亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：全光纤激光多普勒三维测振仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光测试领域，尤其是涉及全光纤激光多普勒三维测振仪。
背景技术：
测振动的方法包括电测量法和光学测量法。电测量法主要是将振动传感器粘贴在测量部位，求得器件振动模式分布。该测量法具有很多局限性无法在恶劣环境下进行测量，例如强电磁环境，高温等环境；不适用于测量特殊器件的振动模式，如微结构，高速旋转物体等；不能完成对器件高空间密度的振动模式测量，振动传感器带来的质量加载效应不能忽略；另外，振动传感器的安装和卸载过程也非常麻烦。光学测量方法最大的优点就是具有非接触测量的优点，主要有全息法、数字散斑法、光三角法和多普勒测量技术等。全息法和数字散斑法都存在信噪比低，实时测量性能差和数据处理复杂等缺点。光三角法的位移分辨率较低，测量范围和工作距离较小。激光多普勒测振技术通过检测激光照射到运动物体上的多普勒频移，从而得到物体运动的速度和位移。利用光学多普勒效应发展起来扫描激光多普勒测振仪能够完成μm量级到m量级物体的振动测量，位移分辨率达到2 nm，工作距离可达50 m，测量振动频率达到MHz量级，是一种应用非常广泛的非接触测振技术，但是扫描激光多普勒测振仪只能测量一维振动，另外采用的是分离器件，结构复杂。近来德国的Ploytec公司报道了激光多普勒三维测振仪，型号为PSV-400-3D，该测振仪采用三个独立的扫描激光多普勒测振仪以不同的角度同时对准器件的一个点，从而完成对该点的三维振动速度测量。但是该系统采用分离的光学元件，具有三个独立的激光发射头，所以具有体积庞大、操作复杂、价格昂贵等缺点。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述存在的问题，提供一种全光纤激光多普勒测振仪，利用光学多普勒效应通过Z方向测量组件、X方向测量组件、Y方向测量组件与组合式光纤探头、光电转换器、上位机配合工作，方便测量振动物体三维方向振动速度。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下
一种全光纤激光多普勒三维测振仪包括组合式光纤探头，用于接收Z方向激光光束并照射到振动物体上，同时接收振动物体反射到X方向激光光束、振动物体反射到Y方向激光光束、振动物体反射到Z方向激光光束；Z方向测量组件，用于产生Z方向激光光束，通过组合式光纤探头第一端口照射到振动物体上，并同时接收振动物体反射到Z方向激光光束并进行信号处理；X方向测量组件，用于分别通过组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口接收振动物体反射到X方向的激光光束并进行信号处理；Y方向测量组件，用于分别通过组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口接收振动物体反射到Y方向激光光束并进行信号处理；示波器，用于接收并存储Z方向测量组件、X方向测量组件、Y 方向测量组件产生的电信号；上位机，用于接收示波器存储的电信号，并分别处理为振动物体Z方向对应的速度、振动物体X方向对应的速度、振动物体Y方向对应的速度；所述Z方向是第一探头的激光发射方向，X方向为与Z方向垂直在组合式光纤探头第二端口和组合式光纤探头第四端口的连线方向，Y方向为与Z方向垂直在组合式光纤探头第三端口和组合式光纤探头第五端口的连线方向。所述Z方向测量组件包括光纤位移干涉仪，用于产生Z方向激光光束，同时接收振动物体反射到Z方向激光光束；波分复用器，用于接收光纤位移干涉仪产生的Z方向的激光光束，并将Z方向的激光光束通过组合式光纤探头第一端口照射在振动物体上；接收振动物体反射到Z方向激光光束；X方向测量组件包括第一光纤耦合器，用于分别接收组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口沿X方向激光光束，进行耦合处理，形成第一光干涉信号、第二光干涉信号；第一光纤信号处理模块，用于接收第一光纤耦合器输出的振动物体X方向第一光干涉信号，并将第一光干涉信号处理为第一电信号；第二光纤信号处理模块，用于接收第一光纤耦合器输出的振动物体X方向第二光干涉信号，并将第二光干涉信号处理为第二电信号；其中第一光干涉信号与第二光干涉信号频率相同，相位差T ； Y方向测量组件包括第二光纤耦合器，用于分别接收组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口沿Y方向激光光束，进行耦合处理，形成第三光干涉信号、第四光干涉信号； 第三光纤信号处理模块，用于接收第二光纤耦合器输出的振动物体Y方向第三光干涉信号，并将第三光干涉信号处理为第三电信号；第四光纤信号处理模块，用于接收第二光纤耦合器输出的振动物体Y方向第四光干涉信号，并将第四光干涉信号处理为第四电信号； 其中第三光干涉信号与第四光干涉信号频率相同，相位差为T。所述组合式光纤探头包括第一探头1、第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5、支架6，所述第一探头、第二探头、第三探头、第四探头、第五探头由支架固定，第一探头1、第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5位于与Z方向垂直的平面上，第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5分别对称设置在第一探头1周围，第二探头2、第一探头1、第四探头4形成一条以第一探头1为中点的直线；第三探头3、第一探头1、第五探头5形成一条以第一探头1为中点的直线，并且第三探头3、第一探头1、第五探头5形成的直线与第二探头2、第一探头1、第四探头4形成的直线垂直，所述第一探头1为组合式光纤探头第一端口，第二探头2为组合式光纤探头第二端口，第三探头3为组合式光纤探头第三端口，第四探头4为组合式光纤探头第四端口，第五探头5为组合式光纤探头第五端口， 所述第一探头1与波分复用器连接，所述第二探头2、所述第四探头4分别与第一光纤耦合器连接，所述第三探头3，所述第五探头5分别与第二光纤耦合器连接。所述第二探头2与第四探头4沿Z方向夹角为Θ，所述θ为1。 45°，第三探头3与第五探头5沿Z方向夹角为θ，所述θ为1° 45°。所述第一光纤信号处理模块、第二光纤信号处理模块、第三光纤信号处理模块、第四光纤信号处理模块分别包括光纤放大器，用于对光纤信号进行放大处理；光纤滤波器，用于对光纤放大器输出信号进行滤波处理；光纤衰减器，用于对光纤滤波器输出信号进行衰减处理；光电转换器，用于对光纤衰减器输出信号进行光电信号转换；光电转换器输出的信号发送给示波器进行存储显示。所述Z方向测量组件还包括第一可见光激光器，用于发射Z方向激光光束，并依次通过波分复用器、组合式光纤探头第一端口后形成振动物体测量点；所述X方向测量组件还包括第二可见光激光器，用于发射X方向激光光束，并通过第一光纤耦合器后，再分别通过组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口形成与第一可见光激光器测量点重合的测量点；
所述Y方向测量组件还包括第三可见光激光器，用于发射Y方向激光光束，并通过第二光纤耦合器后，再分别通过组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口形成与第一可见光激光器测量点重合的测量点。所述若第一光纤耦合器、第二光纤耦合器为3*3单模光纤耦合器，则相位差为T为 120°，所述3*3单模光纤耦合器输出端的分光比为1:1:1 ；若所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器为4*4单模光纤耦合器，则相位差为T为90°。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是
1)本发明采用的是光纤结构，因此结构紧凑、小巧、采用光通信行业发展成熟的器件， 因此价格便宜。2)本发明通过Z方向测量组件、X方向测量组件、Y方向测量组件结合组合式光纤探头、光电转换器、上位机等方便的测量振动物体测量速度。3)本发明只需要光纤位移干涉仪提供激光光源，利用组合式探头便可以完成振动物体的三维振动速度测量。4)由于光纤位移干涉仪提供的激光光源波长通常不可见，本发明采用了三个可见光激光器，这样就可以在组合式光纤探头前面形成一个可见光点，当可见光点作用在振动物体上，便可以完成振动物体三维振动速度测量，调节非常方便。


本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中 图1是本发明结构原理图2组合式光纤探头主视图； 图3组合式光纤探头侧面剖视图。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。定义所述Z方向是第一探头1的激光发射方向，X方向为与Z方向垂直在组合式光纤探头第二端口和组合式光纤探头第四端口的连线方向，Y方向为与Z方向垂直在组合式光纤探头第三端口和组合式光纤探头第五端口的连线方向。光纤位移干涉仪引用2009年的《可判向光纤位移干涉仪在振动测量中的应用》第 36卷第10期以及专利《一种全光纤位移干涉仪》，专利号200510022172.X
如图1所示，实施例一，全光纤激光多普勒三维测振仪结构包括组合式光纤探头，用于接收Z方向激光光束并照射在振动物体上，同时接收振动物体反射到X方向激光光束、振动物体反射到Y方向激光光束、振动物体反射到Z方向激光光束；Z方向测量组件，用于产生Z 方向激光光束，通过组合式光纤探头第一端口接收振动物体反射到Z方向的激光光束并进行信号处理；X方向测量组件，用于分别通过组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口接收振动物体发射到X方向激光光束并进行信号处理；Y方向测量组件，用于分别通过组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口接收的振动物体发射到Y方向激光光束并进行信号处理；示波器，用于接收并存储Z方向测量组件、X方向测量组件、Y方向测量组件产生的激光光束电信号；上位机(计算机)，用于接收示波器存储电信号，并分别处理为振动物体反射到Z方向对应的速度、振动物体反射到X方向对应的速度、振动物体反射到 Y方向对应的速度；其中Z方向测量组件包括光纤位移干涉仪，用于产生Z方向激光光束， 同时接收振动物体反射到Z方向激光光束；波分复用器(波分复用WDM技术是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer) 汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术)，用于接收光纤位移干涉仪产生的Z方向的激光光束，并将Z方向的激光光束通过组合式光纤探头第一端口作用于振动物体；接收振动物体反射到Z方向激光光束；X方向测量组件包括第一光纤耦合器，用于分别接收组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口沿X方向激光光束，进行耦合处理，形成第一光干涉信号、第二光干涉信号；第一光纤信号处理模块，用于接收第一光纤耦合器输出的振动物体X方向第一光干涉信号，并将第一光干涉信号处理为第一电信号；第二光纤信号处理模块，用于接收第一光纤耦合器输出的振动物体X方向第二光干涉信号，并将第二光干涉信号处理为第二电信号；其中第一光干涉信号与第二光干涉信号频率相同，相位差为T ；Y方向测量组件包括第二光纤耦合器，用于分别接收组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口沿Y方向激光光束，进行耦合处理，形成第三光干涉信号、第四光干涉信号；第三光纤信号处理模块，用于接收第二光纤耦合器输出的振动物体Y 方向第三光干涉信号，并将第三光干涉信号处理为第三电信号；第四光纤信号处理模块，用于接收第二光纤耦合器输出的振动物体Y方向第四光干涉信号，并将第四光干涉信号处理为第四电信号；其中第三光干涉信号与第四光干涉信号频率相同，相位差为T ；该测振仪采用全光纤结构。实施例二 在实施例一基础上，如图2所示，组合式光纤探头包括第一探头、第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5，所述第一探头1、第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5固定在支架上，所述第一探头1、第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5位于与Z方向垂直的平面上，第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5分别对称设置在第一探头1周围，第二探头2、第一探头1、第四探头4形成一条以第一探头1 为中点的直线；第三探头3、第一探头1、第五探头5形成一条以第一探头1为中点的直线， 并且第三探头3、第一探头1、第五探头5形成的直线与第二探头2、第一探头1、第四探头4 形成的直线垂直。如图3所示，第一探头1同时发射和接收激光，第二探头2、第三探头3、 第四探头4、第五探头5这四个小探头只接收激光，第一探头1、第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5这五个探头由支架固定，并且这5个探头可以是光纤准直器或者其它与单模光纤耦合的光探头。测量中只需要将可见激光会聚点落在振动物体表面，可以完成物体三维振动测量，如图3所示。设计要求第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5这四个探头发射的可见光会聚在第一探头发射的可见激光束上，根据光的可逆性原理，第二探头2、第三探头3、第四探头4、第五探头5这四个探头从第一探头1接收的发射激光光强才能达到最大。在组合式光纤探头，第一探头1完成振动物体反射到Z方向激光光束的检测，经过 Z方向测量组件进行光纤信号处理；第二探头2和第四探头4完成振动物体反射到Y方向激光光束测量，经过Y方向测量组件进行光纤信号处理；第三探头3和第五探头5完成振动物体反射到X方向激光光束测量，经过X方向测量组件进行光纤信号处理；分别经过Z方向测量组件、X方向测量组件、Y方向测量组件处理后的光干涉被转换为振动物体Z方向、X方向、Y方向光干涉信号的电信号，然后通过示波器将这些光干涉信号的电信号形式进行显示与存储，再通过上位机进行信号处理计算得出振动物体三维方向的速度。使得全光纤激光多普勒测振仪完成振动速度的三维测量。1) Z方向干涉信号测量
通过第一探头反射到波分复用器的振动物体Z方向光干涉信号，可经过光纤位移干涉仪测量，得到振动物体反射到ζ方向光干涉信号频率为，光纤位移干涉仪测得到光干涉信号(需要经过光电转换，不然没办法存储，电信号的频率和光干涉信号的频率一样，幅度成正比)经过示波器存储显示后，最后通过上位机计算光干涉信号处理，通过如下公式 Fz=2*Vz / λ，得到 Vz= Fz* λ /2，
其中λ表示光纤位移干涉仪发射激光的波长，内表示示波器记录的干涉信号的频率。2) X方向干涉信号测量
第二探头2和第四探头4构成的两个端口接第一光纤耦合器三个输入端口中的任意两个端口，第一光纤耦合器的三个输出端口中的任意两个端口分别连接第一光纤信号处理模块、第二光纤信号处理模块。第二探头和第四探头反射振动物体X方向的激光光束经过第一光纤耦合器得到光干涉信号；再分别经过第一光纤信号处理模块、第二光纤信号处理模块形成了频率相同为Fx，相位差为120°的电信号(其中经过第一光纤信号处理模块、第一光纤信号处理模块处理后的电信号的频率和处理前的光干涉信号的频率一样，幅度成正比，经过示波器存储显示后，最后上位机通过如下公式 Fx=2*Vx*sin θ / λ，
得到振动物体反射到Y方向的速度Vx= Fx* λ / 2sin θ，
其中λ表示光纤位移干涉仪发射激光的波长，！^表示波器记录的干涉信号的频率。在上述信号处理过程中，第一光纤耦合器输入端为两路光干涉信号，则第一光纤耦合器通过下列公式
权利要求
1.一种全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于包括组合式光纤探头，用于接收Z方向激光光束并照射到振动物体上，同时接收振动物体反射到X方向激光光束、振动物体反射到Y方向激光光束、振动物体反射到Z方向激光光束；Z方向测量组件，用于产生Z方向激光光束，通过组合式光纤探头第一端口照射到振动物体上，并同时接收振动物体反射到Z方向激光光束并进行信号处理；X方向测量组件，用于分别通过组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口接收振动物体反射到χ方向的激光光束并进行信号处理；Y方向测量组件，用于分别通过组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口接收振动物体反射到Y方向激光光束并进行信号处理；示波器，用于接收并存储Z方向测量组件、X方向测量组件、Y方向测量组件产生的电信号；上位机，用于接收示波器存储的电信号，并分别处理为振动物体Z方向对应的速度、振动物体X方向对应的速度、振动物体Y方向对应的速度；所述Z方向是第一探头的激光发射方向，X方向为与Z方向垂直在组合式光纤探头第二端口和组合式光纤探头第四端口的连线方向，Y方向为与Z方向垂直在组合式光纤探头第三端口和组合式光纤探头第五端口的连线方向。
2.根据权利要求1所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述Z方向测量组件包括光纤位移干涉仪，用于产生Z方向激光光束，同时接收振动物体反射到Z方向激光光束；波分复用器，用于接收光纤位移干涉仪产生的Z方向的激光光束，并将Z方向的激光光束通过组合式光纤探头第一端口照射在振动物体上；接收振动物体反射到Z方向激光光束O
3.根据权利要求1所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述X方向测量组件包括第一光纤耦合器，用于分别接收组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口沿X方向激光光束，进行耦合处理，形成第一光干涉信号、第二光干涉信号；第一光纤信号处理模块，用于接收第一光纤耦合器输出的振动物体X方向第一光干涉信号，并将第一光干涉信号处理为第一电信号；第二光纤信号处理模块，用于接收第一光纤耦合器输出的振动物体X方向第二光干涉信号，并将第二光干涉信号处理为第二电信号；其中第一光干涉信号与第二光干涉信号频率相同，相位差为T。
4.根据权利要求1所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述Y方向测量组件包括第二光纤耦合器，用于分别接收组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口沿Y方向激光光束，进行耦合处理，形成第三光干涉信号、第四光干涉信号；第三光纤信号处理模块，用于接收第二光纤耦合器输出的振动物体Y方向第三光干涉信号，并将第三光干涉信号处理为第三电信号；第四光纤信号处理模块，用于接收第二光纤耦合器输出的振动物体Y方向第四光干涉信号，并将第四光干涉信号处理为第四电信号；其中第三光干涉信号与第四光干涉信号频率相同，相位差为T。
5.根据权利要求1至4中之一所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述组合式光纤探头包括第一探头、第二探头、第三探头、第四探头、第五探头、支架，所述第一探头、第二探头、第三探头、第四探头、第五探头由支架固定，第一探头、第二探头、第三探头、第四探头、第五探头位于与Z方向垂直的平面上，第二探头、第三探头、第四探头、第五探头分别对称设置在第一探头周围，第二探头、第一探头、第四探头形成一条以第一探头为中点的直线；第三探头、第一探头、第五探头形成一条以第一探头为中点的直线，并且第三探头、第一探头、第五探头形成的直线与第二探头、第一探头、第四探头形成的直线垂直，所述第一探头为组合式光纤探头第一端口，第二探头为组合式光纤探头第二端口，第三探头为组合式光纤探头第三端口，第四探头为组合式光纤探头第四端口，第五探头为组合式光纤探头第五端口，所述第一探头与波分复用器连接，所述第二探头、所述第四探头分别与第一光纤耦合器连接，所述第三探头，所述第五探头分别与第二光纤耦合器连接。
6.根据权利要求5所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述第二探头与第四探头沿Z方向夹角为Θ，所述θ为1。 45°，第三探头与第五探头沿Z方向夹角为 θ，所述θ为Γ 45°。
7.根据权利要求6所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述第一光纤信号处理模块、第二光纤信号处理模块、第三光纤信号处理模块、第四光纤信号处理模块分别包括光纤放大器，用于对光纤信号进行放大处理；光纤滤波器，用于对光纤放大器输出信号进行滤波处理；光纤衰减器，用于对光纤滤波器输出信号进行衰减处理；光电转换器，用于对光纤衰减器输出信号进行光电信号转换；光电转换器输出的信号发送给示波器进行存储显示。
8.根据权利要求7所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述Z方向测量组件还包括第一可见光激光器，用于发射Z方向激光光束，并依次通过波分复用器、组合式光纤探头第一端口后形成振动物体测量点；所述X方向测量组件还包括第二可见光激光器，用于发射X方向激光光束，并通过第一光纤耦合器后，再分别通过组合式光纤探头第二端口、组合式光纤探头第四端口形成与第一可见光激光器测量点重合的测量点；所述Y方向测量组件还包括第三可见光激光器，用于发射Y方向激光光束，并通过第二光纤耦合器后，再分别通过组合式光纤探头第三端口、组合式光纤探头第五端口形成与第一可见光激光器测量点重合的测量点。
9.根据权利要求8中之一所述的全光纤激光多普勒三维测振仪，其特征在于所述若第一光纤耦合器、第二光纤耦合器为3*3单模光纤耦合器，则相位差为T为120°，所述3*3单模光纤耦合器输出端的分光比为1 1 1 ；若所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器为4*4单模光纤耦合器，则相位差为T为90°。
全文摘要
本发明属于激光测试领域，具体涉及全光纤激光多普勒三维测振仪。针对上述存在的问题，提供一种全光纤激光多普勒测振仪，利用光学多普勒效应通过Z方向测量组件、X方向测量组件、Y方向测量组件分别测得振动物体三维方向振动速度。本发明通过各个组件组合完成振动物体三位方向振动速度测量。本发明应用于激光测试领域。
文档编号G01H9/00GK102401691SQ20111038592
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者刘乔, 刘俊, 刘寿先, 孟建华, 彭其先, 李泽仁, 王德田, 邓向阳, 陈光华 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所