[发明专利]一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

调制域测量就是让被测量的物理量对另外一种物理量（例如声波、光波、电磁波等）产生调制，然后，利用调制域测量技术手段将其从已调制信号波形中解调出来，它是调制域测量中的基本功能。

由于运动的多普勒效应本身产生的是一种频率调制现象，而相应的测量可以归结为具有间接测量特征的非接触、调制域测量，因此，从中分析与获取实际物理量的瞬变过程，可以称为调制域瞬变信号的分析与处理过程。目前，在高精度角振动测量测试中应用广泛的是以激光干涉方式，借助于激光多普勒效应的调制域测量、分析与处理方法，它是目前准确度最高的角振动、角冲击计量校准手段。

高速角运动测量难度较大，频率范围和准确度一直不高，对于非平稳角振动的测量准确度更加受影响，其计量校准更为困难。使用希尔伯特变换时频分析测量方法处理角振动激光多普勒干涉信号，给出实时频率值序列，具有良好的鲁棒性，对非平稳、低信噪比状况下的振动波形解调有望给出更良好的测量结果，并且使人们有可能从每一次实验数据中都能够准确获取更准确的波形及其特征量值。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种外差式激光干涉角振动测量装置，该装置包括偏振激光器1、分光镜2、直角棱镜3、声光调制器4、反射镜5、反射镜6、直角棱镜7、反射镜8、反射镜9，光栅10、物镜12、反射镜13、反射镜14，光电转换器15、数据采集系统16、电子计算机17；

偏振激光器1发出激光束，经分光镜2分光后形成两路，一路经直角棱镜3反射后，进入声光调制器4频率被平移f_c，然后经反射镜5、反射镜6反射后入射到光栅10，经光栅10产生的±1级反射光束会聚到物镜12与另一路光合束干涉；另一路经直角棱镜7、反射镜8、反射镜9反射后入射到光栅10，经光栅10产生的±1级反射光束会聚到物镜12与前一路光合束干涉，产生需要的激光干涉信号；干涉信号最后经反射镜13、反射镜14反射后注入光电转换器15，被数据采集系统16采集，用计算机17计算获得角速度波形序列和角速度波形序列。

本发明的一种外差式激光干涉角振动测量方法，具体方法为：

使用本发明的装置获得频率已经平移到无线电频率范围的角振动激光多普勒信号波形；使用波形数据采集系统采集角振动激光多普勒信号波形数据序列；

使用希尔伯特变换时频分析测量方法获得频率解调波形序列：做为角振动激光多普勒信号波形的解调波形输出，即是实际的角振动波形输出。按照式(2)计算获得角速度序列值

按照式(3)计算获得角加速度序列值

偏振激光器1发出的光束被分光镜2分为两束，以不同的方向聚焦于测量目标表面（即光栅10表面）上，两光束的夹角由所采用的衍射光栅的级数确定。根据光栅运动方程可知，当光栅10运动时，每一级衍射光均产生的一定的多普勒频移，频移量的大小跟光栅常数、衍射级数等有关。应用激光干涉理论和光栅方程，运动线速度v(t)与多普勒频移△f(t)有如下关系：

v(t)=d|m1-m2|Δf(t)---(1)]]>

式中，d为光栅常数，单位m；

m₁、m₂为两路干涉光束所对应的光栅衍射级；

△f(t)为对应于上述解调波形序列频率值单位Hz。角运动的角速度ω(t)与多普勒频移△f(t)有如下关系：