[發明專利]一種低頻隨機擾動下中高頻振動的納米級振幅測量方法

有效

• 申請號: 201410788980.6
• 申請日: 2014-12-18
• 公開（公告）號: CN104483009A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 張曉琳;張烈山;唐文彥;王軍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊曉輝

技術領域

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

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10^-9m。對于這樣微弱的振動，通常采用激光干涉方法來測定，基于相位解調的激光干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0.1nm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，使用的激光干涉法主要包括三種：第一種是普通的邁克爾遜干涉法，當被測量的位移為λ/2(λ為激光波長)時兩路光束由于光程差能產生一條干涉條紋，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，因此該方法一般用于大幅度低頻振動的檢測中；第二種是改進的邁克爾遜干涉法，相對于普通的邁克爾遜干涉法，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；第三種是外差式激光干涉方法，其主要特點是在干涉信號中加入了載波信號，便于對干涉信號的放大整形，該方法通過電路混頻或軟件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

本發明是為了解決現有激光干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。

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，該方法基于邁克爾遜探測系統實現，該系統包括激光器、分光鏡、一號角錐棱鏡、反射鏡、光電接收器和二號角錐棱鏡；

激光器所發射的激光經分光鏡分開的光束分別入射至一號角錐棱鏡和反射鏡，經一號角錐棱鏡后返回的光束入射至分光鏡，經分光鏡后的光束入射至光電接收器的感光面上，經反射鏡后的光束入射至二號角錐棱鏡，經二號角錐棱鏡返回的光束經反射鏡發射后入射至分光鏡，經分光鏡后的光束入射至光電接收器的感光面上，所述二號角錐棱鏡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、利用邁克爾遜干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制信號；

步驟二、利用光電探測器接收激光干涉信號，并將光信號轉換為干涉電信號；并利用離散傅里葉變換算法對獲得干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f_s和待測納米級振動頻率f_s所在頻帶的半寬，并利用待測納米級振動頻率f_s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，并利用奇倍頻移衰減比Ro和偶倍頻移衰減比Re確定特征比R；

步驟四、利用步驟三獲得的特征比R，利用插值法計算納米級振動的振幅As。

本發明采用邁克爾遜探測系統，通利用離散傅里葉變換算法對獲得干涉電信號進行頻率分析，獲得幅值序列和頻率序列，并利用奇倍頻移衰減比Ro和偶倍頻移衰減比Re確定特征比R；采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％。

附圖說明

圖1為本發明所述方法的流程圖；

圖2為邁克爾遜探測系統的原理框圖；

圖3為基于邁克爾遜干涉的水表面聲波探測系統的原理框圖；

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為激光器、標號12為立方體半反射鏡、標號13為二號反射鏡、標號14為窄帶干涉濾光片、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為數據采集及處理系統；

圖4為具體實施例中采用本發明方法測量水表面聲波的振幅干涉信號時域波形圖；

圖5為具體實施例中對水表面聲波干涉信號時間序列做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，該方法基于邁克爾遜探測系統實現，該系統包括激光器1、分光鏡2、一號角錐棱鏡3、反射鏡4、光電接收器5和二號角錐棱鏡6；