一种基于光三角法的激光测振仪
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第26卷第3期光电工程Vol.26, No.3 1999年6月Opto-ElectronicEngineeringJune,1999
文章编号:1003-501X(1999)03-0053-05
一种基于光三角法的激光测振仪
张文伟1,庄葆华2,张吉华2
(1.南开大学现代光学研究所,天津300071;2.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072)
摘要:介绍了一种基于光三角法的激光非接触测振仪,对激光测振仪的结构参数的优
化设计进行了分析。研制的激光测振仪的主要技术参数为工作距离40mm～2m,测
量范围2～50mm,测量分辨力2～20Lm,频率响应0～3kHz。关键词:激光振动测量,光三角法,激光非接触测量。
中图分类号:TH762.2 文献标识码:A
LaserVibrationMeasurementInstruments
BasedonOpticalTriangulation
ZHANGWen-wei1,ZHUANGBao-hua2,ZHANGJi-hua2
(1.InstituteofModernOptics,NankaiUniversity,Tianjin300071,
China;2.TheInstituteofPrecisionInstrumentandOptoelectronic
Engineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)
Abstract:Anoncontactlaservibrationmeasuringinstrumentbasedonopticaltrian-
gulationisintroducedinthepaper.Anoptimizeddesignforthestructuralparame-tersoflaservibrationmeasuringinstrumentisanalyzed.Themaintechnicalpara-
metersofthedevelopedlaservibrationmeasuringinstrumentareoperatingrange40mm～2m,measuringrange2～50mm,measuringresolution2～20Lmandfrequen-cyresponse0～3kHz.
Keywords:Laservibrationmeasurement,Opticaltriangulationmethods,Lasernon-
contactmeasurement.
CLCnumber:TH762.2
收稿日期:1997-03-04;收到修改稿日期:1999-05-04基金项目:天津市自然科学基金资助项目(941407010)作者简介:张文伟(1967-),男,陕西西安人,博士,主要从事光电检测技术、智能化仪器、神经网络及其光学实现的研究;庄葆华,(1937-),女,安徽人,天津大学教授,博导,主要从事光电检测技术、全息、新型传感技术的研究。www.grain17.com引 言
随着工业的迅速发展,对振动测量提出了更高的要求。目前,工程中振动测量主要依靠加速度计,由于现场的恶劣环境会影响加速度计的正常工作,另外加速度计的附加质量也会改变
实际结构的振动行为,使测量结果失真。在振动测量的光学方法中,全息法[1]、散斑法[2]、云纹
干涉法[3]是用暗室照相的方式操作,对测试环境有较高的要求,不便于一般工作环境下物体振动的测量;离焦法[4]、外差干涉法[5]由于测头与被测物体工作距离近(几毫米至几十毫米)、成
本高等使应用受到限制。为此,本文基于光三角法测量原理,开发出一种工作距离40mm～
2m,测量范围2～50mm,测量分辨力2～20Lm,频率响应0-3kHz的激光非接触测振仪。
1 测量原理
图1 光三角法测振动原理图Fig.1 Schematicdiagramofvibrationmeasurementwithopticaltriangulationmethod图1示出了光三角法的振动位移测量原理。半导体
激光器LD发出的激光经发射透镜L1汇聚于被测物体
表面的O处形成入射光点,该光点在空间的部分散射光通过接收透镜L2汇聚到光电探测器E上形成象光点
O′。当入射光点与该光学结构发生相对于入射光轴方向
的振动位移z时,引起象光点在E的感光面上发生位移
z′,从而引起光电探测器输出电信号的变化。通过检测该
信号的变化即可求得z′,则z为
z=az′sin
式中参数如图1所示。当入射光点通过接收透镜所成的
象光点在光电探测器E上的中点时,此入射光点称为测振仪基准点。角
光电探测器可为线阵CCD器件或PSD(PositionSensi-
图2 信号处理电路原理图Fig.2 SchematicdiagramofsignalprocessingcircuittiveDetector)器件。PSD是一种新型半导体位置探测
器,它将光点在其光敏面上的强度及位置转换成两路电流信号输出。设PSD的两个电极输出的光电流分别为
I1,I2,则z′为
z′=l2õI2-I1I2+I1(2)
式中l为PSD感光面有效长度。若I1和I2之和为光电流总和IR,则有
IR=KPPS(3)
式中 KP是PSD的光电转换效率,PS是接收透镜接收到的光功率。
测量系统的信号处理框图如图2所示。首先通过I/V电流电压转换,将来自PSD两电极
的电流信号转换为电压信号,随后将两路电压信号进行加运算ADD,减运算SUB,进而送入除法器DIV进行除法运算。为了去除噪声,在除法器输出端连接一个低通滤波器LP,经滤波54光电工程 第26卷第3期器滤波而得到与PSD上光点位移成正比的电压输出。由于PSD具有分辨力较高、后续处理电路简单、频率响应高等特点,故本激光测振仪采用PSD为光电探测器。
2 激光测振仪结构优化设计分析
激光测振仪的结构尺寸是根据测量分辨力、测量范围、工作距离等要求和PSD器件的工
作特点进行优化设计的。图1中,接收透镜L2的物、象关系可由下式表示:
1a+1b=1f(4)
式中f为接收透镜的焦距。
2.1 象距b,焦距f及夹角B的确定
由于测振仪的测量范围相对较小,可使<=90°,代入(1)式且对其求导数可得
dzdz′=absinB(bsinB-z′cosB)2(5)
由于bsinBmz′cosB,则(1)和(5)式可分别表示为
z=az′bsinB $z=a$z′bsinB(6)
由(6)式可知,测振仪的输入输出间有近似的线性关系,其最大测量范围zmax与PSD感光
面的尺寸z′max成正比。在PSD分辨力一定的情况下,较大的b值可提高测量分辨力,但却相应
地减小了测振仪的测量范围,并增大了其尺寸。
以激光测振仪的最大工作距离2m,测量范围±25mm,测量分辨力20Lm为例进行计算。
选用PSD的分辨力为0.1Lm,感光面长度为±1.5mm。由(5)式可知,当z′=-1.5mm,即入射
光点取向测量范围负边缘,测振仪分辨力最低,将已知参数代入式(5)应可得
$z=2000bsinB×10-4(bsinB+1.5cosB)2≤20×10-3(7)
由(1)式,取z′=1.5mm时,应使测量范围zmax满足
zmax=2000×1.5bsinB-1.5cosB≥25(8)
可预选f=150mm,根据(4),(7)和(8)式将所求参数化整得b=162mm,B=3.6°,f=
150mm。将他们反代入(7)和(8)式验证可知:当入射光点在测振仪测量范围正、负边缘处(zmax=±25mm),PSD上象点位移为z′max=±0.13mm,即PSD的感光面长度能满足要求。
2.2 接收透镜通光口径的确定
设激光测振仪所测目标物为漫散射体,若被测物为非理想漫散射体时,可直接测量或者可
以在被测点处贴一小块具有氧化镁涂层的纸片作为靶标,这并不影响被测点的振动状态,但却
使该处成为漫散射表面。根据朗伯定律,漫散射表面的光分布与入射角H无关,仅由散射面法
线在空间的方向决定,其散射光的分布可表示为
I(<)=I0cos<(9)
式中参数如图3所示。对于无吸收的非透明物质,散射场总功率应等于入射光的总功率。根据漫散射表面的光分布模型,可以求得图1中位置敏感探测器所获得光功率PS:551999年6月 张文伟等:一种基于光三角法的激光测振仪
图3 漫散射表面的光分布模型Fig.3 OpticalpowerdistributionmodelondiffusedsurfacePS=PLPGTGRQ8DcosB(10)
式中 PL是激光器的发射功率;GT是光束透过发射透
镜时的传输率;GR是光束透过接收透镜时的传输率;Q是被测物体表面的反射率;8D是接收透镜所对应的空
间立体角,为
8D=Pd24a21+2zacosB(11)
式中d为接收透镜的通光口径。将(11)式代入(10)式,即可以求得在位置敏感探测器上所获得的光功率PS:
PS=PLQd24a2GTGR(1+2zacosB)cosB(12)
式中 PL选择为30mW,GT=GR=0.7,Q=0.8,z=50mm,B=3.6°。所接收到的光功率经式(3)表示的光电转换后转换为电流信号IR,该电流信号需再经过电流电压转换,变为电压信
号,以便后续处理,转换过程为
VR=KRIR(13)
VR的选择以利于后续处理为原则,通常VR可选为6V。KR为电流电压转换增益,选择KR=
106,联立(3)、(12)和(13)式并由PSD的参数可知,KP=0.5A/W,由此可以计算出d=
148mm。
3 激光测振仪的性能实验
3.1 振动信号振幅和频率的测量实验使激光测振仪入射光垂直照射于距其2m左右放置的起振器靶面上,使起振器以振幅大
于20Lm,振动频率低于3kHz的正弦波起振。采用示波器实时监测起振器的振幅和频率值,为
便于分析,可通过高速A/D采集卡将振动信号实时采集,存入计算机,进行频谱分析。图4示
图4 振动信号的波形图Fig.4 Waveformdiagramofvibrationsignal图5 振动信号的频谱图Fig.5
Frequencyspectrogramofvibrationsignal56光电工程 第26卷第3期
