[发明专利]一种激光振动、位移传感器及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于精密测量领域，涉及一种振动、位移传感器，特别涉及一种结合激光自混合技术与激光三角法的振动、位移传感器及其测量方法。

背景技术

激光三角法广泛应用于测量领域，主要进行距离，位移等测量；但是对于频率较高的振动变化，则要求探测器CCD/CMOS工作在高帧率状态下，高帧率势必减少曝光时间，影响图像分辨率。另外，探测器CCD/CMOS工作在10MHz的驱动频率下，如果像素点为2K，则探测器帧率为5KHz，对于振动而言，一个周期测量十个点，则最大的振动频率为500Hz；因而激光三角法对于频率高于500Hz的振动较为困难。

激光自混合技术结构简单，只需要激光器与探测器就可以构成振动探测系统，但是根据张玉燕博士论文《基于LD自混合干涉的位移及速度测量技术的研究》第五章的结论，激光自混合技术对于低速(小于70mm/s)测量精度不高。而对于低频振动而言，所对应的速度普遍不高，所以激光自混合技术对于低频振动测量有待改进。

另外，激光自混合技术所采用的激光器要求，一般采用单纵膜运行，线宽要求小于1GHz，输出功率几个mW的半导体激光器，但是满足这些条件的可见光激光器较少，而量产的价格便宜的通信用半导体激光器普遍在红外波段。

发明内容

本发明提供了一种激光振动、位移传感器及其测量方法，能够实现0Hz～20kHz的宽振动频率范围的测量。其技术方案如下所述：

一种激光振动、位移传感器，包括光学系统与电路系统；

在物体振动高频情况下，所述电路系统的驱动电路形成周期电流驱动光学系统的激光器出射激光投射到物体上，所述物体的散射光反馈回激光器形成自混合干涉，并由所述电路系统进行物体的高频振动解调；

在物体振动低频情况下，所述电路系统的驱动电路形成恒流电流驱动光学系统的激光器出射激光投射到物体上，所述物体的斜向散射光由聚焦系统接收，在线阵探测器上形成光斑，形成激光三角法结构，并由所述电路系统进行物体的低频振动解调。

所述光学系统包括激光器、光电探测器、准直系统、聚焦系统和线阵探测器；所述准直系统设置在激光器和振动物体之间，所述光电探测器与激光器相连接，用于测量激光器的输出功率，所述聚焦系统和线阵探测器用于探测激光器照射到振动物体的斜向散射；

所述电路系统包括运算控制单元，与运算控制单元相连接的功能选择单元、光电探测器的信号放大电路以及线阵探测器的探测电路，所述运算控制单元与激光器的驱动电路相连接。

所述的激光振动、位移传感器还包括可见光光源、反射器、合束器，所述可见光光源的出射光线经反射镜后，再通过合束器合束后，由准直系统出射形成指示光路。

所述聚焦系统和线阵探测器之间设置有带通滤波器。

根据上述激光振动、位移传感器的测量方法，如下所述：

功能选择单元选择高频测量功能，传感器启动自混合探测模式：运算控制单元控制驱动电路形成周期电流驱动激光器，激光器出射激光经过准直系统后投射到物体上，物体的散射光经准直系统反馈回激光器，形成自混合干涉，光电探测器探测激光器输出的激光交流信号，经过信号放大电路后传回运算控制电路进行物体的高频振动解调；

功能选择单元选择低频测量功能，传感器启动激光三角法探测模式：运算控制单元控制驱动电路形成恒定电流驱动激光器，激光器出射激光经过准直系统后投射到物体上，物体的斜向散射光由聚焦系统接收，在线阵探测器上形成光斑，形成激光三角法结构；光斑在线阵探测器上的像素点位置与物体沿激光器出射激光方向的位移一一对应；探测电路将线阵探测器上接收到的光电信号传回运算控制单元，运算控制单元通过光斑像素点位置变化，解调物体的低频位移变化。

进一步的，激光器为红外波段测量激光器时，振动物体的斜向散射进入聚焦系统中，经过带通滤波器后，可见光被反射，红外光透射在线阵探测器上形成光斑，形成激光三角法结构，光斑在线阵探测器上的像素点位置与物体沿激光器出射激光方向的位移一一对应；探测电路将线阵探测器上接收到的光电信号传回运算控制单元，运算控制单元通过光斑像素点位置变化，解调物体的低频位移变化。

激光器为红外波段测量激光器时，可见光光源的出射光线经反射镜后，再通过合束器合束后，由准直系统出射形成指示光路。

本发明在不增加系统复杂度的情况下，实现了激光三角法与激光自混合技术的有机结合，实现了高频振动与低频位移变化两种功能。

附图说明

图1是本发明提供的实施例1的示意图；