[发明专利]基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，具体涉及一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置。

背景技术

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器谐振腔内，对激光器的输出功率调制，引起激光器输出功率发生变化的现象，也称激光回馈现象。通过分析激光器输出功率的变化，可以得到外部物体的信息。激光器既是光源，也是检测器。相比较于传统的双光束干涉系统，基于激光自混合现象的干涉系统只有一个光学通道，具有结构简单、紧凑、易准直等优点，目前广泛应用于位移、距离、速度、角度和振动等参数测量。在军事、微机电系统、精密加工、高精度检测等许多领域，多参数的同时测量都具有极其重要的意义和作用。

单通道自混合系统由于光学通道数目有限，存在难以同时测量多个参数的问题。中国发明专利CN 1963384公开了一种基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置，该测量方法及装置的工作原理是：根据自混合干涉反应时的时域信号的幅度发生的变化，实现角度的测量，但由于时域信号容易受到信号包络的影响，该测量方法及装置存在测量误差。

在基于激光自混合干涉的多参数测量技术中，主要采用多通道的系统结构方案。通过添加额外的光源和分光器件，增加光学系统的光学通道数，分别实现不同参数的测量。但是由于采用多个光源和分光器件，需要将光程差保持在激光相干长度内，并且自混合测量系统一般采用单个探测器，存在多个参数的信号相互叠加、信号难以提取、系统负载加重、结构复杂、光路难以调整等问题。随后，逐步发展了采用激光阵列、激光扫描和电光频移等方案，在系统结构和信号分离提取等方面有所改进，同时也产生了新的问题：激光阵列造价昂贵，激光扫描使得测量具有延时性，电光频移装置的频移幅度有一定限制，引入的分光器件提高了系统的复杂层度。激光自混合干涉多参数测量技术难以得 到充分的发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置，该方法及装置能够解决现有技术中存在的不足，在保持单通道激光自混合系统的结构简单、造价低廉、校准容易等优点的同时，先通过频谱分析，将时域信号转换为频域信号，再利用预先标定好的频域信号和角度以及振动之间的关系，来实现被测物体的旋转角度和振动的同时测量；该方法及装置无需复杂的信号分离提取和额外的电光频移，在实现角度和振动的同时测量，还能有效的解决多通道激光自混合干涉系统复杂和信号提取困难，单通道激光自混合干涉系统难以同时测量角度和振动的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法，激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，其中一束激光经光纤聚焦器聚焦到安装在被测物体表面的压电陶瓷的反射面上，被压电陶瓷的反射面反射后，再经光纤聚焦器和光纤分束器回到激光器的内腔中，在激光器的内腔中发生激光自混合干涉。

另外一束激光输入至光电探测器中，当激光器的内腔中发生激光自混合干涉时，光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉的时域信号，再采用频谱分析模块将激光自混合干涉的时域信号转换为频域信号。

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式A₀＝f/k，计算得到压电陶瓷的振动幅度A₀，其中，f表示激光自混合干涉的频域信号的拍频，k表示对一系列不同振动幅度A₀下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数。

根据激光自混合干涉的频域信号，采用公式计算得到被测物体的转动角度θ，其中， P_dif表示激光自混合干涉的频域信号中的两个峰值的功率差；x₁、x₂和σ均表示对一系列不同转动角度θ下的激光自混合干涉的频域信号进行曲线拟合后得到的拟合系数。

本发明还涉及一种实施上述基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法的装置，该装置包括激光器、光纤分束器、光纤聚焦器、安装在被测物体表面的压电陶瓷、光电探测器、频谱分析模块、计算机和用于带动被测物体转动的旋转电机。

所述激光器的输出端与所述光纤分束器的输入端相连；所述光纤分束器，其第一输出端与所述光纤聚焦器的输入端相连，其第二输出端与所述光电探测器的输入端相连；所述光电探测器的输出端与所述频谱分析模块的输入端相连；所述频谱分析模块的输出端与所述计算机的输入端相连；所述计算机的输出端分别与所述压电陶瓷、所述旋转电机的输入端相连。