[发明专利]振动物体的非接触式光学振动测量方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的、振动物体的非接触式光学振动测量装置以及根据权利要求7的前序部分的相应方法。

背景技术

这样的方法使用并且这样的装置包括激光多普勒测振仪，其具有作为激光射束的光源的激光器。激光器在第一分光组件中被分为测量射束和参考射束。或是测量射束或是参考射束经历频移，为此通常采用声光调制器尤其是布拉格单元。测量射束被对准待测物体并且从那里被散射或反射回来。第二分光组件将由振动物体散射回来的测量射束与参考射束汇合并且叠加这两个射束，由此得到干涉信号。叠加后的测量和参考射束被供给检测器，其由干涉信号产生测量电信号。

激光多普勒测振仪可以非接触地测量物体尤其是物体表面的高达兆赫范围的振动。这开创了应用在测量很小很轻的结构的振动，如在微系统技术中。但是，也能借助激光多普勒测振仪来测量空气振动和流体振动。此时，测量射束的频率通过待测物体表面的运动因反射时的多普勒效应被调制。因为激光器发出相干光，故通过物体运动被调频的测量射束与保持不变的参考射束的叠加产生干涉信号，可由该干涉信号导出物体速度。因而，测定待测物体的表面振速。

因为在现用的激光多普勒测振仪中激光射束的两个部分之一发生频移并因而存在外差式测振仪，所以产生干涉信号的调制频率，其允许不仅确定待测物体表面的瞬间速度，而且确定正负符号即运动方向，从而可利用外差式激光多普勒测振仪明确测定待测物体的振动运动。

参考射束或者测量射束的、如上所述一般通过声光调制器（布拉格单元）获得的频移仅占激光频率的一小部分。一般采用氦氖激光器（HeNe），其频率为4.74×10¹⁴Hz。参考射束或者测量射束的频移一般仅为40MHz。但是，对激光器的热影响且尤其对其光学谐振器的热影响导致谐振器长度变化，这种长度变化可能以由布拉格单元造成的频移的多倍改变激光射束频率。在氦氖激光器情况下，仅0.1℃的变热一般导致激光射束频移300MHz。

当使用多个激光多普勒测振仪时，这引起特殊问题，这些激光多普勒测振仪将其测量射束同时对准待测振动物体的一个区域，例如以便能测定三维振动。因为测量射束频率太接近，故在此可能出现串扰作用，即，一台测振仪的散射回来的测量射束可同时到达另一台测振仪，在那里使测量失真或无法进行。每台氦氖激光器的中心频率由明确规定的原子电子级来确定，多台激光器的中心频率没有区分。如果现在这样的多台测振仪的测量射束频率因热效应而移动，则总是又偶然出现这样的串扰作用。

为了应对上述问题而知道了稳定用于激光多普勒测振仪中的激光器频率。在这里，激光器配设有控制回路，其尤其是作用于光学谐振器长度，以补偿热致长度变化或频移。同时将保证该激光器仅发出用于测量的主动模。已知的频率稳定手段在于，对于不具有偏振优选方向但具有两个主动模的未偏振化的激光器，相互垂直地被偏振的两个模之一通过偏振分光器被去耦合并且被用作调节参数。

但经过频率稳定的这样的激光器带来以下缺点，很容易对不希望有的反射和进入光学谐振器的其它外界光做出反应。另外，对于经过频率稳定的激光器，其最高激光器功率无法用于执行测量。尤其非常不利的是，本类型的测量装置应该尽量使用所选定的激光器类型所允许的输出激光器功率以获得最大测量精度。

如果在本类型的装置和方法中采用了其主动模全都被用于测量的激光器，则经频率稳定的激光器的功率减小的所述缺陷确实可得以避免。这最好如此实现，即，在激光器的光学谐振器内安置偏振滤光器，偏振滤光器使激光器的所有主动模相同偏振，从而一方面整个激光器功率可供测量所用，另一方面激光器通过偏振滤光器对逆反射和外界光也不太敏感。但根据当前的认知状况取消了该激光器的频率稳定。

如果没有频率稳定，则又出现之前尤其结合多个激光多普勒测振仪的使用已描述的问题。但在只使用其激光器多于一个主动模地发光的一台激光多普勒测振仪进行振动测量时，干涉信号的信号强度在某个热致频移值时损失，从而无法再进行测量。当其振幅大致相等且破坏干涉的两个主动模被去耦合时，尤其是这种情况。振动测量可通过此方式失败，即，例如当来自环境的温度影响导致激光器处于无法进行测量的模态时。

发明内容

鉴于现有技术，本发明的任务在于，提出上述类型的装置和方法，借以稳定激光多普勒测振仪的激光器的频率，尤其避免在利用至少两台激光多普勒测振仪测量时的串扰作用，但激光多普勒测振仪还是能以近似最大的信号强度工作。