镜的位置，实现激光束分束间距的改变以适应不同合作光栅下横向运动速度的测量，即多种栅距合作光栅的差动式激光测速。
进一步地，所述调节小三角棱镜的位置，实现方法为：
根据差动式光栅激光测速仪的工作原理，推导出两平行光束的分光间距与栅距、波长满足关系式：
Figure RE-GDA0003992843540000021
式中D为两平行光束的分光间距，f2为平凸透镜的焦距，λ为激光器光源的波长，d为光栅常数，即光栅每两条相邻刻线之间的距离。根据该公式，当合作光栅的栅距(即光栅常数d)发生改变时，只需要通过前后移动调节分光棱镜中间的小三角棱镜，将分光间隔调整到所需大小。栅距增加(光栅常数d大)，两平行光束的间距越小，小三角棱镜需要向左平移，栅距减小(光栅常数d小)，两平行光束的间距越大，小三角棱镜需要向右平移。调节分光棱镜的上、下两反射棱镜组件均为45度反射面，根据几何关系推算，平行光束的间隔变化量ΔD与三角棱镜的位移量Δx满足二倍关系，即：ΔD＝2Δx。
作为优选，所述第一平行平板和第二平行平板为第一平行玻璃平板和第二平行玻璃平板。
本发明公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪的工作方法为：激光器光源发出的激光，经过偏振片变成某确定偏振方向的线偏振光，双凸透镜和平凸透镜构成光束准直镜组，线偏振光先通过双凸透镜后被调节分光棱镜分成两间隔确定的平行光束，并分别通过第一平行平板和第二平行平板，利用平行平板不改变入射光方向但会使入射光束发生平移的性质，通过转动第一平行平板和第二平行平板对分开的两平行光束的分光间距进行微调，调整后的两平行光束经平凸透镜会聚到合作光栅上同一点后，分别发生衍射，产生多级衍射光，根据所采用的合作光栅的栅距参数，利用双入射光束的衍射和干涉理论计算，通过选择合适焦距的透镜，控制两光束在光栅的入射角(两光束相对光轴对称，二者光栅入射角大小相等)，使得两光束的某级次衍射光的方向衍射光刚好沿光轴方向，使得两光束发生干涉，干涉光束依次经第一反射镜和第二反射镜，进入双凸透镜和平凹透镜构成的放大镜组，对形成的干涉条纹进行放大后进入探测器，目的是应对光束发生偏摆或者外界干扰引起干涉条纹抖动时，干涉信号仍能被光电池探测器的接收口径接收到。干涉仪工作时，合作目标会固定于被测目标表面，当光栅(被测物体)发生垂直于光轴方向的横向运动时，干涉条纹会发生移动，通过测量条纹改变量能够得到光栅运动产生的多普勒频移信号。根据激光多普勒原理，利用多普勒频移Δf和速度v的线性关系Δf＝2v/λ，式中λ为激光波长，能够解算出运动物体的移动速度。
根据差动式光栅激光测速仪的工作原理，当合作光栅的栅距以及所选择的干涉的衍射光级次确定后，两光束的光栅入射角即确定，则意味着激光光束一分为二时的两束平行光的间距是固定的。为了保证该结构和元器件参数能够同时适用于多个不同栅距的合作光栅，需要对原激光束分开的两平行光束的间距进行调整，实现该功能的核心部件是调节分光棱镜，该调节分光棱镜由两个不规则的上、下反射棱镜模块和中间的可移动的直角棱镜组成，前通光面为镀工作波长匹配的半透半反膜，使得光线一分为二，一半反射进入上部棱镜，另一半透射到达直角棱镜后通光面，后通光面镀工作波长匹配的全反射膜，保证光线完全被反射并通过直角棱镜底面进入下部反射棱镜，通过沿光轴方向前后移动该中间三角棱镜实现分光间距的减小和增大，并根据不同合作光栅所要求的两光束的间距计算结果进行调整，并通过第一平行平板和第二平行平板进行光程的补偿调节。
有益效果
1、本发明公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，通过改变差动式光栅激光测速仪的分光棱镜的分光间距，实现在不改变整体结构的前提下使得测速仪可同时应用于多种不同光栅常数的合作光栅。本发明与现有的差动式激光测速仪相比，具有在不改变测速仪整体结构情况下可更换不同栅距合作光栅的优点，能够根据测量需求灵活选择合适光栅，提高激光测速仪不用测试需求的适用性，节约成本。
2、本发明公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，根据差动式光栅激光测速仪的工作原理，推导出两平行光束的分光间距与栅距、波长满足关系式，根据该公式，当合作光栅的栅距发生改变时，只需要通过前后移动调节分光棱镜中间的小三角棱镜，将分光间隔调整到所需大小，实现激光束分束间距的改变以适应不同合作光栅下横向运动速度的测量，即多种栅距合作光栅的差动式激光测速。
附图说明
图1(a)是本发明的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪的结构示意图；
图1(b)是本发明专利的核心结构调节分光棱镜的结构示意图；
图1(c)是本发明专利的一应用实例，分光棱镜的可调节模块采用滑轮运动方式实现分光间距调节的结构示意图；
其中，1—激光器光源、2—偏振片、3—双凸透镜、4—调节分光棱镜、5—第一平行平板、6—第二平行平板、7—平凸透镜、8—合作光栅、9—第一反射镜、10—第二反射镜、11—双凸透镜、12—平凹透镜、13—光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如附图1(a)、(b)所示，本实施例公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，包括激光器光源1、偏振片2、双凸透镜3、调节分光棱镜4、第一平行平板5、第二平行平板6、平凸透镜7、合作光栅8、第一反射镜9、第二反射镜10、双凸透镜11、平凹透镜12、光电探测器13。
激光器光源1发出的激光，经过偏振片2变成预定偏振方向的线偏振光，凸透镜3和平凸透镜7构成光束准直镜组，线偏振光先通过凸透镜3后被可调节分光棱镜4分成两间隔确定的平行光束，并分别通过第一平行平板5和第二平行平板6，利用平行平板不改变入射光方向但会使入射光束发生平移的性质，通过转动平行平板可以对分开的两平行光束的分光间距进行微调，调整后的两平行光束经平凸透镜7会聚到合作光栅8上同一点后，分别发生衍射，产生多级衍射光，根据所采用的合作光栅的栅距等参数，利用双入射光束的衍射和干涉理论计算，可以通过选择合适焦距的透镜，控制两光束在光栅的入射角(两光束相对光轴对称，二者光栅入射角大小相等)，使得两光束的某级次衍射光的方向衍射光刚好沿光轴方向，例如可分别选择两光束的+1级和-1级衍射光，二者方向均与光轴方向重合，发生干涉，干涉光束依次经第一反射镜9和第二反射镜10，进入双凸透镜11和平凹透镜12构成的放大镜组，对形成的干涉条纹进行放大后进入探测器13，目的是应对光束发生偏摆或者外界干扰引起干涉条纹抖动时，干涉信号仍能被光电池探测器的接收口径接收到。干涉仪工作时，合作目标8会固定于被测目标表面，当光栅(被测物体)发生垂直于光轴方向的横向运动时，干涉条纹会发生移动，通过测量条纹改变量可以得到光栅运动产生的多普勒频移信号。根据激光多普勒原理，利用多普勒频移Δf和速度v的线性关系Δf＝2v/λ，式中λ为激光波长，可以解算出运动物体的移动速度。
根据差动式光栅激光测速仪的工作原理，当合作光栅8的栅距以及所选择的干涉的衍射光级次确定后，两光束的光栅入射角即确定，则意味着激光光束一分为二时的两束平行光的间距是固定的。为了保证该结构和元器件参数可以同时适用于多个不同栅距的合作光栅，需要对原激光束分开的两平行光束的间距进行调整，实现该功能的核心部件是调节分光棱镜4，该调节分光棱镜由两个不规则的上、下反射棱镜模块和中间的可移动的直角棱镜组成，其中三角棱镜的前后两个通光面均为45度斜面，前通光面为镀工作波长匹配的半透半反膜，使得光线一分为二，一半反射进入上部棱镜，另一半透射到达直角棱镜后通光面，后通光面镀工作波长匹配的全反射膜，保证光线完全被反射并通过直角棱镜底面进入下部反射棱镜，通过沿光轴方向前后移动该中间三角棱镜可实现分光间距的减小和增大，并根据不同合作光栅所要求的两光束的间距计算结果进行调整，并通过平行玻璃板5、6进行光程的补偿调节。
所述调节分光棱镜的结构主要由上、下两45°两反射棱镜和中间的可移动小三角棱镜组成，可以但并不局限于该结构，例如其中可移动小三角棱镜可以用两个立方棱镜代替。
实施例2：
如附图1(a)、(b)所示，本实施例公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，包括激光器光源1、偏振片2、双凸透镜3、调节分光棱镜4、第一平行平板5、第二平行平板6、平凸透镜7、合作光栅8、第一反射镜9、第二反射镜10、双凸透镜11、平凹透镜12、光电探测器13。
根据激光测速仪初始结构中主要部件的参数，对更换不同合作光栅8时三角棱镜的移动距离公式和工作情况进行具体介绍：设激光器光源1的波长为λ、激光器波长为双凸透镜3 的焦距为f1，平凸透镜7的焦距为f2、合作光栅8的光栅常数为d，对应的栅距即为1/dmm，根据该测速仪的工作原理，假设选择合作光栅的±1级衍射光(相对高级次衍射光，±1级衍射光的衍射角小，可有效减小光学元件的尺寸)，根据光栅方程：dsinθ＝kλ(其中k是衍射级次，θ是衍射角)，可以得到对应的衍射角满足
Figure RE-GDA0003992843540000051
而根据测速仪的光路原理和结构，若要保证±1级衍射光沿着光轴方向发生重合并干涉，再经反射镜9等元器件到光电探测器13，衍射角θ还应满足：
Figure RE-GDA0003992843540000052
其中D为入射到合作光栅的两平行光束的间距，根据衍射角的两个关系式，可以得到两平行光束的间距
Figure RE-GDA0003992843540000053
可见，当合作光栅的栅距(即d)发生改变时，只需要通过前后移动调节分光棱镜4中间的三角棱镜，将分光间隔调整到所需大小即可。栅距增加(光栅常数d大)，两平行光束的间距越小，小三角棱镜需要向左平移，栅距减小(光栅常数d小)，两平行光束的间距越大，小三角棱镜需要向右平移。调节分光棱镜4的上、下两反射棱镜组件的反射面均为45度反射面，根据几何关系推算，平行光束的间隔变化量ΔD与三角棱镜的位移量Δx满足二倍关系，即：ΔD＝2Δx。实际结构中，调节分光棱镜4的上、下两反射组件与中间小三角棱镜均存在一定空气间隔，假设光束在中间小三角棱镜高度中间入射，光束入射点与上下两反射棱镜的初始间隔均为
Figure RE-GDA0003992843540000054
则可计算出上、下棱镜的高度等尺寸，从而灵活设计调节分光棱镜的尺寸。
以具体参数化实例加以说明：设光轴通过直角棱镜的几何中心，假设初始状态干涉仪的激光器光源1的波长为λ为633nnm，双凸透镜3的焦距为100mm，平凸透镜7的焦距为300mm，合作光栅8的光栅常数为150线/毫米，即此时的分光间距约为57mm，分光棱镜4 的上、下两部分光棱镜与中间直角棱镜的空气间隔为5mm，直角棱镜采用常规边长25.4mm 型号，若将合作光栅更换为100线/毫米，所需分光间距缩短至约38mm，经几何推导计算，只需要将调节分光棱镜4的中间直角棱镜向左移动(57-38)/2＝8.5mm，并结合平行玻璃板 5、6将光栅两入射光束调节至最佳工作状态。同理，若采用200线/毫米的反射光栅，可计算得到分光棱镜的分光距离为85mm，此时需要将调节分光棱镜4的中间可移动棱镜向右移动(85-57)/2＝14mm，增大分光间距至85mm，并结合平行玻璃板调节达到光栅两光束的光点完全重合。此时，只需要保证分光棱镜的底面大于17mm，反射面高度最低小于5mm，最高点大于29mm即可实现。
实施例3：
如附图1(a)、(b)所示，本实施例公开的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，包括激光器光源1、偏振片2、双凸透镜3、调节分光棱镜4、第一平行平板5、第二平行平板6、平凸透镜7、合作光栅8、第一反射镜9、第二反射镜10、双凸透镜11、平凹透镜12、光电探测器13。
所述调节分光棱镜4能够根据选用的合作光栅进行分光间距的调整，改变光栅入射角，以保证更换光栅后，衍射光依然能形成干涉，提高激光速度测量仪的适用性。调节分光棱镜由3部分组成，上、下两不规则反射棱镜固定，中间棱镜为半透半反镜，可以前后滑动从而改变两束光的分光间距。以某一初始状态为基于150线/毫米的合作光栅的激光测速仪说明：光源为He-Ne激光器，波长为632.8nm，透镜3为焦距100mm的双凸透镜，透镜7为焦距300mm的平凸透镜，即光栅距离激光测速仪镜头的工作距离为300mm，双凸透镜11为焦距120mm的双凸透镜，平凹透镜12为焦距15mm的平凹透镜。由于合作光栅的光栅常数
Figure RE-GDA0003992843540000061
根据光栅方程可以得到光栅的两入射光束的入射角
Figure RE-GDA0003992843540000062
满足：
Figure RE-GDA0003992843540000063
时，两光束的正、负一级衍射角为0，即正负一级衍射光沿着光轴方向返回。此时，根据三角几何关系可以求得分光镜的分光距离约为57mm，该间距可通过平行玻璃板5、6进行补偿修正，以保证两光束的光斑在光栅表面完全重合。若将合作光栅更换为100线/毫米的反射光栅，即光栅常数
Figure RE-GDA0003992843540000064
可计算得到分光棱镜的分光距离应为38mm，根据几何关系能够推导出分光镜两出射光束的间隔变化量与直角棱镜的移动距离满足2倍关系。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，其特征在于：包括激光器光源、偏振片、第一双凸透镜、第一平行平板、第二平行平板、平凸透镜、合作光栅、第一反射镜、第二反射镜、第二双凸透镜、平凹透镜、光电探测器；还包括调节分光棱镜；
所述调节分光棱镜由两块上、下反射棱镜和小三角棱镜构成；通过调节小三角棱镜的位置，实现激光束分束间距的改变以适应不同合作光栅下横向运动速度的测量，即多种栅距合作光栅的差动式激光测速。
2.如权利要求1所述的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，其特征在于：所述调节小三角棱镜的位置，实现方法为，
根据差动式光栅激光测速仪的工作原理，推导出两平行光束的分光间距与栅距、波长满足关系式：
Figure FDA0003624474320000011
式中D为两平行光束的分光间距，f2为平凸透镜的焦距，λ为激光器光源的波长，d为光栅常数，即光栅每两条相邻刻线之间的距离；根据该公式，当合作光栅的栅距发生改变时，只需要通过前后移动调节分光棱镜中间的小三角棱镜，将分光间隔调整到所需大小；栅距增加，两平行光束的间距越小，小三角棱镜需要向左平移，栅距减小，两平行光束的间距越大，小三角棱镜需要向右平移；调节分光棱镜的上、下两反射棱镜组件的反射面均为45度反射面，根据几何关系推算，平行光束的间隔变化量ΔD与三角棱镜的位移量Δx满足二倍关系，即：ΔD＝2Δx。
3.如权利要求2所述的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，其特征在于：所述第一平行平板和第二平行平板为第一平行玻璃平板和第二平行玻璃平板。
4.如权利要求1、2或3所述的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，其特征在于：工作方法为，激光器光源发出的激光，经过偏振片变成某确定偏振方向的线偏振光，双凸透镜和平凸透镜构成光束准直镜组，线偏振光先通过双凸透镜后被调节分光棱镜分成两间隔确定的平行光束，并分别通过第一平行平板和第二平行平板，利用平行平板不改变入射光方向但会使入射光束发生平移的性质，通过转动第一平行平板和第二平行平板对分开的两平行光束的分光间距进行微调，调整后的两平行光束经平凸透镜会聚到合作光栅上同一点后，分别发生衍射，产生多级衍射光，根据所采用的合作光栅的栅距参数，利用双入射光束的衍射和干涉理论计算，通过选择合适焦距的透镜，控制两光束在光栅的入射角，使得两光束的某级次衍射光的方向衍射光刚好沿光轴方向，使得两光束发生干涉，干涉光束依次经第一反射镜和第二反射镜，进入双凸透镜和平凹透镜构成的放大镜组，对形成的干涉条纹进行放大后进入探测器，目的是应对光束发生偏摆或者外界干扰引起干涉条纹抖动时，干涉信号仍能被光电池探测器的接收口径接收到；干涉仪工作时，合作目标会固定于被测目标表面，当光栅发生垂直于光轴方向的横向运动时，干涉条纹会发生移动，通过测量条纹改变量能够得到光栅运动产生的多普勒频移信号；根据激光多普勒原理，利用多普勒频移Δf和速度v的线性关系Δf＝2v/λ，式中λ为激光波长，能够解算出运动物体的移动速度。
5.如权利要求4所述的一种用于多种栅距合作光栅的差动式激光测速仪，其特征在于：
根据差动式光栅激光测速仪的工作原理，当合作光栅的栅距以及所选择的干涉的衍射光级次确定后，两光束的光栅入射角即确定，则意味着激光光束一分为二时的两束平行光的间距是固定的；为了保证该结构和元器件参数能够同时适用于多个不同栅距的合作光栅，需要对原激光束分开的两平行光束的间距进行调整，实现该功能的核心部件是调节分光棱镜，该调节分光棱镜由两个不规则的上、下反射棱镜模块和中间的可移动的直角棱镜组成，其中三角棱镜的前后两个通光面均为45度斜面，前通光面为镀工作波长匹配的半透半反膜，使得光线一分为二，一半反射进入上部棱镜，另一半透射到达直角棱镜后通光面，后通光面镀工作波长匹配的全反射膜，保证光线完全被反射并通过直角棱镜底面进入下部反射棱镜，通过沿光轴方向前后移动该中间三角棱镜实现分光间距的减小和增大，并根据不同合作光栅所要求的两光束的间距计算结果进行调整，并通过第一平行平板和第二平行平板进行光程的补偿调节，提高测速精度。
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