一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法
2023-09-10 10:32:35
一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法
【專利摘要】一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法，涉及環境低頻大幅度的隨機擾動淹沒下的納米級中高頻機械振動的幅值測量方法。本發明利用麥可遜幹涉系統探測被測物體的表面，獲得參考光和測量光光程差的調製信號；利用光電探測器接收雷射幹涉信號，並將光信號轉換為幹涉電信號；並利用離散傅立葉變換算法對獲得幹涉電信號進行頻率分析，獲得幅值序列和頻率序列；利用幅值序列和頻率序列計算待測納米級振動的頻率fs，確定奇倍頻移衰減比Ro、偶倍頻移衰減比Re，並利用奇倍頻移衰減比Ro和偶倍頻移衰減比Re確定特徵比R；利用步驟三獲得的特徵比R，利用插值法計算納米級振動的振幅As。本發明適用於測量低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅。
【專利說明】一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及環境低頻大幅度的隨機擾動淹沒下的納米級中高頻機械振動的幅值 測量方法。
【背景技術】
[0002] 工程中常常遇到低頻隨機擾動下中高頻納米級振動的測量問題，例如水表面聲波 振幅的測量。水表面聲波由水下聲源向外輻射聲波產生，這類表面聲波振幅的數量級通常 為l(T9m。對於這樣微弱的振動，通常採用雷射幹涉方法來測定，基於相位解調的雷射幹涉 測量微弱振動的振幅已經被廣泛應用在工程中，在系統性能達到理想的情況下，該方法能 夠實現0.Inm的分辨力。然而諸如水表面聲波這類微弱振動常常淹沒在幅度較大的低頻 的環境擾動中，這種環境擾動在時間軸上是隨機分布的，其幅度和頻率都具有隨機性，在振 動等直線運動位移測量領域，使用的雷射幹涉法主要包括三種：第一種是普通的麥可遜 幹涉法，當被測量的位移為λ/2(λ為雷射波長）時兩路光束由於光程差能產生一條幹涉 條紋，通過對條紋計數即可獲得被測位移的大小，然而即使進行倍頻和細分，條紋計數法的 分辨力仍然難以滿足納米級振動的檢測要求，因此該方法一般用於大幅度低頻振動的檢測 中；第二種是改進的麥可遜幹涉法，相對於普通的麥可遜幹涉法，該方法多了一路正交 的輸出，將被測的位移量轉化為正交信號相位的變化，提高了位移的分辨力；第三種是外差 式雷射幹涉方法，其主要特點是在幹涉信號中加入了載波信號，便於對幹涉信號的放大整 形，該方法通過電路混頻或軟體方式生成另一路正交信號，具有較高的測量精度，但是價格 較為昂貴。但是上述三種方法對微弱振動振幅的測量精度都比較差。
【發明內容】
[0003] 本發明是為了解決現有雷射幹涉法測量微弱振動振幅的測量精度差的問題，提出 了一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法。
[0004] 本發明所述一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法，該方法基於 麥可遜探測系統實現，該系統包括雷射器、分光鏡、一號角錐稜鏡、反射鏡、光電接收器和 二號角錐稜鏡；
[0005] 雷射器所發射的雷射經分光鏡分開的光束分別入射至一號角錐稜鏡和反射鏡，經 一號角錐稜鏡後返回的光束入射至分光鏡，經分光鏡後的光束入射至光電接收器的感光面 上，經反射鏡後的光束入射至二號角錐稜鏡，經二號角錐稜鏡返回的光束經反射鏡發射後 入射至分光鏡，經分光鏡後的光束入射至光電接收器的感光面上，所述二號角錐稜鏡設置 在被測振動物體的上表面；
[0006] 該方法的具體步驟為：
[0007] 步驟一、利用麥可遜幹涉系統探測被測物體的表面，獲得參考光和測量光光程 差的調製信號；
[0008] 步驟二、利用光電探測器接收雷射幹涉信號，並將光信號轉換為幹涉電信號；並利 用離散傅立葉變換算法對獲得幹涉電信號進行頻率分析，獲得幅值序列和頻率序列；
[0009] 步驟三、利用幅值序列和頻率序列計算待測納米級振動的頻率fs和待測納米級振 動頻率4所在頻帶的半寬，並利用待測納米級振動頻率1所在頻帶的半寬確定奇倍頻移衰 減比R〇、偶倍頻移衰減比Re,並利用奇倍頻移衰減比Ro和偶倍頻移衰減比Re確定特徵比 R；
[0010] 步驟四、利用步驟三獲得的特徵比R，利用插值法計算納米級振動的振幅As。 toon] 本發明採用麥可遜探測系統，通利用離散傅立葉變換算法對獲得幹涉電信號進 行頻率分析，獲得幅值序列和頻率序列，並利用奇倍頻移衰減比Ro和偶倍頻移衰減比Re確 定特徵比R;採用插值法計算納米級振動的振幅As，提高了微弱振動振幅的測量精度，且與 現有測量相比提高了 10%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明所述方法的流程圖；
[0013] 圖2為麥可遜探測系統的原理框圖；
[0014] 圖3為基於麥可遜幹涉的水表面聲波探測系統的原理框圖；
[0015] 圖中：標號7為一號反射鏡、標號8為衰減片、標號9為四分之一玻片、標號10為 偏振片、標號11為雷射器、標號12為立方體半反射鏡、標號13為二號反射鏡、標號14為窄 帶幹涉濾光片、標號15為信號發生器、標號16為功率放大器、標號17為揚聲器、標號18為 實驗水池、標號19為光電接收器、標號20為數據採集及處理系統；
[0016] 圖4為具體實施例中採用本發明方法測量水表面聲波的振幅幹涉信號時域波形 圖；
[0017] 圖5為具體實施例中對水表面聲波幹涉信號時間序列做FFT變換頻譜分布圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0018] 一、結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種低頻隨機 擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法，該方法基於麥可遜探測系統實現，該系統包 括雷射器1、分光鏡2、一號角錐稜鏡3、反射鏡4、光電接收器5和二號角錐稜鏡6 ;
[0019] 雷射器1所發射的雷射經分光鏡2分開的光束分別入射至一號角錐稜鏡3和反射 鏡4,經一號角錐稜鏡3返回後的光束入射至分光鏡2,經分光鏡後的光束入射至光電接收 器5的感光面上，經反射鏡4反射後的光束入射至二號角錐稜鏡6,經二號角錐稜鏡6返回 後的光束經反射鏡4發射後入射至分光鏡2,經分光鏡2後的光束入射至光電接收器5的感 光面上，所述二號角錐稜鏡6設置在被測振動物體的上表面；
[0020] 該方法的具體步驟為：
[0021] 步驟一、利用麥可遜幹涉系統探測被測物體的表面，獲得參考光和測量光光程 差的調製信號；
[0022] 步驟二、利用光電探測器接收雷射幹涉信號，並將光信號轉換為幹涉電信號；並利 用離散傅立葉變換算法對獲得幹涉電信號進行頻率分析，獲得幅值序列和頻率序列；
[0023] 步驟三、利用幅值序列和頻率序列計算待測納米級振動的頻率fs和待測納米級振 動頻率4所在頻帶的半寬，並利用待測納米級振動頻率1所在頻帶的半寬確定奇倍頻移衰 減比Ro、偶倍頻移衰減比Re,並利用奇倍頻移衰減比Ro和偶倍頻移衰減比Re確定特徵比R；
[0024] 步驟四、利用步驟三獲得的特徵比R，利用插值法計算納米級振動的振幅As。
【具體實施方式】 [0025] 二、本實施方式是對一所述的一種低頻隨機擾動下中 高頻振動的納米級振幅測量方法的進一步說明，步驟一所述的獲得參考光和測量光光程差 的調製信號的獲得方法為：
[0026] 根據麥可遜幹涉的基本原理，參考光的振幅分布式：
[0027]Eb(t) =Absin(c〇〇t+kzb+<i)) (I)
[0028] 式中，ω。為參考光角頻率，呌=2;r/〇?2;r(f); 2^Γ
[0029] k為波數，々，λ為雷射波長；
[0030] Φ為雷射束的初始相位；
[0031] 式中Ab為參考光振幅，t為時間，Zb為參考光臂長，c為真空中的光速，f^為雷射 束的頻率，測量光的振幅分布式：
[0032]Ec(t) =Acsin(co〇t+kzc+<i)) (2)
[0033] 式中，A。測量光振幅，z。測量光臂長；兩束光匯合後的合振幅式：
[0034]E(t) =Eb(t)+Ec(t) =Acsin(ω〇t+kzc+Φ)+Absin(ω〇t+kzb+Φ) (3)
[0035] 因此幹涉光強式：
[0036] I= |E(t)|2= [A csin(ω0t+kzc+Φ)+Absin(ω0t+kzb+Φ) ]2
[0037] =Ac2Sin2 (ω〇t+kzc+Φ) +Ab2Sin2 (ω〇t+kzb+Φ) +2AcAbsin(ω〇t+kzc+Φ) sin(ω0t+kzb+Φ) (4)
[0038] =Ac2Sin2(ω〇t+kzc+Φ) +Ab2Sin2(ω〇t+kzb+Φ) +AcAbCos(2ω〇t+kzc+kzb+2Φ) +AcAbC os[k(zc-zb)]
[0039] 光強由光電探測器接收，探測器不對前3個高頻項響應，即轉變為直流信號，因 此，去除直流分量接收到的光強信號式：
[0040]Id=KAcAbCos[k(zc-zb) ]=Adcos[k(zc-zb)] (5)
[0041] 式中，K為光電接收器放大倍率，Id光電流大小、Ad為增益；
[0042] 光電探測器接收的信號是關於參考光和測量光光程差的調製信號，兩束雷射的光 程差由兩個臂的初始長度和被測物體振動幅度有關，光程差Zc;-zb的調製信號表達式： 「00431
【權利要求】
1. 一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法，該系統包括雷射器（1)、 分光鏡（2)、一號角錐稜鏡（3)、反射鏡（4)、光電接收器（5)和二號角錐稜鏡（6); 雷射器（1)所發射的雷射經分光鏡（2)分開的光束分別入射至一號角錐稜鏡（3)和反 射鏡（4)，經一號角錐稜鏡（3)後返回的光束入射至分光鏡（2)，經分光鏡後的光束入射至 光電接收器（5)的感光面上，經反射鏡（4)後的光束入射至二號角錐稜鏡（6)，經二號角錐 稜鏡（6)返回的光束經反射鏡（4)發射後入射至分光鏡（2)，經分光鏡（2)後的光束入射至 光電接收器（5)的感光面上，所述二號角錐稜鏡（6)設置在被測振動物體的上表面； 該方法的具體步驟為： 步驟一、利用麥可遜幹涉系統探測被測物體的表面，獲得參考光和測量光光程差的 調製信號； 步驟二、利用光電探測器接收雷射幹涉信號，並將光信號轉換為幹涉電信號；並利用離 散傅立葉變換算法對獲得幹涉電信號進行頻率分析，獲得幅值序列和頻率序列； 步驟三、利用幅值序列和頻率序列計算待測納米級振動的頻率fs和待測納米級振動頻 率仁所在頻帶的半寬，並利用待測納米級振動頻率fjf在頻帶的半寬確定奇倍頻移衰減比 R〇、偶倍頻移衰減比Re，並利用奇倍頻移衰減比R〇和偶倍頻移衰減比Re確定特徵比R; 步驟四、利用步驟三獲得的特徵比R，利用插值法計算納米級振動的振幅As。
2. 根據權利要求1所述的一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法，其 特徵在於，步驟一所述的獲得參考光和測量光光程差的調製信號的獲得方法為： 根據麥可遜幹涉的基本原理，參考光的振幅分布式：
光強由光電探測器接收，探測器不對前3個高頻項響應，即轉變為直流信號，因此，去 除直流分量接收到的光強信號式：
特徵在於，步驟三中所述的根據步驟二獲得幹涉電信號，計算待測納米級振動頻率fs所在 頻帶的半寬，並利用待測納米級振動頻率fs所在頻帶的半寬確定奇倍頻移衰減比R〇、偶倍 頻移衰減比Re，並利用奇倍頻移衰減比Ro和偶倍頻移衰減比Re確定特徵比R的方法為：
採用插值的方法計算有限個As在從0到120nm內的R值，採用利用一維多項式插值方 法得到未知R值對應的As的大小。
6.根據權利要求1所述的一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法，其 特徵在於，步驟三所述利用幅值序列和頻率序列計算待測納米級振動的頻率fs的方法為： 針對步驟二中所述的幅值序列，設定幅值的閾值，提取出連續大於該閾值的幅值所對應的 頻率帶，忽略低頻段內的頻率帶，提取出位於中高頻段的頻率帶，該頻率帶的中心即為待測 頻納米級振動的頻率fs。
【文檔編號】G01H9/00GK104483009SQ201410788980
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】張曉琳, 張烈山, 唐文彥, 王軍 申請人:哈爾濱工業大學