一种基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置

摘要

本发明涉及一种基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置。现有无法实现振动信息无损遥测。本发明基于偏振奇点光束激发激光散斑原理，结合矢量光场相干技术，偏振奇点光束经过分光器件后，照射到被检测区域，被检测区域发生奇点光束激光散射效应，激光散斑经过离焦光学成像系统进行传输；分光后另一偏振奇点光束经过两个波片，进行横向偏振态分布调控后通过反射元件反射后，与激光散斑光场存在重叠区域，形成干涉光场，光电传感器检测到干涉光场信息，经过信息处理得到振动信息。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、性能可调控、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用范围广等特点。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种振动检测方法，特别是一种基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置，主要应用于噪声分析、振动监测、语音采集、工程测试、危险评估、环境感知、质量检测、环境监测、资源勘探、生物生命、医学医疗、智慧健康、过程控制、国防安全、物联网、过程控制、先进制造等领中的振动信息测量。

背景技术

振动是非常常见和重要的物理现象，广泛存在于我们所处的环境中，广义上振动还包括声学和音频领域。振动测量在诸多领域具有广泛的应用，例如，在工程测试领域，工程上的结构和功能部件的振动可以反映出其工作的情况，通过检测它们的机械振动特性，分析相应部件的振动状态，可以为工程部件使用和维护提供相关信息；在环境感知领域中，基于振动测量可以感知所处环境的振动和语音信息；在智慧健康领域，通过检测生物脉搏、心跳、肢体抖动等生理振动信息，给出健康评估的部分信息基础。目前，对振动检测的要求也越来越高。

在先技术中存在振动信息检测方法，一种压电振动传感器，（参见美国专利，专利名称：Piezoelectric vibration sensor，发明人：Orten Birger，专利号：US7656524B2，专利授权时间：2008年05月06日），虽然存在一定的特点，但是仍然存在本质不足：1）采用压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上需要压电传感器和被检测振动物进行近距离接触，无法实现远距离振动遥测；2）压电振动传感器与被检测物存在近距离相互所用，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，环境因素会影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性；3）由于压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量，又限制了频率检测应用范围；4）在先振动检测系统构建复杂、构建过程对工艺要求高、使用不便利、功能不容易扩充。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置，具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、性能可调控、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、应用广泛、功能易于扩充等特点。

本发明的基本构思是：基于偏振奇点光束激发激光散斑原理，结合矢量光场相干技术，偏振奇点光束经过分光器件后，照射到被检测区域，被检测区域发生奇点光束激光散射效应，激光散斑经过离焦光学成像系统进行传输；分光后另一偏振奇点光束经过两个波片，进行横向偏振态分布调控后通过反射元件反射后，与激光散斑光场存在重叠区域，形成干涉光场，光电传感器检测到干涉光场信息，经过信息处理得到振动信息。

本发明一种基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置，包括激光器、光束整形部件、偏振调制器、分光部件、第一波片、第二波片、反射部件、离焦成像部件、光电传感器和数据分析处理部件，激光器出射光束光路上依次设置有光束整形部件、偏振调制器和分光部件，被检测区域设置在分光部件的透射光路上，第一波片、第二波片、反射部件依次设置在偏振奇点光束经过分光器件的反射光束光路上，反射部件设置在离焦成像部件的散斑光场的出射一侧，并且反射部件的外形尺寸小于离焦成像部件的通光口径，反射部件的反射面朝向散斑光场传播方向，光电传感器设置在偏振奇点光束经过经过反射部件后与离焦成像部件出射的激光散斑光场存在的重叠区域，光电传感器与数据分析处理部件相连接。

激光器出射激光束经过光束整形部件进行整形后，通过和偏振调制器后形成含有偏振奇点光束，偏振奇点光束经过分光器件透射部分继续传播，照射到被检测区域，被检测区域发生奇点光束激光散射效应，激光散斑光场经过离焦成像部件进行传输；偏振奇点光束经过分光器件反射光束光路依次通过第一波片、第二波片和反射部件，偏振奇点光束经过经过反射部件后，与离焦成像部件出射的激光散斑光场形成干涉光场；光电传感器将信号通过数据分析处理部件处理。

所述的激光器为激光二极管、二极管激光器、气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。

所述的光束整形部件为透镜式光束调整部件、反射式光束调整部件、声光调制器、电光调制器、液晶光束调整部件、微纳结构光束调整部件中的一种。

所述的偏振调制器为液晶偏振调制器、微纳结构偏振调制器、棱镜式偏振调制器、偏光膜偏振调制器中的一种。

所述的离焦成像部件为折射式光学成像系统、反射式光学成像系统、混合式光学成像系统中的一种。

所述的光电传感器为光电二极管阵列、光电三极管阵列、雪崩管阵列、光电倍增管阵列、电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体电传感器中的一种。

所述的数据分析处理部件为数字信号处理器、嵌入式系统、计算机、移动终端的中一种。

本发明一种基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置的工作过程为：激光器出射光束光路上依次设置有光束整形部件、偏振调制器、分光部件，激光器出射激光束经过光束整形部件进行整形后，再通过偏振调制器后，转化为含有偏振奇点的矢量光束；偏振奇点光束经过分光器件，透射部分继续传播，照射到被检测区域；被检测区域发生奇点光束激光散射效应，激光散斑光场经过离焦成像部件进行传输；偏振奇点光束经过分光器件反射光束光路上设置有第一波片和第二波片后，被反射部件反射形成参考光场，与离焦成像部件出射的激光散斑光场存在重叠区域，形成干涉光场，通过调节第一波片和第二波片光轴之间的夹角，可以调控偏振奇点光束横向偏振态分布，进而调控干涉光场特性；干涉光场设置有光电传感器，光电传感器与数据分析处理部件相连接，光电传感器检测到干涉光场信息，经过数据分析处理部件处理得到振动信息，调控偏振奇点光束横向偏振态分布，检测过程中，调整第一波片和第二波片光轴之间的夹角量，实现振动信息最好的检测性能。

本发明中散斑原理、电子处理技术、矢量光学理论、多信息融合技术均为成熟技术。本发明的发明点在于：基于偏振奇点光束激发激光散斑原理，结合矢量光场相干技术，给出一种无接触检测、无损检测、可以实现遥测、性能可调控、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、应用广泛、功能易于扩充的基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置。

与现有技术相比，本发明的优点：

1）在先技术是基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上需要压电传感器和被检测振动物进行近距离接触，无法实现远距离振动遥测。本发明基于偏振奇点光束激发激光散斑原理，结合矢量光场相干技术，采用偏振奇点光束进行激光散射效应激发，构建相干光路进行振动信息提取，并且通过两个波片实现偏振奇点光束矢量特性调控，具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、性能可调控等特点；

2）在先技术中，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，环境因素会影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性。本发明本质上为基于相干技术的激光散斑遥测系统，发挥了偏振奇点光束矢量光场特性，本质上避免了与被检测物的直接接触，并且光学检测原理受外界环境影响小，所以具有灵敏度高、可靠性高、抗干扰能力强、被检测物形态和物质多样、信息量高等特点；

3）在先技术的压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，影响振动检测信息量和应用范围。本发明中，偏振奇点光束经过调控后与激光散斑光场存在重叠区域，形成干涉光场，光电传感器检测到干涉光场信息，经过信息处理得到振动信息，检测频率特性不受限于器件机械性质，并且光电信号处理速度快、频率范围广、信息量大，拓展了应用范围。

4）在先振动检测系统构建复杂、构建过程对工艺要求高、使用不便利、功能不容易扩充。本发明采用矢量光场散斑检测技术，利用偏振奇点增强检测性能，光学部件模块化程度高，具有结构简洁、构建灵活、使用特便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成等特点。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图。

具体实施方式

    下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

    如图1所示，一种基于偏振奇点光束激光散斑的振动测量装置，将偏振奇点光束激发激光散斑原理和矢量光场相干技术相结合，偏振奇点光束经过分光器件后，照射到被检测区域，被检测区域发生奇点光束激光散射效应，激光散斑经过离焦光学成像系统进行传输；分光后另一偏振奇点光束经过两个波片，进行横向偏振态分布调控后通过反射元件反射后，与激光散斑光场存在重叠区域，形成干涉光场，光电传感器检测到干涉光场信息，经过信息处理得到振动信息。

本发明的一种基于声漩涡调控的光场转换装置，包括：激光器1、光束整形部件2、偏振调制器3、分光部件4、第一波片6、第二波片7、反射部件8、离焦成像部件11、光电传感器9、数据分析处理部件10，激光器1出射光束光路上依次设置有光束整形部件2、偏振调制器3、分光部件4，激光器1出射激光束经过光束整形部件2进行整形后，通过偏振调制器3形成含有偏振奇点的矢量光束，偏振奇点光束经过分光器件4透射部分继续传播，照射到被检测区域5，被检测区域5发生奇点光束激光散射效应，激光散斑光场经过离焦成像部件11进行传输；偏振奇点光束经过分光器件4反射光束光路上设置有第一波片6、第二波片7、反射部件8，反射部件8设置在离焦成像部件11的散斑光场的出射一侧，并且反射部件8的外形尺寸小于离焦成像部件11的通光口径，反射部件8的反射面朝向散斑光场传播方向；偏振奇点光束经过经过反射部件8后，与离焦成像部件11出射的激光散斑光场存在重叠区域，形成干涉光场；干涉光场设置有光电传感器9，光电传感器9与数据分析处理部件10相连接。

本实施例中，激光器1采用LD泵浦固体激光器，内部设置有倍频晶体，输出波长为532nm，输出功率为30mW；光束整形部件2采用透镜式光束调整部件，对光束进行扩束准直；偏振调制器3采用液晶偏振调制器，将入射光束转化为偏振奇点光束的一种，径向偏振矢量光束；分光部件4采用分光片，分光比为1：20，透射光比反射光强；第一波片6和第二波片7均采用二分之一波片；反射部件8采用直径为12.7的反射镜；离焦成像部件11为折射式光学成像系统；光电传感器9为二维互补金属氧化物半导体电传感器；数据分析处理部件10采用计算机。

本实施例工作过程为：激光器1出射光束光路上依次设置有光束整形部件2、偏振调制器3、分光部件4，激光器1出射激光束经过光束整形部件2进行整形后，再通过偏振调制器3后，转化为含有偏振奇点的矢量光束；偏振奇点光束经过分光器件4，透射部分继续传播，照射到被检测区域5；被检测区域5发生奇点光束激光散射效应，激光散斑光场经过离焦成像部件11进行传输；偏振奇点光束经过分光器件4反射光束光路上设置有第一波片6和第二波片7后，被反射部件8反射形成参考光场，与离焦成像部件11出射的激光散斑光场存在重叠区域，形成干涉光场，通过调节第一波片6和第二波片7光轴之间的夹角，可以调控偏振奇点光束横向偏振态分布，进而调控干涉光场特性；干涉光场设置有光电传感器9，光电传感器9与数据分析处理部件10相连接，光电传感器9检测到干涉光场信息，经过数据分析处理部件10处理得到振动信息，调控偏振奇点光束横向偏振态分布，检测过程中，调整第一波片6和第二波片7光轴之间的夹角量，实现振动信息最好的检测性能。

本实施例成功实现了2米远处的纸质箱体外表面振动信息遥测。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、性能可调控、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、应用广泛、功能易于扩充等特点

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。