一種多維激光測振儀及其測量方法
【專利摘要】本發明提供一種多維激光測振儀及其測量方法，一種多維激光測振儀至少包括兩組激光測振組件，所述激光測振組件共用一個光束聚焦系統，所述每組激光測振組件出射的激光通過光束聚焦系統能夠聚焦到振動物體的同一點；所述各激光測振組件的激光器出射的激光由光束聚焦系統聚焦到振動物體上的散射光束返回到激光測振組件形成干涉，激光測振組件內部設置的探測器探測干涉信號，解調出振動物體沿激光測振組件通過光束聚焦系統的出射光束的投影分量。通過振動投影分量根據適當的矢量關系求解出振動物體沿正交坐標軸的多維振動分量信息。所述多維激光測振儀能夠實現多維振動信息測量，較之單組件測量信息更為豐富。
【專利說明】一種多維激光測振儀及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光精密測量領域，涉及一種激光測振儀，特別涉及一種多維激光測 振儀及其測量方法。
【背景技術】
[0002] 振動存在于生活、工業生產、科學研究的各個領域，對于振動的測量有著極大的需 求。特別是振動的非接觸式測量，不會影響振動的原有狀態，測量結果更為準確可靠，^ 振動測量的發展方向。目前，較為成熟非接觸式振動測量技術為激光多普勒技術，一般采 用外差式結構，需要激光光源，聲光移頻器，光電探測器，分束器、合束器等。詳見專利CN 203102703 U《一種新型激光外差千涉實驗儀》。
[0003] 近年來，激光自混合測振技術開始嶄露頭角。相關綜述介紹詳見1997年馬軍山發 表于《宇航測量技術》的文章《激光自混合干涉測量技術綜述》。激光自混合技術結構極為 簡單，激光器出射光束由透鏡聚焦于物體，散射光回到激光器內部，將引起激光輸出功率的 相應變化，光電探測器探測激光輸出功率的變化信號，經過一定解調算法則可以獲取被測 物體的振動信息。
[0004] 但是，無論采用激光多普勒測振技術還是采用激光自混合測振技術，都只能測量 沿光束方向的一維振動，測量信息不夠豐富。為了豐富測量維度信息，考慮多激光測振組件 組合的方式，包括激光多普勒測振組件或者激光自混合測振組件。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種多維激光測振儀及其測量方法，解決了利用激光測振技術進行 振動物體的非接觸式測量的問題，其技術方案如下所述：
[0006] 一種多維激光測振儀，至少包括兩組激光測振組件，所述激光測振組件共用一個 光束聚焦系統，所述每組激光測振組件出射的激光通過光束聚焦系統能夠聚焦到振動物體 的同一點；
[0007] 其中，所述各組激光測振組件的激光器出射的激光，由光束聚焦系統聚焦到振動 物體上的散射光束返回到激光測振組件形成干涉，激光測振組件內部設置的探測器探測干 涉信號,解調出振動物體沿激光測振組件通過光束聚焦系統的出射光束的投影分量；
[0008] 所述多維激光測振儀根據各個激光測振組件所測量得到的投影分量，通過矢量關 系求得振動物體沿正交坐標軸的振動分量。實現振動物體的多維振動信息測量。
[0009] 進一步的，所述激光測振組件是激光多普勒測振組件或者激光自混合測振組件。
[0010] 所述多維激光測振儀為二維激光測振伩，所述激光測振組件設置有兩組，包括第 一激光測振組件和第二激光測振組件，所述每組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統 光軸對稱分布，分別為第一激光測振組件通過光束聚焦系統的第一出射光束，以及第二激 光測振組件通過光束聚焦系統的第二出射光束，所述物體振動沿第一出射光束和第二出射 光束的投影分量為V 41、V42,將沿光束聚焦系統的光軸方向定義為z軸，將振動物體的激光照 射點作為原點，并垂直于Z軸建立x-y坐標系，所述振動物體沿坐標軸X，Z方向的二維振動 分量為
[0011]
【權利要求】
1. 一種多維激光測振儀，其特征在于，至少包括兩組激光測振組件，所述激光測振組件 共用一個光束聚焦系統，所述每組激光測振組件出射的激光通過光束聚焦系統能夠聚焦到 振動物體的同一點； 其中，所述各組激光測振組件的激光器出射的激光，由光束聚焦系統聚焦到振動物體 上的散射光束返回到激光測振組件形成干涉，激光測振組件內部設置的探測器探測千涉信 號，解調出振動物體沿激光測振組件通過光束聚焦系統的出射光束的投影分量； 所述多維激光測振儀根據各個激光測振組件所測量得到的投影分量，通過矢量關系求 得振動物體沿正交坐標軸的振動分量，實現振動物體的多維振動信息測量。
2. 根據權利要求1所述的多維激光測振儀，其特征在于，所述激光測振組件是激光多 普勒測振組件或者激光自混合測振組件。
3. 根據權利要求1所述的多維激光測振儀，其特征在于，所述多維激光測振儀為二維 激光測振儀，所述激光測振組件設置有兩組，包括第一激光測振組件和第二激光測振組件， 所述每組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統光軸對稱分布，分別為第一激光測振組 件通過光束聚焦系統的第一出射光束，以及第二激光測振組件通過光束聚焦系統的第二出 射光束，所述物體振動沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量為v 41、v42，將沿光束聚 焦系統的光軸方向定義為z軸，將振動物體的激光照射點作為原點，并垂直于z軸建立x-y 坐標系，所述振動物體沿坐標軸 X，z方向的二維振動分量為
其中\，\為振動物體的沿坐標軸的振動分量，Θ為第一出射光束與第二出射光束的 夾角，光束聚焦系統的焦距為f，第一出射光束與第二出射光束間隔為h，存在下述關系式
4. 根據權利要求1中所述的多維激光測振儀，其特征在于：將沿光束聚焦系統的光軸 方向定義為z軸，將振動物體的激光照射點作為原點，并垂直于z軸建立x-y坐標系，其中 有一組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統的光軸分布，在獲取所述的振動物體沿激 光測振組件通過光束聚焦系統的出射光束投影分量之前，先測量z坐標的振動分量以實現 其他激光測振組件對光束夾角Θ進行校準。
5. 根據權利要求4中所述的多維激光測振儀，其特征在于，所述的多維激光測振儀為 二維激光測振儀，所述激光測振組件設置有三組，分別為第一激光測振組件、第二激光測振 組件和第三激光測振組件，其中，第三激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統的光軸分 布；其余兩組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統的光軸對稱分布，分別為第一激光 測振組件通過光束聚焦系統的第一出射光束，以及第二激光測振組件通過光束聚焦系統的 第二出射光束，所述物體振動沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量為v 41、v42，所述 第三激光測振組件測量z軸方向上的振動信息v4(l，實現第一出射光束與第二出射光束的角 度Θ的校準 Vz = V4〇
經校準后，得到振動物體沿坐標軸X，Z方向的二維振動分量為
6·根據權利要求1所述的多維激光測振儀，其特征在于,所述多維激光測振儀為三維 激光測振儀，所述的激光測振組件設置有三組，分別為第一激光測振組件、第二激光測振組 件和第三激光測振組件，所述每組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統光軸正交分 布，分別為第一激光測振組件通過光束聚焦系統的第一出射光束、第二激光測振組件通過 光束聚焦系統的第二出射光束，以及第三激光測振組件通過光束聚焦系統的第三出射光 束，所述第三激光測振組件沿光軸布置，將沿光束聚焦系統的光軸方向定義為Z軸，將振動 物體的激光照射點作為原點，并垂直于Z軸建立χ-y坐標系，第一激光測振組件布置于y軸 h 41/2處，第二激光測振組件布置于X軸-h42/ 2處，所述物體振動沿第一出射光束和第二出 射光束的投影分量為V41、V42，所述第三激光測振組件測量z軸方向上的振動信息％。，所述 第三激光測振組件的第三出射光束測量物體沿 z軸方向的振動分量為 = V40 通過三個組件的正交分布得到振動物體沿y軸的振動分量Vy，振動物體沿X軸的振動 分量Vx
其中，Θ 4Q?41為第三激光測振組件的第三出射光束與第一激光測振組件的第一出射光 束的夾角，Θ 4。?42為第三激光測振組件的第三出射光束與第二激光測振組件的第二出射光 束的夾角，則有下述關系式
能夠由光束聚焦系統的焦距為f，第一出射光束與第三出射光束間距h41/2,第二出射 光束與第第三出射光束間距h42/2計算得到。
7.根據權利要求4所述的多維激光測振儀，其特征在于，所述多維激光測振儀為三維 激光測振儀，所述的激光測振組件設置有五組，分別為第一激光測振組件至第五激光測振 組件，通過光束聚焦系統之后分別為第一出射光束至第五出射光束，所述每組激光測振組 件的出射光束沿光束聚焦系統光軸正交對稱放置，構成十字分布，其中，所述第三激光測振 組件沿光軸布置，通過第一激光測振組件至第三激光測振組件分別發出的第一出射光束至 第三出射光束的振動投影分量實現第一出射光束和第二出射光束的夾角Θ 41~42校準：
通過第三激光測振組件至第五激光測振組件分別發出的第三出射光至第五出射光束 的振動投影分量實現光束第四出射光束和第五出射光束的夾角θ43?44校準：
其中，V4。是第三激光測振組件測量Z軸方向上的振動信息，其余第一激光測振組件至 第五激光測振組件四組激光測振組件測量的投影分量為v41、v42、v43、v 44 ; ' 經校準后，得到振動物體沿坐標軸x，y，z方向的三維維振動分量為 Vz = v4〇
8·根據權利要求I-7中任一所述的多維激光測振儀的多維激光測振方法，其特征在于 包括以下步驟： ~ A、 每組激光測振組件出射的激光通過光束聚焦系統能夠聚焦到振動物體的同一點； B、 由光束聚焦系統聚焦到振動物體上的散射光束返回到激光測振組件形成干涉； C、 激光測振組件內部設置的探測器探測干涉信號，解調出振動物體沿激光測振組件通 過光束聚焦系統的出射光束的投影分量； ' ^ D、 獲取物體的振動測量。
9. 根據權利要求8所述的多維激光測振方法，其特征在于，所述的多維激光測振儀為 二維測振儀，所述的激光測振組件設置有兩組,所述每組激光測振組件的出射光束沿光束 聚焦系統光軸對稱分布，其中，步驟C中，每組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統光 軸對稱分布，分別為第一激光測振組件通過光束聚焦系統的第一出射光束，以及第二激光 測振組件通過光束聚焦系統的第二出射光束，所述物體振動沿第一出射光束和第二出射光 束的投影分量為v 41、v42，將沿光束聚焦系統的光軸方向定義為z軸，將振動物體的激光照射 點作為原點，并垂直于z軸建立x-y坐標系，所述振動物體沿坐標軸X，z方向的二維振動分 量為
其中vx，vzS振動物體的沿坐標軸的振動分量，Θ為第一出射光束與第二出射光束的 夾角，光束聚焦系統的焦距為f，第一出射光束與第二出射光束間隔為h,存在下述關系式
10. 根據權利要求8所述的多維激光測振方法，其特征在于，將沿光束聚焦系統的光軸 方向定義為z軸，將振動物體的激光照射點作為原點，并垂直于z軸建立x-y坐標系，其中 有一組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統的光軸分布,在獲取所述的振動物體沿激 光測振組件通過光束聚焦系統的出射光束的投影分量之前，先測量z坐標的振動分量以實 現其他激光測振組件對光束夾角Θ進行校準。
11. 根據權利要求1〇所述的多維激光測振方法，其特征在于，所述的多維激光測振儀 為二維激光測振儀，所述激光測振組件設置有三組，分別為第一激光測振組件、第二激光測 振組件和第三激光測振組件，其中，第三激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統的光軸 分布；其余兩組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統的光軸對稱分布，分別為第一激 光測振組件通過光束聚焦系統的第一出射光束，以及第二激光測振組件通過光束聚焦系統 的第二出射光束，其中，步驟C中,所述物體振動沿第一出射光束和第二出射光束的投影分 量為V 41、v42，所述第三激光測振組件測量Z軸方向上的振動信息v4。，實現第一出射光束與 第二出射光束的角度Θ的校準 Vz = V40
經校準后，得到振動物體沿坐標軸X，z方向的二維振動分量為
iei
12.根據權利要求8所述的多維激光測振方法，其特征在于，所述多維激光測振儀為 三維激光測振儀，所述激光測振組件設置有三組，分別為第一激光測振組件、第二激光測振 組件和第三激光測振組件，所述每組激光測振組件的出射光束沿光束聚焦系統光軸正交分 布，分別為第一激光測振組件通過光束聚焦系統的第一出射光束、第二激光測振組件通過 光束聚焦系統的第二出射光束，以及第三激光測振組件通過光束聚焦系統的第三出射光 束，所述第三激光測振組件沿光軸布置，將沿光束聚焦系統的光軸方向定義為z軸，將振動 物體的激光照射點作為原點，并垂直于Z軸建立x-y坐標系，第一激光測振組件布置于y軸 h 41/2處，第二激光測振組件布置于X軸-h42/2處， 其中，步驟C中，所述物體振動沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量為V4i、v42， 所述第三激光測振組件測量z軸方向上的振動信息V4。，所述第三激光測振組件的第三出射 光束測量物體沿z軸方向的振動分量為 Vz = V40 通過三個組件的正交分布得到振動物體沿y軸的振動分量Vy，振動物體沿χ軸的振動 分量Vx
其中，94。?41為第三激光測振組件的第三出射光束與第一激光測振組件的第一出射光 束的夾角，Θ 4。?42為第三激光測振組件的第三出射光束與第二激光測振組件的第二出射光 束的夾角，則有下述關系式
能夠由光束聚焦系統的焦距為f，第一出射光束與第三出射光束間距h4i/2,第二出射 光束與第三出射光束間距h42/2計算得到。 I3·根據權利要求10所述的多維激光測振方法，其特征在于，所述的多維激光測振儀 為三維測振儀，所述的激光測振組件設置有五組，分別為第一激光測振組件至第五激光測 振組件，通過光束聚焦系統之后分別為第一出射光束至第五出射光束，所述每組激光測振 組件的出射光束沿光束聚焦系統光軸正交對稱放置，構成十字分布，其中，所述第三激光 f振件沿光軸，少C中，通過第一激光測振組件至第三激光測振組件分別發出的 第-出射光束至第二出射光束的振動投影分量實現第-出射光束和第二出射光束的夾角 θ 校準：
通過第三激光測振組件至第五激光測振組件分別發出的第三出射光束至第五出射光 束的振動投影分量實現光束第四出射光束和第五出射光束的夾角θ43?44校準：
其中，V4。是第三激光測振組件測量Ζ軸方向上的振動信息，其余第一激光測振組件至 第五激光測振組件四組激光測振組件測量的投影分量為V41、V42、V43、V 44 ; 經校準后，得到振動物體沿坐標軸X，y，Ζ方向的三維振動分量為 = V4〇
【文檔編號】G01H9/00GK104215317SQ201410425812
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】葉崗 申請人:寧波舜宇智能測量儀器有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
