一種全場z向位移測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及全場激光測振系統(tǒng)【技術(shù)領域】，尤其涉及一種全場Z向位移測量系統(tǒng)。通過使用空間域相移法在傳統(tǒng)激光剪切散斑干涉法的基礎上實現(xiàn)動態(tài)測量，并進一步利用激光剪切散斑干涉法與多普勒干涉法的同質(zhì)性和相似的測量精度，通過單點的時間域多普勒干涉法幫助激光剪切散斑干涉法實現(xiàn)絕對位移測量，經(jīng)過這幾個方面的改進，本發(fā)明所述的測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)全場Z向位移測量，能實現(xiàn)高精度全場絕對值振動測量，能進行瞬態(tài)深度測量，在深度測量、三維傳感，以及航空、航天的振動測量和新材料表征檢測等領域的深度測量具有重要應用，在汽車開發(fā)領域、機械工業(yè)領域以及我國的裝備制造業(yè)等涉及復雜結(jié)構(gòu)振動優(yōu)化的領域都有非常重大的應用。
【專利說明】
一種全場Z向位移測量系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及全場激光測振系統(tǒng)【技術(shù)領域】，尤其涉及一種全場Z向位移測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前的振動測量儀絕大部分只能做單點測量，如接觸式的機械振動測量儀和非接觸式的激光多普勒測振儀。各工業(yè)大國對全場振動測量儀有很強烈需求，一些國際大公司也嘗試開發(fā)這類產(chǎn)品，如德國Polytec的掃描式多普勒測振儀及美國MetroLaser的多點多普勒測振儀。單點振動測量雖能監(jiān)視一些關鍵部位的振動情況，但并不能全面正確地反應整體部件復雜結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)，這就為結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來很大困難，也大大限制了航空航天飛行器和新材料開發(fā)的速度以及最終性能。前者只適用于穩(wěn)態(tài)振動，對絕大部分情況下發(fā)生的瞬態(tài)振動無能為力；后者測量點數(shù)少且價格昂貴?，F(xiàn)有的振動測量儀顯然不能滿足業(yè)界的要求，需要迫切解決這個問題。雖然，激光剪切散斑干涉測量已被工業(yè)界廣泛應用于變形測量和無損檢測，然而現(xiàn)有的激光剪切散斑干涉測量方法僅限于靜態(tài)/半靜態(tài)測量，而不能應用于瞬態(tài)振動測量；同時該方法只能測量相對位移，而不能測量絕對位移。所以現(xiàn)有的振動測量儀均無法實現(xiàn)高精度全場絕對值振動測量以及瞬態(tài)深度測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，通過使用空間域相移法能夠在傳統(tǒng)激光剪切散斑干涉法的基礎上實現(xiàn)動態(tài)測量，并進一步利用激光剪切散斑干涉法與多普勒干涉法的同質(zhì)性和相似的測量精度，通過單點的時間域多普勒干涉法幫助激光剪切散斑干涉法實現(xiàn)絕對位移測量，經(jīng)過這幾個方面的改進，最終能夠?qū)崿F(xiàn)高精度全場絕對值振動測量以及瞬態(tài)深度測量。
[0004]為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，包括:多普勒干涉測量模塊、激光剪切散斑干涉測量模塊、擴束準直模塊、第一探測模塊、第二探測模塊、及控制模塊；其中，測量光束方向為Z軸方向；
[0006]所述多普勒干涉測量模塊用于測量被測目標的單點Z向絕對位移給激光剪切散斑干涉測量模塊以參考；所述激光剪切散斑干涉測量模塊用于實現(xiàn)對被測目標的全場相對位移的動態(tài)測量；所述擴束準直模塊用于對多普勒干涉測量模塊的測量光束、及激光剪切散斑干涉測量模塊的測量光束產(chǎn)生激光散斑和準直；所述第一探測模塊用于接收多普勒干涉測量模塊發(fā)送的干涉信息；所述第二探測模塊用于接收激光剪切散斑干涉測量模塊發(fā)送的干涉信息；所述控制模塊用于控制所述激光剪切散斑干涉測量模塊實現(xiàn)全場動態(tài)測量。
[0007]其中，所述多普勒干涉測量模塊包括第一激光器、第一反射鏡、第一光束分離器、第二反射鏡、移頻器、第三光束分離器、第二光束分離器，所述第一激光器發(fā)出的測量光束經(jīng)第一反射鏡反射后進入第一光束分離器，形成參考光和測量光，所述參考光經(jīng)第二反射鏡反射后進入移頻器，利用移頻器與信號光形成差頻，所述測量光經(jīng)過所述擴束準直模塊形成激光散斑并準直后入射被測目標，經(jīng)被測目標返回并被第二光束分離器反射后與透過第三光束分離器的參考光發(fā)生差頻干涉后進入第一探測模塊。
[0008]其中，所述激光剪切散斑干涉測量模塊包括第二激光器、第一偏振光束分離器、第一1/4波片、第二偏振光束分離器、第二 1/4波片、可調(diào)的傾斜反射鏡、第三1/4波片、第三反射鏡、第四光束分離器、第四反射鏡、移相器、偏光片，所述第二激光器發(fā)出的測量光束依次經(jīng)過第一偏振光束分離器、第一 1/4波片后進入所述擴束準直模塊形成激光散斑并準直后入射被測目標，經(jīng)被測目標返回再次經(jīng)過第一 1/4波片旋轉(zhuǎn)90°偏振方向后進入第一偏振光束分離器，從第一偏振光束分離器透射的測量光束進入第二偏振光束分離器，被第二偏振光束分離器反射的測量光束經(jīng)過第二 1/4波片被可調(diào)的傾斜反射鏡反射后再次經(jīng)過第二 1/4波片進入第二偏振光束分離器并被透射，被第二偏振光束分離器透射的測量光束經(jīng)過第三1/4波片被第三反射鏡反射后再次經(jīng)過第三1/4波片進入第二偏振光束分離器并被反射，被第二偏振光束分尚器透射的光束與反射的光束發(fā)生干涉后進入第四光束分尚器，從第四光束分離器出來的透射光束依次經(jīng)過移相器、偏光片進入第二探測模塊，從第四光束分離器出來的反射光束被第四反射鏡反射后經(jīng)過所述偏光片進入第二探測模塊。
[0009]其中，所述第一探測模塊為光電檢測器。
[0010]其中，所述第二探測模塊為CMOS。
[0011]其中，所述擴束準直模塊包括衍射光學元件和透鏡，所述多普勒干涉測量模塊依次穿過衍射光學元件、透鏡后入射被測目標，所述激光剪切散斑干涉測量模塊被衍射光學元件反射后通過透鏡入射被測目標。
[0012]其中，所述控制模塊用于控制所述激光剪切散斑干涉測量模塊中的可調(diào)的傾斜反射鏡用于實現(xiàn)全場測量。
[0013]其中，還包括與所述第一探測模塊連接的第一干涉信號解調(diào)模塊、以及與所述第二探測模塊連接的第二干涉信號解調(diào)模塊，所述第一干涉信號解調(diào)模塊用于提取第一探測模塊探測到的干涉信息，所述第二干涉信號解調(diào)模塊用于提取第二探測模塊探測到的干涉信息。
[0014]有益效果:
[0015]本發(fā)明所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，包括:多普勒干涉測量模塊、激光剪切散斑干涉測量模塊、擴束準直模塊、第一探測模塊、第二探測模塊、及控制模塊；其中，測量光束方向為Z軸方向；所述多普勒干涉測量模塊用于測量被測目標的單點Z向絕對位移給激光剪切散斑干涉測量模塊以參考；所述激光剪切散斑干涉測量模塊用于實現(xiàn)對被測目標的全場相對位移的動態(tài)測量；所述擴束準直模塊用于對多普勒干涉測量模塊的測量光束、及激光剪切散斑干涉測量模塊的測量光束產(chǎn)生激光散斑和準直；所述第一探測模塊用于接收多普勒干涉測量模塊發(fā)送的干涉信息；所述第二探測模塊用于接收激光剪切散斑干涉測量模塊發(fā)送的干涉信息；所述控制模塊用于控制所述激光剪切散斑干涉測量模塊實現(xiàn)全場動態(tài)測量。其中，所述激光剪切散斑干涉測量模塊結(jié)合了空間域相移法和傳統(tǒng)的激光剪切散斑干涉法，使得通過使用空間域相移法能夠在傳統(tǒng)激光剪切散斑干涉法的基礎上實現(xiàn)動態(tài)測量，并進一步利用激光剪切散斑干涉法與多普勒干涉法的同質(zhì)性和相似的測量精度，通過集成多普勒干涉測量模塊和激光剪切散斑干涉測量模塊設計了新型的聯(lián)合干涉測量裝置，實現(xiàn)了通過單點的時間域多普勒干涉法幫助激光剪切散斑干涉法實現(xiàn)絕對位移測量，經(jīng)過這幾個方面的改進，本發(fā)明可以實現(xiàn)高精度全場絕對值振動測量以及瞬態(tài)深度測量，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的振動測量儀不能對被測目標做高精度全場絕對值振動測量的缺陷，在深度測量、三維傳感，以及航空、航天的振動測量和新材料表征檢測等領域的深度測量具有重要應用，在汽車開發(fā)領域、機械工業(yè)領域以及我國的裝備制造業(yè)等涉及復雜結(jié)構(gòu)振動優(yōu)化的領域都有非常重大的應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】提供的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明【具體實施方式】提供的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)的光路圖。
[0018]圖中:
[0019]1-多普勒干涉測量模塊；2_激光剪切散斑干涉測量模塊；3_擴束準直模塊；4_第一探測模塊；5_第二探測模塊；6_控制模塊；11_第一激光器；12_第一反射鏡；13_第一光束分離器；14-第二反射鏡；15-移頻器；16-第二光束分離器；17-第三光束分離器；21_第二激光器；22_第一偏振光束分離器；23_第一 1/4波片；24_第二偏振光束分離器；25_第二1/4波片；26_可調(diào)的傾斜反射鏡；27_第三1/4波片；28_第三反射鏡；29_第四光束分離器；210_第四反射鏡；211-移相器；212_偏光片；31_衍射光學兀件；32_透鏡；41_光電檢測器；51-CM0S。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0021]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】提供的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，包括:多普勒干涉測量模塊1、激光剪切散斑干涉測量模塊2、擴束準直模塊3、第一探測模塊4、第二探測模塊5、及控制模塊6 ；其中，測量光束方向為Z軸方向；
[0022]所述多普勒干涉測量模塊I用于測量被測目標的單點Z向絕對位移給激光剪切散斑干涉測量模塊2以參考；所述激光剪切散斑干涉測量模塊2用于實現(xiàn)對被測目標的全場相對位移的動態(tài)測量；所述擴束準直模塊3用于對多普勒干涉測量模塊I的測量光束、及激光剪切散斑干涉測量模塊2的測量光束產(chǎn)生激光散斑和準直；所述第一探測模塊4用于接收多普勒干涉測量模塊I發(fā)送的干涉信息；所述第二探測模塊5用于接收激光剪切散斑干涉測量模塊2發(fā)送的干涉信息；所述控制模塊6用于控制所述激光剪切散斑干涉測量模塊2實現(xiàn)全場動態(tài)測量。
[0023]本發(fā)明所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其中，所述激光剪切散斑干涉測量模塊2結(jié)合了空間域相移法和傳統(tǒng)的激光剪切散斑干涉法，使得通過使用空間域相移法能夠在傳統(tǒng)激光剪切散斑干涉法的基礎上實現(xiàn)動態(tài)測量，并進一步利用激光剪切散斑干涉法與多普勒干涉法的同質(zhì)性和相似的測量精度，通過集成多普勒干涉測量模塊I和激光剪切散斑干涉測量模塊2設計了新型的聯(lián)合干涉測量裝置，實現(xiàn)了通過單點的時間域多普勒干涉法幫助激光剪切散斑干涉法實現(xiàn)絕對位移測量，經(jīng)過這幾個方面的改進，本發(fā)明可以實現(xiàn)高精度全場絕對值振動測量以及瞬態(tài)深度測量，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的振動測量儀不能對被測目標做高精度全場絕對值振動測量的缺陷，在深度測量、三維傳感，以及航空、航天的振動測量和新材料表征檢測等領域的深度測量具有重要應用，在汽車開發(fā)領域、機械工業(yè)領域以及我國的裝備制造業(yè)等涉及復雜結(jié)構(gòu)振動優(yōu)化的領域都有非常重大的應用。
[0024]如圖2所示，所述多普勒干涉測量模塊I包括第一激光器11、第一反射鏡12、第一光束分離器13、第二反射鏡14、移頻器15、第三光束分離器17、第二光束分離器16，所述第一激光器11發(fā)出的測量光束經(jīng)第一反射鏡12反射后進入第一光束分離器13,形成參考光和測量光，所述參考光經(jīng)第二反射鏡14反射后進入移頻器15，利用移頻器15與信號光形成差頻，所述測量光經(jīng)過所述擴束準直模塊3形成激光散斑并準直后入射被測目標，經(jīng)被測目標返回并被第二光束分離器16反射后與透過第三光束分離器17的參考光發(fā)生差頻干涉后進入第一探測模塊4。
[0025]如圖2所示，所述激光剪切散斑干涉測量模塊2包括第二激光器21、第一偏振光束分離器22、第一 1/4波片23、第二偏振光束分離器24、第二 1/4波片25、可調(diào)的傾斜反射鏡26、第三1/4波片27、第三反射鏡28、第四光束分離器29、第四反射鏡210、移相器211、偏光片212,所述第二激光器21發(fā)出的測量光束依次經(jīng)過第一偏振光束分離器22、第一 1/4波片23后進入所述擴束準直模塊3形成激光散斑并準直后入射被測目標，經(jīng)被測目標返回再次經(jīng)過第一 1/4波片23旋轉(zhuǎn)90°偏振方向后進入第一偏振光束分離器22,從第一偏振光束分離器22透射的測量光束進入第二偏振光束分離器24,被第二偏振光束分離器24反射的測量光束經(jīng)過第二 1/4波片25被可調(diào)的傾斜反射鏡26反射后再次經(jīng)過第二 1/4波片25進入第二偏振光束分離器24并被透射，被第二偏振光束分離器24透射的測量光束經(jīng)過第三1/4波片27被第三反射鏡28反射后再次經(jīng)過第三1/4波片27進入第二偏振光束分離器24并被反射，被第二偏振光束分離器24透射的光束與反射的光束發(fā)生干涉后進入第四光束分離器29，從第四光束分離器29出來的透射光束依次經(jīng)過移相器211、偏光片212進入第二探測模塊5，從第四光束分離器29出來的反射光束被第四反射鏡210反射后經(jīng)過所述偏光片212進入第二探測模塊5。
[0026]優(yōu)選地，所述第一探測模塊4為光電檢測器41。
[0027]優(yōu)選地，所述第二探測模塊5為CM0S51。
[0028]如圖2所示，所述擴束準直模塊3包括衍射光學元件31和透鏡32，所述多普勒干涉測量模塊I依次穿過衍射光學元件31、透鏡32后入射被測目標，所述激光剪切散斑干涉測量模塊2被衍射光學元件31反射后通過透鏡32入射被測目標。
[0029]所述控制模塊6用于控制所述激光剪切散斑干涉測量模塊2中的可調(diào)的傾斜反射鏡26用于實現(xiàn)全場測量。
[0030]還包括與所述第一探測模塊4連接的第一干涉信號解調(diào)模塊、以及與所述第二探測模塊5連接的第二干涉信號解調(diào)模塊，所述第一干涉信號解調(diào)模塊用于提取第一探測模塊4探測到的干涉信息，所述第二干涉信號解調(diào)模塊用于提取第二探測模塊5探測到的干涉信息。
[0031]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，包括:多普勒干涉測量模塊、激光剪切散斑干涉測量模塊、擴束準直模塊、第一探測模塊、第二探測模塊、及控制模塊；其中，測量光束方向為Z軸方向； 所述多普勒干涉測量模塊用于測量被測目標的單點Z向絕對位移給激光剪切散斑干涉測量模塊以參考；所述激光剪切散斑干涉測量模塊用于實現(xiàn)對被測目標的全場相對位移的動態(tài)測量；所述擴束準直模塊用于對多普勒干涉測量模塊的測量光束、及激光剪切散斑干涉測量模塊的測量光束產(chǎn)生激光散斑和準直；所述第一探測模塊用于接收多普勒干涉測量模塊發(fā)送的干涉信息；所述第二探測模塊用于接收激光剪切散斑干涉測量模塊發(fā)送的干涉信息；所述控制模塊用于控制所述激光剪切散斑干涉測量模塊實現(xiàn)全場動態(tài)測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述多普勒干涉測量模塊包括第一激光器、第一反射鏡、第一光束分離器、第二反射鏡、移頻器、第三光束分離器、第二光束分離器，所述第一激光器發(fā)出的測量光束經(jīng)第一反射鏡反射后進入第一光束分離器，形成參考光和測量光，所述參考光經(jīng)第二反射鏡反射后進入移頻器，利用移頻器與信號光形成差頻，所述測量光經(jīng)過所述擴束準直模塊形成激光散斑并準直后入射被測目標，經(jīng)被測目標返回并被第二光束分離器反射后與透過第三光束分離器的參考光發(fā)生差頻干涉后進入第一探測模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光剪切散斑干涉測量模塊包括第二激光器、第一偏振光束分離器、第一 1/4波片、第二偏振光束分離器、第二 1/4波片、可調(diào)的傾斜反射鏡、第三1/4波片、第三反射鏡、第四光束分離器、第四反射鏡、移相器、偏光片，所述第二激光器發(fā)出的測量光束依次經(jīng)過第一偏振光束分離器、第一 1/4波片后進入所述擴束準直模塊形成激光散斑并準直后入射被測目標，經(jīng)被測目標返回再次經(jīng)過第一 1/4波片旋轉(zhuǎn)90°偏振方向后進入第一偏振光束分離器,從第一偏振光束分離器透射的測量光束進入第二偏振光束分離器，被第二偏振光束分離器反射的測量光束經(jīng)過第二 1/4波片被可調(diào)的傾斜反射鏡反射后再次經(jīng)過第二 1/4波片進入第二偏振光束分離器并被透射，被第二偏振光束分離器透射的測量光束經(jīng)過第三1/4波片被第三反射鏡反射后再次經(jīng)過第三1/4波片進入第二偏振光束分離器并被反射，被第二偏振光束分離器透射的光束與反射的光束發(fā)生干涉后進入第四光束分離器，從第四光束分離器出來的透射光束依次經(jīng)過移相器、偏光片進入第二探測模塊，從第四光束分離器出來的反射光束被第四反射鏡反射后經(jīng)過所述偏光片進入第二探測模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一探測模塊為光電檢測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二探測模塊為 CMOS。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述擴束準直模塊包括衍射光學元件和透鏡，所述多普勒干涉測量模塊依次穿過衍射光學元件、透鏡后入射被測目標，所述激光剪切散斑干涉測量模塊被衍射光學元件反射后通過透鏡入射被測目標。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊用于控制所述激光剪切散斑干涉測量模塊中的可調(diào)的傾斜反射鏡用于實現(xiàn)全場測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全場Z向位移測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述第一探測模塊連接的第一干涉信號解調(diào)模塊、以及與所述第二探測模塊連接的第二干涉信號解調(diào)模塊，所述第一干涉信號解調(diào)模塊用于提取第一探測模塊探測到的干涉信息，所述第二干涉信號解調(diào)模塊用于提取第二探測模塊探測到的干涉信息。
【文檔編號】G01B11/02GK104457581SQ201410430984
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】黃源浩, 許宏淮, 張程煜 申請人:深圳奧比中光科技有限公司