[發明專利]高速多尺度振動和形變檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 201410139589.3
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103900639A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 鐘舜聰;鐘劍鋒;張秋坤;姚立綱
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及一種高速多尺度振動和形變檢測裝置及方法，特別是一種利用非接觸式對納米級、微米級和毫米級幅度的結構形變和振動進行高速精密檢測的裝置及方法，屬于光測力學、光學測量振動技術領域。

背景技術

形變和振動測量是當前熱門的一個研究領域，傳統的形變和振動測量大多采用接觸式的測量，如加速度傳感器、壓電陶瓷、電阻應變片等。這些測量方法具有一定的優點和測量精度，但是在某些需要高精度測量場合可能并不允許接觸式的測量或者無法測量。對于一些較輕的結構，由于加速度傳感器本身有一定質量，而一個移動質量塊放在結構不同位置對模態有一定程度的影響，最終導致影響這類結構的模態參數，從而影響了結構缺陷檢測的精度和可靠性。另外，對于一些薄膜振動、高溫蠕變變形的研究，在薄膜上增加一個加速度傳感器是不現實的，因此非接觸的振動檢測是非常必要的。因此隨著科技的發展，非接觸式光學測量形變和振動的方法也不斷出現，如激光多普勒測量、激光干涉測量、散斑法測量等。這些非接觸式的測量方法并不會對測量結構本身產生任何影響，也就一定程度地提高了測量的準確度。

經對現有技術文獻的檢索發現，比較著名的形變測量方法有：云紋干涉方法（中國發明專利200810119805.2）和數字散斑相關方法?（中國實用新型專利200720069074.6）。雖然這兩種光學方法的檢測精度可以很高，但是因為這些方法存在相位多值性，所以這些方法的檢測范圍通常局限于光源的二分之一波長。這些方法的檢測范圍可以利用相位調制的方法進一步拓展，但是勢必會增加儀器的復雜程度并減低檢測精度。

對于現有振動測量的專利進行檢索，其測量方法有：a.一種激光零差測振光學系統及其信號處理方法（發明專利號為201010129624.5）；b.全光纖激光多普勒三維測振儀（發明專利號為201110385923.X）；c.一種遠距離非接觸測量振動裝置（發明專利號為201110424027.X）；d.全光纖振動測量裝置（實用新型專利號為03229729.7）。專利a采用二象探測器，對于干涉條紋的調節比較困難，而且對于信號處理過程中最小二乘法無法直接獲得正交信號而產生附加誤差，而且本裝置只能對一個點的振動進行測量。專利b采用激光多普勒方法對物體的三維振動進行測量，其系統模塊比較多，而且和專利c、專利d一樣只能同時對一個點的振動進行測量，不能進行面或線范圍內的一次性測量。?

發明內容

鑒于現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種高速多尺度振動和形變檢測裝置及方法，既可以測量物體的線形變，又可以同時實時監測微小結構的線振動，可一次獲得被測結構的振型并進行模態分析，不需要進行點掃描，速度快、測量精度高。

為了實現上述的目的，本發明的技術方案一是：一種高速多尺度振動和形變檢測裝置，包括光源，所述光源輸出的光經過粗光纖引入第一透鏡后聚焦于細光纖輸入端，所述細光纖輸出端輸出的光通過第二透鏡準直成平行光；平行光通過第一反射鏡反射進入柱透鏡后聚焦成線焦點，聚焦后的光由分光鏡分成兩路光：一路為參考光，另一路為檢測光；兩路光通過參考鏡和被測樣品反射后的光通過第三透鏡在寬度維再次被準直成平行光，準直后的光線經第二反射鏡反射進入反射式光柵，所述反射式光柵將不同波長的光線分開后經第四透鏡聚焦于面陣CCD上形成干涉條紋。

進一步的，所述光源為紅外或可見光。

進一步的，所述細光纖輸出端輸出的光為近似點光源。

為了實現上述的目的，本發明的技術方案二是：一種高速多尺度振動和形變檢測方法，采用如上所述的高速多尺度振動和形變檢測裝置，隨著被測樣品結構的形變和振動，在面陣CCD上產生位置變化的干涉條紋，通過對每幀干涉條紋進行傅立葉變換和作位移的頻譜校正，獲得被測樣品線焦點處各點形變和振動的時間曲線，即還原出形變量和振動信號。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：（1）可以實現同時對線焦點范圍的形變和振動進行測量，即不需要掃描就可以同時得到一條線上所有點的形變和振動測量；（2）可實現多尺度（納米級、微米級和毫米級形變或者振動幅度）的亞納米級精密測量，可取得線焦點任何位置處的位移數據進行分析，可以一次性對所測物體進行模態分析，對于其他只能檢測一點的測量裝置來說具有速度、精度和穩定性上的優勢。另外，本發明的檢測范圍可以是納米級、微米級或毫米級，對于大尺度形變和振動的測量不需要像其它光學方法利用相位調制的方法進一步拓展檢測范圍。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

附圖說明