一种在于光三角法的激光测振仪

　　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2～20μm,频率响应0-3kHz的激光非接触测振仪。

　　1　测量原理

　　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

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Φ的选定是为了满足恒聚焦条件。所用光电探测器可为线阵CCD器件或PSD(Position Sensi-tive Detector)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

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:

式中f为接收透镜的焦距。

　　2.1　象距b,焦距f及夹角β的确定