[實用新型]基于平面反光鏡和光電陣列的振動及傾角測量系統

有效

• 申請號: 201821208288.1
• 申請日: 2018-07-28
• 公開（公告）號: CN208818332U
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 段發階;馬凌;葉德超;傅驍;李楊宗
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G01C9/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本實用新型公開了基于平面反光鏡和光電陣列的振動及傾角測量系統，包括平面反光鏡和傳感器，傳感器由垂直腔面發射激光器和九個光電二極管組成，垂直腔面發射激光器和九個光電二極管均設置在硅基底上，光電二極管均分分布于兩個以垂直腔面發射激光器為中心的同心圓上組成光電陣列，同心圓的內圈和外圈分別設有四個光電二極管，第九個光電二極管用于測量光電二極管和電路的暗噪聲，每個光電二極管輸出的光電流首先經過跨阻放大器轉換為電壓信號，后經一級低通濾波及電壓放大電路和二級低通濾波及電壓放大電路進行模擬濾波及電壓放大，后通過模數轉換器轉換為數字信號，最后進入微處理器進行數字濾波、頻率分析、振幅和傾角計算及數據上傳。

技術領域

本實用新型屬于光電測量系統設計領域，具體涉及基于平面反光鏡和光電陣列的振動及傾角測量系統。

背景技術

傳統的振動測量方法有電容位移傳感器測量、激光干涉儀或激光測振儀測量，這些測量裝置體積較大，且無法同時實現被測物傾角的測量。利用光纖束在2～3個同心圓上的排列可以實現位移或間隙的測量，從中心光纖出射的激光經外界被測物體反射，并被緊密排列的光纖束接收，利用接收光強可計算得到被測物的位移，或者被測物與傳感器之間的間隙。由于同一圈內的光纖尾端接到一個光電二極管上，因此該方法不具有角度測量的能力。隨著微機電系統(MEMS)技術的發展，許多器件實現了微型化，如光電二極管(PD)和垂直腔面發射激光器(VCSEL)，因此產生了利用微型光電器件的微小位移和傾角的測量方法：將PD均勻排列在以VCSEL為中心的圓上，通過測量VCSEL發射光被外界物體反射的光強，得到被測物的位移；利用相對VCSEL對稱的兩組PD的接收光強，可以得到被測物的二維傾角。該方法具有體積小、重量輕、靈敏度高的優點，但是目前僅被用于靜態或低頻變化的位移和傾角的測量。若用于高頻振動的實時測量，得到振動信號的頻率和振幅信息，仍需配合以合理的電路設計和處理算法。

實用新型內容

為了克服傳統振動測量中振動與傾角無法同時檢測，以及測量裝置體積大的問題，本實用新型提供一種基于平面反光鏡和光電陣列的振動及傾角測量系統，可實現對振幅為毫米或微米級別的單頻正弦振動的實時測量，利用二維分布的光電器件陣列，可同時獲得被測物的振動幅值與傾角；本實用新型可用于振動臺的校準和實時控制。

本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的：

基于平面反光鏡和光電陣列的振動及傾角測量系統，包括平面反光鏡和傳感器，所述傳感器由垂直腔面發射激光器和九個光電二極管組成，所述垂直腔面發射激光器和九個光電二極管均設置在硅基底上，所述光電二極管均分分布于兩個以垂直腔面發射激光器為中心的同心圓上組成光電陣列，所述同心圓的內圈和外圈分別設有四個光電二極管，第九個光電二極管通過遮光處理用于測量無光條件下光電二極管和電路的暗噪聲，每個光電二極管分別依次連接有跨阻放大器、一級低通濾波及電壓放大電路和二級低通濾波及電壓放大電路，二級低通濾波及電壓放大電路均連接有模數轉換器，模數轉換器連接微處理器，每個光電二極管輸出的光電流首先經過跨阻放大器轉換為電壓信號，后經一級低通濾波及電壓放大電路和二級低通濾波及電壓放大電路進行模擬濾波及電壓放大，之后通過模數轉換器轉換為數字信號，最后進入微處理器進行數字濾波、頻率分析、振幅和傾角的計算，以及數據上傳。

進一步的，所述垂直腔面發射激光器和光電二極管的尺寸為微米級別，組成的傳感器為2mm×2mm。

進一步的，所述平面反光鏡與傳感器的靜態距離為2～5mm。

與現有技術相比，本實用新型的技術方案所帶來的有益效果是：

(1)本實用新型利用微機電系統器件組成微型的振動和傾角測量系統，具有體積小、靈敏度高的優點。

(2)本實用新型可利用FFT分析振動信號頻率成分，通過頻率跟蹤算法實現頻率在千赫茲級別、振幅為微米或毫米級別的振動信號的實時測量，以及±1°左右的微小傾角的實時測量。