一种光栅干涉振动测量方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于振动测量技术领域。
【背景技术】
[0002]振动测量在微机械系统和精细加工技术中有非常重要的作用。目前，振动测量的方法，按照振动信号的转换方式可分为电测法和光学法。电测法主要有磁电式、压电式和应变片式，该类方法将振动信号转换为电信号，对电信号进出处理，进而得到振动参数。这类传感器重量轻，体积小，成本低，但是容易受到现场电磁噪声干扰，微小振动场合受离心力及自身荷重的影响，可靠性降低，测量分辨率有限。光学测量法典型的方法有全息光学测振技术，多普勒频移测量技术。光学测量法是非接触测量，受振动环境影响小，测量精度高，但是目前的光学测量方法，其系统比较大，价格昂贵，不适合安装到振动对象上做长时间实时振动监测。因此，研究高精度，低成本，抗干扰，可用做实时监测的振动测量方法具有现实意义。
【发明内容】
[0003]本发明针对振动测量中的上述需求，利用光栅干涉信号分辨率高，抗干扰能力强的特点，设计衍射光栅干涉振动测量方法。本方法是在相位光栅干涉基础上，通过空间偏振移相得到多路不同相位的偏振干涉信号，利用光电接收器获取不同相位干涉信号强度，进一步对强度信号进行差分运算和相位求解，从而获得高精度的振幅测量值。
[0004]—种光栅干涉振动测量方法，包括以下步骤:
步骤一，将衍射光栅14的底面胶结于振动发生位置。光栅栅距方向垂直于胶结面；以半导体器15发出激光束垂直入射光栅表面。
[0005]步骤二，在衍射光栅反射出的+1级衍射光和-1级衍射光的光路中，分别放置反射镜I和反射镜2，改变两束光的方向，保证经反射镜I和反射镜2反射后的两束光以垂直角度交会于空间一点。在反射光交会之前，利用偏振片3和偏振片4分别对两束反射光进行偏振调制，调整偏振片3和偏振片4的放置角度;使两束反射光成为偏振相位相差90度的线偏振光。
[0006]步骤三，在交会点处，利用消偏振分光棱镜5对两束线偏振光进行分光；调整消偏振分光棱镜5的摆放角度，使两束线偏振光同时各自被分光成为相互垂直的一束反射光一束透射光。
[0007]步骤四，在消偏振分光棱镜5的两个出射光线方向分别放置1/4玻片6和1/4玻片7，对两束出射光进行偏振调制;调整四分之一玻片6和1/4玻片7的放置角度，使得两束出射光都成为圆偏振光。
[0008]步骤五，分别利用偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9对两束出射圆偏振光进行分光和偏振调制;偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9的摆放角度要保证两束圆偏振光各自被分光成为相互垂直的一束反射光一束透射光；同时，使得偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9的分光面成空间45度角。
[0009]步骤六，使用光电接收器10、光电接收器11、光电接收器12、光电接收器13分别接收由偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9射出的四路光束，测得在时刻t的四路光束的干涉强度分别为11(0、12(0、13(0、14(0;由此可得到振动源在时刻七的振幅2(0为:
Z(t)=arctan{ [Il(t)_ I3(t)]/[I2(t)_ I4(t)]}*(d/4iT)
其中d为衍射光栅栅距。
[0010]本发明的优点在于光学结构简洁，推动振动测量方法向小型化、低成本方向发展；光栅安装方便是本发明能够作为一种现场实时振动监测的有效方法;通过偏振同步相移得到的干涉信号差分后相位求解精度高，能够满足高精度的振动测量需求。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的原理图。
【具体实施方式】
[0012]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0013]本发明实施例一种光栅干涉振动测量方法，包括以下步骤:
步骤一，将衍射光栅14的底面胶结于振动发生位置。光栅栅距方向垂直于胶结面；以半导体器15发出激光束垂直入射光栅表面。
[0014]步骤二，在衍射光栅反射出的+1级衍射光和-1级衍射光的光路中，分别放置反射镜I和反射镜2，改变两束光的方向，保证经反射镜I和反射镜2反射后的两束光以垂直角度交会于空间一点。在反射光交会之前，利用偏振片3和偏振片4分别对两束反射光进行偏振调制，通过调整偏振片3和偏振片4的角度，使两束反射光成为偏振相位相差90度的线偏振光。
[0015]偏振相位相差90度的目的是为了使得该+1级衍射光和-1级衍射光在分光后的光束，在步骤四通过1/4玻片6和1/4玻片7时能够通过调整产生旋向相反的圆偏振光。
[0016]步骤三，在交会点处，利用消偏振分光棱镜5对两束线偏振光进行分光；调整消偏振分光棱镜5的摆放角度，使两束线偏振光同时各自被分光成为相互垂直的一束反射光一束透射光。
[0017]步骤四，在消偏振分光棱镜5的两个出射光线方向分别放置1/4玻片6和1/4玻片7，对两束出射光进行偏振调制，其特征在于，调整1/4玻片6和1/4玻片7的放置角度，使得两束出射光都成为圆偏振光，并且此时旋向相反。
[0018]步骤五，分别利用偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9对两束出射圆偏振光进行分光和偏振调制;偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9的摆放角度要保证两束圆偏振光各自被分光成为相互垂直的一束反射光一束透射光；同时，使得偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9的分光面成空间45度角。
[0019]此步骤利用的原理为，旋向相反的两束圆偏振光在经过偏振器件后，得到的两束线偏振光初始相位的大小与偏振器件的偏振相位相同，但符号相反;再根据光波叠加原理可以得出，最终两束线偏振光的干涉信号强度会发生初始相位2倍的相位移动。因此，偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9的分光面成空间45度角，这样两个偏振分光棱镜各自的透射和反射光线在空间上就有四个偏振相位；
本实施例中，偏振分光棱镜8的分光面垂直于纸面，以纸面法向方向为90度;则四个空间偏振相位分别为O度，45度、90度、135度;得到的四路干涉信号就发生了 O度，90度、180度、270度的四次相位移动。
[0020]步骤六，使用光电接收器1、光电接收器11、光电接收器12、光电接收器13分别接收由由偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9出射的四路光束;测得在时刻t的发生相位移动的四路光束的干涉强度分别为11(0、12(0、13(0、14(0;由此可得到振动源在时刻七的振幅Z(t)为:
Z(t)=arctan{ [Il(t)_ I3(t)]/[I2(t)_ I4(t)]}*(d/4iT)
其中d为衍射光栅栅距。
【主权项】
1.一种光栅干涉振动测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，将衍射光栅14的底面胶结于振动发生位置，其特征在于，光栅栅距方向垂直于胶结面;以半导体器15发出激光束垂直入射光栅表面； 步骤二，在衍射光栅反射出的+1级衍射光和-1级衍射光的光路中，分别放置反射镜I和反射镜2，改变两束光的方向，其特征在于，经反射镜I和反射镜2反射后的两束光以垂直角度交会于空间一点；在反射光交会之前，利用偏振片3和偏振片4分别对两束反射光进行偏振调制，其特征在于，调整偏振片3和偏振片4的摆放角度;使两束反射光成为偏振相位相差90度的线偏振光； 步骤三，在交会点处，利用消偏振分光棱镜5对两束线偏振光进行分光，特征在于，调整消偏振分光棱镜5的摆放角度，使两束线偏振光同时各自被分光成为相互垂直的一束反射光一束透射光； 步骤四，在消偏振分光棱镜5的两个出射光线方向分别放置1/4玻片6和1/4玻片7，对两束出射光进行偏振调制，其特征在于，调整四分之一玻片的放置角度，使得两束出射光都成为圆偏振光； 步骤五，分别利用偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9对两束出射圆偏振光进行分光和偏振调制;其特征在于，调整偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9的摆放角度，使两束圆偏振光各自被分光成为相互垂直的一束反射光一束透射光；同时，保证偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9的分光面成空间45度角； 步骤六，使用光电接收器1、光电接收器11、光电接收器12、光电接收器13分别接收由偏振分光棱镜8和偏振分光棱镜9出射的四路光束，测得在时刻t的四路光束的干涉强度分别为11(1:)、12(1:)、13(1:)、14(1:);由此可以计算振动源在时刻t的振幅Z(t)为: Z(t)=arctan{ [Ii(t)_ l3(t)]/[l2(t)_ l4(t)]}*(d/4Ji) 其中d为衍射光栅栅距。
【专利摘要】本发明公开了一种光栅干涉振动测量方法。在光栅干涉基础上，通过空间偏振移相得到多路不同相位的干涉信号，通过对光电接收器得到的多路光强信号的差分运算和相位求解，获得高精度的振动测量分辨率。本发明具有测量精度高，结构简单、成本低等的特点。
【IPC分类】G01H17/00
【公开号】CN105628188
【申请号】CN201610011533
【发明人】雷自力, 刘晓军, 李千
【申请人】襄阳爱默思智能检测装备有限公司
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月11日