一种基于模块化的激光测振装置的制作方法

1.本发明涉及激光测振技术领域，具体而言，涉及一种基于模块化的激光测振装置。


背景技术：

2.近年来，伴随着现代工业的高速发展，非接触式测量技术受到越来越多的关注。激光多普勒振动测量作为一种干涉测量技术，能够适用于难以通过加速度计或其他表面接触传感器获得振动测量的应用场景。激光多普勒测振仪自1983年诞生以来，凭借其高精度、高效率、便于携带等特点，逐渐成为目前应用最广泛的非接触式振动测量设备，被广泛应用于各行各业。
3.在激光多普勒测振技术发展的过程中，也出现了一些有代表性的公司。国外的公司有：德国的宝利泰(polytec)公司、丹麦的丹迪动态(dantec dynamics a/s)公司、英国的ometron公司、美国自动精密工程(api)公司、日本的理音公司等，但这些公司生产的激光多普勒测振仪往往价格比较昂贵，且维护成本较高。在国内，生产激光测振仪的公司有舜宇光学等，其针对不同应用场景开发出了不同型号的激光测振仪。虽然国内外公司已经生产出来了激光测振仪的产品，包括相关软件和硬件设施，但各公司的产品参数参差不齐，实际应用场景有限，无法满足很多公司的实际要求。因此，一套高可靠性、低成本的便携式激光测振装置成为当前的重大技术需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于模块化的激光测振装置，其采用模块化设计，基于收发分离的全光纤光路，能够实现距离可调的高精度测振，以满足不同的应用场景。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本技术实施例提供了一种基于模块化的激光测振装置，其包括依次连接的光源模块、光路模块和解调模块，光源模块和光路模块还连接有镜头模块；还包括电源模块，电源模块用于给光源模块、光路模块和解调模块供电。
7.在本发明的一些实施例中，光路模块包括依次连接的光纤分束器、声光调制器、光纤耦合器和平衡探测器，光纤分束器和光纤耦合器分别与镜头模块相连；光纤分束器的输入端与光源模块相连，且平衡探测器的输出端与解调模块相连。
8.在本发明的一些实施例中，上述镜头模块包括发射镜头和接收镜头，发射镜头与光纤分束器的其中一个输出端相连，接收镜头与光纤耦合器的输入端相连。
9.在本发明的一些实施例中，上述光源模块为光纤激光器。
10.在本发明的一些实施例中，上述解调模块包括依次连接的sdr接收机、解调电路板和显示屏，sdr接收机的输入端连接平衡探测器的输出端。
11.在本发明的一些实施例中，上述光纤分束器与镜头模块之间还连接有光开关，光开关连接有激光瞄准器。
12.相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
13.光路模块中，采用收发分离的光路设计，即是用两个光学镜头来单独进行光信号的发送与接收；该设计可以降低光信号的噪声，提高信号的信噪比，便于后续信号的解调。
14.而为了观察到激光测量待测物体振动的具体位置，在光到达镜头模块之前设置一个光开关，光开关连接一个激光瞄准器(激光人眼可见)，光开关控制激光瞄准器的可见激光是否通过光纤传输到镜头模块；当测试者想要观察测振的具体位置时，打开光开关，使得激光瞄准器的可见激光通过光纤到达镜头模块后，发射到待测物体上，人眼通过观察可见激光点即可了解具体的测振点；同样，当测试者不想观察测振的具体位置时，可以关闭光开关，以实现可见激光的标记作用。
15.而通过将整个激光测振装置分为五个模块：光源模块、镜头模块、光路模块、电源模块、解调模块，光源模块作为激光源，光路模块用于获取物体的振动信号，镜头模块用于收发光信号，电源模块给各器件供电，解调模块进行振动信号的解调，并通过使用五个模块，从而实现搭建一套完整的激光测振系统的目的，以在实现测振的同时，通过模块化的连接和配合，大大节省内部空间，以达到便于装置的便携化的目的。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
17.图1为本发明实施例中激光测振装置各部件的示意图；
18.图2为本发明实施例中激光测振装置其中一种各模块的连接示意图；
19.图3为本发明实施例中激光测振装置另一种各模块的连接示意图；
20.图4为本发明实施例中发射镜头和接收镜头的结构示意图；
21.图5为本发明实施例中解调模块的连接示意图；
22.图6为本发明实施例中电源模块的示意图；
23.图7为本发明实施例中激光测振装置整体的结构示意图。
24.图标：1、光纤激光器；2、光纤分束器；3、声光调制器；4、发射镜头；5、接收镜头；6、光纤耦合器；7、平衡探测器；8、光开关；9、激光瞄准器；10、凸透镜一；11、凹透镜；12、凸透镜二；13、sdr接收机；14、解调电路板；15、显示屏。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
28.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
30.在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
31.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例
33.本技术实施例提供了一种基于模块化的激光测振装置，其包括依次连接的光源模块、光路模块和解调模块，光源模块和光路模块还连接有镜头模块；还包括电源模块，电源模块用于给光源模块、光路模块和解调模块供电。即激光测振装置分为五个模块，这些模块具有高集成度和密度，使得整体空间被进一步压缩，利于便携化设备的研制。同时，不同模块的分离组合分布，有利于降低噪声串扰和提高散热效率。模块化设计有利于系统走线分布，便于故障检修和排除。
34.光路模块包括依次连接的光纤分束器2、声光调制器3、光纤耦合器6和平衡探测器7，光纤分束器2和光纤耦合器6与镜头模块相连；光纤分束器2的输入端和平衡探测器7的输出端分别与光源模块和解调模块相连。而在本实施例中，光纤分束器2为1x2光纤分束器2，也就是一个输入端、两个输出端，同样的，2x2光纤耦合器6即为两个输入端和两个输出端。
35.光路模块所包含的光路如图2所示，其为一种基于收发分离的全光纤光路结构，包括1x2光纤分束器2、声光调制器3、2x2光纤耦合器6和平衡探测器7，其中各部分的连接及工作关系具体为：
36.1x2光纤分束器2将光纤激光器1的输出光按照功率不同分为两束，并将两束光分别从两个输出端口输出，两个输出端口分别连接镜头模块和声光调制器3；常用的1x2光纤分束器2的分光比为50：50、75：25、90：10或95：5，激光在待测物体表面发生漫反射，使得接收到的光信号比较弱，为了保证信号能够被接收，应该使得尽可能多的光发射到待测物体上，因此，我们选用分光比为90：10的1x2光纤分束器2，使得90％的这路光经过镜头模块后到达待测物体表面，10％的那路光传输到声光调制器3。
37.声光调制器3作为常用的光纤移频器，声光调制器3有两个光纤接口，一个连接1x2光纤分束器2分光10％的输出端，另一个光纤接口与2x2光纤耦合器6的一个输入端连接；声光调制器3能够对输入光的频率进行调制，常用声光调制器3的调制频率为40mhz和80mhz，
为了获得更好的测振效果，选择调制频率为80mhz的声光调制器3；声光调制器3通常带有一个驱动器件，该驱动器件由电源模块供电。
38.镜头模块将1x2光纤分束器2分光90％的激光发射到待测物体表面，物体表面携带物体振动信息的反射光被镜头模块接收后，被传输到2x2光纤耦合器6的一个输入端。
39.2x2光纤耦合器6包含2个输入端口和2个输出端口，其中，2个输入端口接收声光调制器3和接收镜头5传送的两路光束，并产生干涉光；2个输出端口连接平衡探测器7的2个输入端口；
40.平衡探测器7接收2x2光纤耦合器6的两路输出光信号，并将光信号转化为电信号；平衡探测器7的输出端连接解调模块，由解调模块进行振动信号的解调。
41.综上，所有上述使用的光纤器件的适用波长都是1550nm；通过搭建上述光路，即可获得待测物体表面的振动信号。
42.在此光路模块中，我们采用的是收发分离的光路设计，即是用两个光学镜头来单独进行光信号的发送与接收；该设计可以降低光信号的噪声，提高信号的信噪比，便于后续信号的解调。
43.由于上述的光路结构中使用的都是光纤器件，器件连接后光纤较为零乱。为了最终器件的小型化，我们将上述光路结构的光纤器件组进行模块化封装。我们将封装后的整个光路部分称为光路模块。
44.电源模块是对器件所需电源的整合封装；包括光纤激光器1的电源、声光调制器3的电源、平衡探测器7的电源等。通过将各电源进行整合封装，可以简化内部电线布局，给各器件提供更加安全稳定地供电。
45.解调模块是对信号解调器件的整合封装；由于平衡探测器7接收到的信号中包含物体的振动信息，为了获取待测物体的振动信号，需要对信号进行解调；整个解调模块包括sdr接收机13，即软件定义无线电(sdr)接收机，以及信号解调电路板14和解调信号的显示屏15等。
46.在本实施例中，上述镜头模块包括发射镜头4和接收镜头5，发射镜头4与光纤分束器2的其中一个输出端相连，接收镜头5与光纤耦合器6的输入端相连。
47.镜头模块所包含的结构如图4所示，镜头模块由发射镜头4和接收镜头5组成；发射镜头4由两块凸透镜一10和凸透镜二12以及一块凹透镜11组成；其中，凸透镜一10的输入端采用光纤接口，直接连接光纤；光纤发射出的激光依次经过凸透镜一10准直、凹透镜11扩束、凸透镜二12聚焦后到达振动物体表面；发射镜头4具有连续变焦的功能，根据实际的使用需求，激光测振的工作距离通常在20m以内，为了提高待测物体表面发射光的强度，发射镜头4需要在20m的距离内进行连续变焦，即在20m以内能够对光斑进行连续聚焦；发射镜头4通过左右移动凹透镜11，改变透镜间的距离d和d来实现连续变焦，进而实现不同距离的测振。
48.为了使用方便，可以对发射镜头4进行距离标定，对特定距离聚焦后在镜头上留下相关的刻度标记，实际使用时，只需根据实际的工作距离，旋转镜片调整到相应刻度即可，大大节省仪器的调试时间。
49.而接收镜头5由一块凸透镜组成，请参照图4中的下半部分，同样采用光纤接口，直接连接光纤，用于接收振动物体表面的反射光；振动物体表面的反射光经过接收镜头5后耦
合进光纤。
50.在本实施例中，上述光源模块由光纤激光器1构成；光纤激光器1作为光源，光纤激光器1的性能直接影响最后测振的效果；由于1550nm的波长处于光通信波段，相关技术比较成熟，且满足人眼安全的要求，故选择波长为1550nm的光纤激光器1；激光器的线宽对测振效果影响较大，线宽越窄，测振效果越好，可选择线宽为3khz的窄线宽激光器；激光在待测物体表面发生漫反射，使得接收到的光信号比较弱，为了保证信号能够接收，激光器的功率需达到20mw以上；综上，激光器选择波长为1550nm，功率大于20mw，线宽窄至3khz的光纤激光器1。
51.在本实施例中，上述光纤分束器2与镜头模块之间还连接有光开关8，光开关8连接有激光瞄准器9。
52.在图2中使用的激光波长为1550nm，而人眼对该波长的激光并不敏感，正常条件下人眼不可见；为了观察到激光测量待测物体振动的具体位置，可以如图3一样，在图2的基础上，在光到达镜头模块之前设置一个光开关8，光开关8连接一个激光瞄准器9(激光人眼可见)，光开关8控制激光瞄准器9的可见激光是否通过光纤传输到镜头模块；当测试者想要观察测振的具体位置时，打开光开关8，使得激光瞄准器9的可见激光通过光纤到达镜头模块后，发射到待测物体上，人眼通过观察可见激光点即可了解具体的测振点；同样，当测试者不想观察测振的具体位置时，可以关闭光开关8；这里的可见激光起到标记作用。
53.解调模块所包含的结构如图5所示，其由sdr接收机13、解调电路板14和显示屏15组成；其中sdr接收机13用于接收包含物体振动信息的拍频信号，sdr接收机13的输入端连接平衡探测器7的输出端，输出端连接解调电路板14；解调电路板14对接收的信号进行解调，解调出物体的振动信号，解调电路板14的输出端连接显示屏15；解调信号最后在显示屏15上进行显示，便于测试者直观获取物体的振动信息。
54.而电源模块的结构如图6所示；电源模块是对各器件所需电源接线的整合封装，用于对不同器件进行供电；电源模块的输入端接220v的电源，输出端按照电压不同，分为220v、24v、12v三个接口，其中，220v的接口连接光纤激光器1和激光瞄准器9，24v的接口连接声光调制器3的驱动器件，12v的接口连接平衡探测器7和解调电路板14。
55.综上，通过将整个激光测振装置分为五个模块：光源模块、镜头模块、光路模块、电源模块、解调模块，在实现测振的同时，大大节省内部空间，便于装置的便携化设计。
56.总而言之，整个激光测振装置由光源模块、光路模块、镜头模块、电源模块以及解调模块这五部分组成；光源模块作为激光源，光路模块用于获取物体的振动信号，镜头模块用于收发光信号，电源模块给各器件供电，解调模块进行振动信号的解调；通过使用五个模块，可以搭建一套完整的激光测振系统。对各模块进行组装后，完整的激光测振装置如图7所示。
57.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：
1.一种基于模块化的激光测振装置，其特征在于，包括依次连接的光源模块、光路模块和解调模块，所述光源模块和所述光路模块还连接有镜头模块；还包括电源模块，所述电源模块用于给所述光源模块、所述光路模块和解调模块供电。2.根据权利要求1所述的一种基于模块化的激光测振装置，其特征在于，所述光路模块包括依次连接的光纤分束器、声光调制器、光纤耦合器和平衡探测器，所述光纤分束器和所述光纤耦合器分别与所述镜头模块相连；所述光纤分束器的输入端与所述光源模块相连，且所述平衡探测器的输出端与所述解调模块相连。3.根据权利要求2所述的一种基于模块化的激光测振装置，其特征在于，所述镜头模块包括发射镜头和接收镜头，所述发射镜头与所述光纤分束器的输出端相连，所述接收镜头与光纤耦合器的输入端相连。4.根据权利要求1所述的一种基于模块化的激光测振装置，其特征在于，所述光源模块为光纤激光器。5.根据权利要求2所述的一种基于模块化的激光测振装置，其特征在于，所述解调模块包括依次连接的sdr接收机、解调电路板和显示屏，所述sdr接收机的输入端连接所述平衡探测器的输出端。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于模块化的激光测振装置，其特征在于，所述光纤分束器与所述镜头模块之间还连接有光开关，所述光开关连接有激光瞄准器。

技术总结
本发明提出了一种基于模块化的激光测振装置，涉及激光测振技术领域，其包括依次连接的光源模块、光路模块和解调模块，光源模块和光路模块还连接有镜头模块；还包括电源模块；光路模块包括依次连接的光纤分束器、声光调制器、光纤耦合器和平衡探测器，光纤分束器和光纤耦合器与镜头模块相连；通过将激光测振装置分为五个模块：光源模块、镜头模块、光路模块、电源模块、解调模块，在实现测振的同时，大大节省内部空间，便于装置的便携化设计；而光路模块采用收发分离的光路设计，使用两个光学镜头来单独进行光信号的发送与接收，降低了光信号的噪声，提高信号的信噪比，便于后续信号的解调。调。调。


技术研发人员：金锐博 张驰 王顺 王浟
受保护的技术使用者：西南技术物理研究所
技术研发日：2022.10.24
技术公布日：2023/8/9