（精密仪器及机械专业论文）基于激光多普勒效应的回转体直径测量技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 论文题目：基于激光多普勒效应的回转体直径测量技术研究 学科专业：精密仪器及机械 研究生：赵登 签名：越垒 指导教师：焦明星教授签名： 摘要 笸硝星 基于激光多普勒效应的测量技术在近几年取得了较大发展，被广泛的应用于气体、液 体等流体的测量以及固体运动表面参数的测量。针对目前回转体直径测量水平不能满足工 业生产的现状，本文提出了一种基于激光多普勒效应的回转体直径测量系统，选用双光束 外差检测法和计数式频率测量方法进行信号解调。 首先，根据激光多普勒效应的测量原理，本文推导了在双光束双散射光路下的激光 多普勒表达式，验证了系统可行性。设计了本系统的光学结构，并且对光学器件参数进行 了计算。依据光外差检测原理，详细推导出了激光多普勒双光束双散射测量结构中光外 差检测相位条件的表达式，并据此建立了以小孔光阑来保证检测条件的光外差检测结构。 其次，本文设计了激光多普勒测量信号的解调电路并对其进行了软件仿真与实际调 试，主要包括i v 转换、放大、波形转换、分频、频率测量和显示等部分。通过对本系统 进行实验研究及分析可得，本测量系统能够实现对回转体直径的精密测量，并获得了 5 8 0 0 m m 的测量范围和o 0 8 m m 的测量精度。 最后对测量结果进行了误差分析，给出了本测量系统中主要的误差来源及其大小；详 细分析了激光多普勒固体表面测量系统中多普勒信号频谱展宽的影响因素，引入了激光多 普勒非平面固体表面测量时所特有的展宽因子固体表面形状展宽因子，并且给出了本 系统的改进措旋。 关键词：激光多普勒效应；外差检测；回转体：直径测量 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo ft e c h n i q u e so fm e a s u r i n gt h ed i a m e t e ro f r o t a t i n go b j e c tu s i n gl a s e rd o p p l e re f f e c t m a j o r ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n t sa n dm a c h i n e r y n a m e ：z h a od e n g s u p e r v i s o r p r o f j i a om i n g x i n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ：丛：- 2 也 t h el a s e rd o p p l e re f f e c t ( l d e ) i se x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ep a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t so fg a s ， l i q u i da n dm o v i n gs u r f a c eo fs o l i d ，e t c a n dt h el d eb a s e dm e a s u r e m e n t sh a sb e e nd e v e l o p e d v e r yr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h ed i a m e t e rm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h er o t a t i n go b j e c t si sn o t l l i g he n o u g ha tp r e s e n t w h i c hc a nn o tm e e tt h en e e d so ft h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n al d e b a s e d n e wm e t h o do fm e a s u r i n gt h ed i a m e t e ro fr o t a t i n gc y l i n d e rh a sb e e np u tf o r w a r di nt h i st h e s i s ， a n dt h es i g n a ld e m o d u l a t i o nh a sb e e np e r f o r m e db yu s eo fb o t ht h eo p t i c a lh e t e r o d y n ed e t e c t i o n a n dt h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tw i t hc o u n t e r f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h el d ep r i n c i p l e ，t h et h e o r e t i c a le x p r e s s i o no fa no p t i c a ls y s t e mo f d u a l b e a mw i t hd u a l s c a t t e r i n g ( d b d s ) i sd e r i v e di nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ，t h eo p t i c a ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dt h ep a r a m e t e r so ft h eo p t i c a lc o m p o n e n t s h a v ea l s ob e e nd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h eo p t i c a l l yh e t e r o d y n ed e t e c t i o n ，t h e e x p r e s s i o no fp h a s ec o n d i t i o n so fo p t i c a lh e t e r o d y n ed e t e c t i o ni nt h ed b d so p t i c a ls y s t e mh a s b e e nd e r i v e d ，t h eo p t i c a l l yh e t e r o d y n ed e t e c t i o ns y s t e mh a sb e e ns e tu p ，a n dap i n - h o l eh a s b e e nc h o s e na c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s e c o n d l y , t h em a i nc i r c u i t so ft h es i g n a ld e m o d u l a t i o nh a v eb e e nd e s i g n e dw h i c hi n c l u d e i v c o n v e r s i o n ，a m p l i f i c a t i o n ，w a v e f o r mt r a n s f o r m a t i o n ，f r e q u e n c yd i v i s i o n , f r e q u e n c y m e a s u r e m e n ta n dd i s p l a yu n i t s t h et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yo b t a i n e dr e s u l t sh a v e s h o w nt h a tt h em e a s u r i n gs y s t e mc a nb eu s e dt om e a s u r eo ft h ed i a m e t e ro ft h er o t a t i n g c y l i n d e r ，w i t ham e a s u r e m e n tr a n g ei sf r o m5 m m t o8 0 0 m ma n da na c c u r a c yo fa p p r o x i m a t e l y 0 0 8 m m t h i r d l y , t h ee r r o ra n a l y s eh a v eb e e np e r f o r m e df o rt h em e a s u r i n gr e s u l t sc o n s i d e r i n gt h e v a r i o u se r r o rs o u r c e s t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro f d o p p l e rb r o a d e n i n gi sd i s c u s s e di nd e t a i lw h e n m e a s u r i n gt h es o l i dm o v i n gs u r f a c e as p e c i f i cf a c t o ro fd o p p l e rb r o a d e n i n g ，n a m e l y , s o l i d s u r f a c es h a p eb r o a d e n i n gf a c t o r , i si n t r o d u c e dw h e nt h el d ei su s e dt om e a s u r et h em o v i n g n o n p l a n a rs u r f a c e a tl a s t ，a l li m p r o v e m e n ts c h e m eo ft h em e a s u r i n gs y s t e mi sg i v e n k e y w o r d s ：l a s e rd o p p l e re f f e c t ；o p t i c a lh e t e r o d y n ed e t e c t i o n ；r o t a t i n go b j e c t ；d i a m e t e r r e c a s t a r e m e n t 1 1 1 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 洲年孓黾必e l a k j t 聋蕉兰在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 己获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：蠲翌导师签名：丝鲨塑兰 如。矿年岁月二l - 日论文作者签名：缬鳖导师签名：丝鲨丝兰如一矿年岁月二 日 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 从2 0 世纪至今，随着科学技术的迅猛发展，现代工程技术有了很大的发展。作为其 它诸如能源、航空航天、医疗、农业等行业发展的基础，制造业有着不可动摇的地位与发 展前景。测量技术的发展为制造业提供了质量保证、优化了生产流程、提高了生产效率。 特别是对于军事，航天航空等高精尖领域来说，测量技术的提高程度是制约其发展的关键 问题之一。 回转类零件作为制造业中的关键零件，应用非常广泛，其加工( 如轴类零件的加工) 精度和参数监测( 如平面磨床砂轮尺寸实时监测) 精度要求较高，这就要求必须有高效的 检测方法对回转体的参数进行精密检测，才能保证生产效率的提高。 对于回转体的测量，主要有离线测量和在线测量。而目前大多数场合使用的回转体测 量方法都是离线测量法，这主要是应用于接触式测量的场合，如千分尺、经纬仪测量法、 滚轮法等。目前较为常用的非接触式测量方法主要有c c d 测量法，激光扫描瞄准法，激 光干涉仪测量法等。 1 2 目前回转体参数测量方法概述 1 2 1 接触式测量法 游标卡尺测量法是目前大多数企业所使用的一种直径测量方法，主要用于测量直径较 小的工件。为减d , n 量误差，卡尺的测量臂不能太长，所以测量范围通常在1 0 0 0 m m 以 下，并且只适用于表面圆度误差较小的情况。其相对测量精度在1 0 4 量级。千分尺测量法 也是很常用的一种测量方法。测量范围一般小于3 m ，测量精度在1 0 4 量级。还有兀尺绕 测法，这种方法测量范围大，但是测量精度不高，一般在1 0 4 量级，并且所测表面必须为 连续柱面，且测量精度受拉尽力的影响较大。还有弓高弦长测量法，直接测量出被测工件 某段圆弧的弓高和弦长，就可以间接的求出测量直径。但由于误差放大，所以测量精度不 高，对于不完整的圆外径，一般采用这种测量方法。常用的接触式测量法还有以下几种。 a 经纬仪测量法 经纬仪测量法是利用三角形或四边形的几何关系，通过直接测量某些边长、高度 或角度来间接算出待求边长尺寸，适用于测量大于3 m 的工件。相对测量精度可达l o 。5 量 级。这种方法用于测量大直径时，两台经纬仪难以同时看到对径上的两点，实施起来比较 困难，价格也昂贵。 b 滚轮法 采用滚轮法测量时“1 ，标准滚轮与被测工件在一定压紧力( 一般为6 0 , - - 8 0 n ) 下进行无 滑动的相对滚动，通过两轮的转数比及标准滚轮直径，便可算出被测直径的大小。其测量 范围是5 0 1 9 9 9 9 m m ，精度为o 0 2 1 0 - 5 m n l 。可见：若消除了滑动影响，这种方法可获得 西安理工大学硕十学位论文 较高的测量精度。但是对不连续的圆柱面和转速较高的回转体，这种方法则不适用。 接触式测量方法简单，测量设备成本较低，但是其测量精度不高，最主要的缺点是不 能用于在线测量，这就很难实现加工与测量的自动化，给工业自动化发展带来了困难。 1 2 2 非接触测量法 非接触测量方法在工业生产的应用当中比接触式测量方法更加便利，不仅提高了测量 效率，而且能大大的提高测量精度，降低测量的人力成本等等。目前较为常用的非接触测 量方法主要有超声波测量法、c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e i v c e ，c c d ) 测量法、激光扫描瞄 准法、激光干涉仪测量法等。 a 超声波测量法 利用超声波测量出两探测器与工件表面距离，便可得知被测直径的大小。本方法测量 精度较高，可达2 0 p m 。缺点是仪器结构及操作比较复杂，价格昂贵，不适于现场使用。 b c c d 测量法 c c d 测量法基本原理如图1 1 所示。其中点光源p 发出的光经过聚焦透镜变为平行 光，照射到被测工件m 上，再从m 的背面收集通过的光束，将收集到的光束投射到c c d 表面，这样，被测件的影子就投射在了c c d 表面，则由c c d 表面阴影部分的尺寸，就 可以求出被测件m 的尺寸。 d 图l l c c d 法测量同转体直径 f i g 1 - 1m e a s u r i n g t h ed i a m e t e ro fr o t a t i n gw i t hc c d c c d 测量法的测量精度直接受c c d 器件精度的影响，其测量范围也受c c d 器件尺 寸的影响。所以，对于较大尺寸被测件来说，需要较大尺寸的c c d 器件，这使得c c d 测量法成本较高。由于该方法光源与接受器必须位于被测件两侧，所以，其测量系统的布 置也受回转体所在结构的影响。 c 激光扫描瞄准法 激光扫描瞄准法也是目前较为常用回转体直径测量的一种方法3 1 。其测量原理如图 1 2 所示。其中1 为六面反射棱镜，回转角速度为；2 为激光器；3 、7 是两个聚焦透镜； 4 、6 是两个三面反射棱镜；5 是被测件：8 是光电检测器：9 、1 0 、1 1 、1 2 是反射镜。 2 第一章绪论 图1 2 激光扫描瞄准发测量原理图 f i g 1 - 2m e a s u r i n gt h ed i a m e t e ro fr o t a t i n gw i t ht h es c a n n i n gl a s e r 开始测量时，六面反射棱镜匀速旋转，则反射光束在y 方向上匀速上下移动，若无被 测件，光电检测器接收到的光信号为连续信号。如果在测量区域中有被测件存在，则光电 检测器所接受到的光信号会出现中断，只需要测得中断时间，再根据六面棱镜的回转速度 c o ，即可求出被测件的直径。 设y 方向上的扫描速度为1 ，信号中断时间为t ，则就可以求得被测件的直径d 为： d = v t( 1 1 ) 这种测量方法对于较大直径的测量成本和测量时间较大，如上述c c d 测量法一样， 该测量系统也必须布置于被测件两侧，给测量系统的布置带来了困难。 d 激光干涉仪直径测量法 激光干涉仪测量法有双频激光干涉仪和多波长激光干涉仪两种测量方法| 4 1 0 其中双 频激光干涉仪是精度很高的一种测量仪器，可靠性也非常好，是高精度大尺寸测量中优先 考虑的测量手段。但是，双频激光干涉仪是增量式标准量测量系统，即要求在测量过程中 信号不能中断，这样在应用双频激光干涉仪的场合总离不开导轨。对于大内径特别是巨大 内径测量，这是一个很大的约束。一般说来，只有昂贵的坐标测量机才能考虑采用这种方 法。多波长激光干涉仪利用合成波长的概念，只要采用合适的粗测方法( 如采用皮尺进行 粗测) ，可实现两点之间的绝对测距。 e 激光后向反射测量法 h e n e 激光器的激光束经过准直扩束及针孔滤波器后，成为亮度均匀的平行光，照射 到待测金属线材上。线材表面的反射光是分布在四周的，用半透半反镜取其后向反射光的 一大部分，经过扩束一聚焦透镜后，用光电转换器件将焦平面上的光强测出来，即可得到线 材的直径1 。该测量法的测量装置如图1 3 所示。 西安理t 大学硕二e 学位论文 准直扩束光电转换器 镜 被 测 件 图1 3 激光后向反射法测量原理图 f i g 1 - 3m e a s u r i n gt h ed i a m e t e ro fr o t a t i n gw i t ht h es c a n n i n gl a s e r 这种测量方法结构简单，成本较低。但是这种测量方法对于被测件表面性能有一定要 求，并且测量不同被测件时，其系统需要重新调整。这种测量法主要用于线材、管材等流 水生产线上作轴向匀速运动的被测件。 f 激光多普勒测量法 在激光多普勒技术发展初期，这种测量方法主要被应用于气体“1 或者液体的流速测 量。目前市场上比较成熟的产品，主要是应用激光多普勒技术设计的血流测量仪、水流及 气体流动特性的测量产品。在激光多普勒流速测量技术的研究基础上，采用激光多普勒方 法测量回转体直径的方法在最近几年有了较好的发展。其主要差别就是流速测量一般使用 前向散射测量方法。而在回转体测量中，必须使用后向测量方法，并且流体中散射粒子性 能的研究不适用于固体表面结构性能，以及光束聚焦点特性的研究也与流体测量技术有所 不同。 1 3 激光多普勒测量技术概况 激光多普勒技术最早的测量应用是叶( y e h ) 和柯明斯( c u m m i n s ) 在1 9 6 4 年首次观 察到水流中粒子的散射光相对于入射光有频移，证实了可以用多普勒技术来测定流速。至 今激光多普勒测量技术已经发展的较为全面，并且广泛应用到流体力学、空气动力学、医 学以及工业生产的测量当中7 8 1 。就目前来看其发展大体可以分为三个阶段。 第一个阶段是1 9 6 4 , - - 1 9 7 2 年，这是激光多普勒测量技术发展的初期，此时的光学装 置都比较简单，光学性能和效率都不高，并且调准也不方便。测量对象主要是较低流速下 的流体1 9 1 。 第二阶段是1 9 7 3 1 9 8 5 年，在此期间，激光多普勒测量技术在光学系统和信号处理 技术方面都有了很大发展。在信号处理方面，频率跟踪器、计数式处理器和光子相关器的 成功运用，最终使得激光多普勒测量成为产品成功投放市场。并且有一些研究人员已经在 考虑将激光多普勒测量技术应用于固体运动的测量们。 第三阶段是从1 9 8 5 年到现在，在此期间，激光多普勒技术的应用研究得到了很好的 发展。由于具有较好的性能以及测量能力，激光多普勒技术被广泛应用于各种流体测量以 4 第一章绪论 及固体表面的运动测量 1 1 - 13 。 我国国内对于应用激光多普勒原理进行固体运动参数测量技术的研究主要是在一些 高校中进行。其中天津大学对于激光多普勒固体表面运动参数的测量研究取得了较好的成 果，对回转体的表面轮廓测量技术进行了研究，得到了1 0 u r n 的测量分辨率和1 0 的相 对测量精度，采用双光束结构测量固体散射表面位移的测量精度更是达到了o 4 14 1 5 1 ； 清华大学邹泓等人采用的差动激光多普勒测量光路对固体表面的位移进行了测量，测量精 度达到了3 x 1 0 4 ；北京航天航空大学也取得了较好的测量结果：西安交通大学桑波 等人采用差动结构对大直径回转体进行了测量，获得了6 x 1 0 4 的测量精度“钉；燕山大学 主要是采用差动激光多普勒测量技术对轴类零件的扭矩进行了测量，并且得到了较高的测 量精度 1 9 - 2 1 。 1 4 本文的主要工作 激光多普勒固体测量技术是激光多普勒测量技术领域中的一个重要分支，与激光多普 勒流体测量技术相比，主要区别在于固体测量只能采用后向散射，而流体测量还可以使用 前向散射结构：固体测量相比于流体测量其信噪比较低，所以必须很好的设计测量结构， 使其能很好的滤除光学噪声；在流体测量时，存在一个完整的控制体积( 如2 2 3 节所示) ， 而固体表面测量时只能使用控制体积的一个截面，所以，对于固体表面的测量，对激光光 束的参数要求比较严格。由于普通固体表面粗糙，所以散射光为无方向性的漫反射，可应 用的散射光功率较低( 约为1 6 微瓦左右) 。 针对以上所分析的固体表面测量与流体测量的区别，本文主要完成了以下工作： 第一，研究了激光多普勒双光束差动技术，根据高斯光束理论，设计出高信噪比的激 光多普勒回转体直径测量光路，该光路结构紧凑，布局合理。能够获取高质量的多普勒频 移信号。该光路可使聚焦在被测物体上的光斑很容易的落在回转体表面，以保证获得最大 的散射光强。选取灵敏度较高、信噪比较高、转换效率高的p i n 型光敏二极管进行光外 差检测。 第二，详细计算了光学结构中各个元器件的参数和工艺要求，由此确定了元器件的型 号。并且从光外差探测的空间相位条件，推导出了激光多普勒差动检测中双频散射光外差 检测中的光学条件。 第三，结合固体表面多普勒测量信号的特点，设计了信号解调电路。包括信号的流 压转换、放大、l c 滤波、波形转换、分频、频率测量和显示电路。 第四，分析了影响激光多普勒回转体直径测量结果的误差来源，并且对各个误差来源 的误差传递参数进行了准确的计算。详细分析了激光多普勒固体表面测量中多普勒展宽的 影响因素，提出了激光多普勒非平面固体测量时所特有的展宽因素固体表面形状展 宽。 第五，从本测量系统出发，提出了更加实用、高效的测量方案，使其能更好的应用于 生产现场。 气 两安理t 大学硕士学位论文 第二章激光多普勒回转体直径测量系统设计 2 1 激光多普勒测量原理 1 8 4 2 年，奥地利科学家d o p p l e r c h r i s t i a nj o h a n n 首次发现，任何形式的波传播，由 于波源、接收器、传播介质或者散射体的相对运动，会使波的频率发生变化，即产生了多 普勒频移。1 9 6 4 年，y e h 和c u m m i n s 首先观察到水流中粒子的散射光有频移，证实了激 光多普勒的测量可行性8 1 。 如图2 1 所示，假设光源s 静止，观测者在p 点以速度矿运动，光速为c ，波长为五。 如果与a 相比，点p 离s 足够远，则可以在p 点将光波看成是平面波。 汾 图2 - l 基本多普勒原理图 f i g 2 - 1t h eb a s i c a lp r i n c i p l eo fl a s e rd o p p l e r 单位时间内p 点朝s 点移动的距离为v c o s 6 ，曰是速度矢量和波运动方向的夹角。则 在单位时间内比起p 点静止时多接收了( v c o s 8 ) 肌个波，移动观察者所感受到的频率增 加为： a f ：v c _ o s 一8( 2 1 ) 几 由于c = f x 2 ，厂为光源s 发出光的频率，频率的相对变化可表示为： 等：v c o s 8( 2 2 ) 二= 一 i ，z 1 ) c 这就是最基本形式的一次多普勒频移方程。 在光学多普勒的实际测量中，一般情况下系统中光源和探测器是相对静止的，而被测 物是相对移动的。所以，多普勒频移主要是由被测物的运动所形成的。则被测物接收来自 光源的光，这个过程会形成一次多普勒频移，然后将接收到的光反射或者散射到光电探测 器表面，这个过程会形成另外一次多普勒频移。所以说，在该过程中会产生两次多普勒频 移。 如图2 2 所示，光源s 发出的频率为厂( 设波长为五) 的光到达运动物体p 表面，在 q 点接收从物体p 发出的散射光。物体p 以速度1 ，运动，方向和p s 以及p q 之间的夹角 6 第二章激光多普勒口i 转体直径测量系统设计 分别为0 ，和仍。 s p 幽2 - 2 廷动物体严生的两次多晋勒频移不惹图 f i g 2 - 2t h et w i c el a s e rd o p p l e re f f e c to fm o v i n go b j e c t 由于p 点相对于光源s 的运动，导致了在p 点所观察到的光波频率则可以表示为： 严南( + 幺) 3 ， 其中c 为光速。这就是发生的第一次多普勒频移。 在此，可以将p 点看成是一个新的光源，其发射的光频率为厂。则在q 点探测到的 光频率是在f 的基础上发生第二次多普勒频移后的光波频率。该频率可表示为： 严锯 汜4 ， 将式2 3 代入2 4 可得： 厂。= f 可l + ( v 丽c ) c o s o i ( 2 5 ) 在普通测量领域由于( 哟 k 一铴) 肛五+ ( 抄) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 将这两个频率的散射光送入光电检测器进行光外差检测，就可得到多普勒频移的大小 第- 二章激光多普勒问转体直径加量系统设计 为： 厶= 兀，一兀：= 去l v q s l - e s 2 ) i ji v e s 入懿光f o 繇 、 e j s 1 。e s 2 ( 2 1 2 ) 图2 - 4 单光束- 双散射模式光路 f i g 2 - 4t h es 缸1 l c t u r eo fs i n g l eb e a m d o u b l es c a t t e r i n g 按这种测量光路布置的结构所测得的速度分量垂直于两束散射光交角的平分线。在多 维测量方案中，这种测量光路使用较多。因为只要选取多对不同取向的散射光进行外差检 测，就可获得多个方向上的速度分量，即完成了多维测量。并且该结构入射光路简单。 但是该光路结构的散射光外差检测结果与收集透镜的角度有直接关系，这就给收集光 系统的调节带来了困难，并且无法采用大口径透镜收集散射光，严重制约了收集到的散射 光强，使得所得信号强度减弱，信噪比下降，增加了后续信号处理难度。 2 2 3 双光束一双散射外差法光路结构 双光束一双散射多普勒测量技术也称为差动多普勒技术，结构如图2 5 所示。它是两 束不同角度的入射光所产生的散射光之间的光学混频，拍频信号的频率等于其两种散射光 的多普勒频移的差值。两束强度相近的聚焦光束同时照射到散射介质上，两束光与光轴的 夹角都为k ，在另外一个方向上观察散射光。 测器 图2 5 双光束差动多普勒测量原理 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo f d o u b l eb e a md i f f e r e n t i a ld e m o d u l a t i o ns y s t e mo fl a s e rd o p p l e r 9 两安理t 大学硕j j 学位论文 其中口，和07 ，是散射体的运动速度与两入射光，和2 之间的夹角，易是粒子运动速度 v 与探测器观测方向之间的夹角，探测器探测两束入射光，和2 的多普勒频移的差值，即 探测器所探测到的频率为： 厶= a f a f ( 2 1 3 ) 其中厂和厂分别为入射光束，和2 散射光的频移。将式2 7 代入式2 1 3 得： f o = a f 一嗨? 2 v 鼠+ 只舅一只 2 v包+ 只 幺一幺 = c o s l 二c o s l 二一c o s l 二c o s l 一三 兄22旯22 ， = ( c o s q + c o s 0 2 一c o s 0 i c o s 0 2 ) ， = _ i f ( c o s b - - c o s 0 i ) ：一2 vs i n k c o s 口 ( 2 1 4 ) 力 。 其中2 k = - 0 # 一所，是两入射光束之间的夹角：7 = ( 0 s + 0 1 一t r ) 2 ，是散射体运动方向和光 束夹角平分线的法线之间的夹角。 由式2 。1 4 可以看出，在双光束双散射测量结构中，多普勒频移的大小只决定于两路 入射光的方向，而与散射光的方向无关。所以，在该测量光路中，光电接收器的位置可以 任意安排( 只要满足由米氏散射理论推导出的散射光功率大小即可) ，可以采用大孔径的 接收透镜来收集到足够多的散射光，从而通过光功率的提高来改善信号的信噪比。所以就 目前来讲，国际上使用最为广泛的光路结构就是双光束一双散射结构。 在双光束一双散射测量光路中，两束入射光相交区域中存在着一组明暗相交的干涉条 纹，其共同组成了一个椭球体，称之为控制体积8 9 1 。所以双光束多普勒技术有时称为实 条纹技术或者强度调制型技术。可以用“条纹模型 来进行理论解释。如图2 - 6 9 1 所示。 l o 图2 - 6 双光束测量结构中控制体和干涉条纹 f i g 2 - 6t h ei n t e r f e r e n c ef r i n g ea n d c o n t r o lv o l u m eo fd o u b l eb e a m s 第二章激光多普勒回转体直径测量系统设计 其中d 。2 是激光器出光光束的1 e 2 光强处的直径，d 是聚焦前的光束间距，为聚焦透镜 间距，k 为两光束分别与光轴的夹角。可得控制体的长、宽、高分别为： o 等 ( 2 1 5 ) 。：垒(21d 1 6 ) 。= ( 2 ) d - 丝 ( 2 1 7 ) 。 2 一z 控制体中干涉条纹的间距为： d ，：兰一 ( 2 1 8 ) 控制体中的条纹数为： 2 考2 罢 旺 对于控制体及其干涉条纹的分析，可以为后续信号处理电路参数的选择( 如3 5 4 节 所示) 和激光多普勒回转体测量中信号的多普勒展宽因数计算( 如4 4 1 节所示) 提供很 好的理论依据。 2 3 固体散射表面测量的结构 由米氏( m i e ) 散射理论可知，随着散射粒子半径的增大，其散射光强分布逐渐的偏 向了前向散射方向，这种效应称为米氏效应9 1 ，如图2 7 所示。 越躐 黼 j 、曲 g 罐昔 蕊 一 瀚一 蠼 图2 7 粒子散射光强示意图 f i g 2 7t h es c a t t e r i n gl i g h td i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e 由图2 7 可以看出，当鸟值为1 6 时，前向散射与后向散射的散射光强相差1 7 倍。 其中q = 2 m p 2 ，r p 为粒子直径，五为入射光波长。 西安理工大学硕十学位论文 所以，对于不同的散射表面，其散射特性是不同的。即在其它条件不变的情况下，散 射粒子直径越小，其后向散射光的强度越大。本系统由此选择了表面粗糙度较小的回转体 作为测量对象，以尽量减小回转体表面粒子直径，以获得较大的散射光强。 但是在使用光学多普勒测量固体表面时，前向散射光的收集是不可能的，所以，在进 行固体表面测量时用后向散射时，应该尽可能时用口径较大的透镜来收集散射光，以获得 较大的散射光强，从而提高信噪比。 2 4 系统光学结构设计 由于本测量系统的测量目标是回转体的径，所以只能采用后向散射方式2 “2 钉。如果 将回转体表面微观粒子当作测量对象来考虑，则回转体表面粒子的运动可以近似看作流动 轨迹为回转曲线的流体运动1 2 6 1 t 则其测量原理与流体测量近似。考虑到本测量系统的总 体要求，本系统所采用的测量光路如图2 8 所示。 图2 8 激光多普勒回转体直径测量光学系统 f i g 2 - 8m e a s u r i n gs y s t e mo ft h ed i a m e t e ro fr o t a t i n go b j e c t sw i t hl a s e rd o p p l e r 被测回转体半径为r ，转速为甩。激光器l 所发出的波长a 为6 3 2 8 n m 的激光经过分 光棱镜b s 后分为1 ：1 两束，一束l b 沿原方向传播，另外一束光l a 沿原光路成9 0 0 方向 传播，用峰值波长为6 3 2 8 n m 的单波长介质膜高反镜m l 来改变l a 的方向，使其与l b 平 行。之后l a 和l b 两束光经过聚焦透镜会聚在被测回转体表面p 点。同时使用聚焦透镜 l 2 收集p 点发出的携带有多普勒频移的散射光，再由峰值波长为6 3 2 8 n m 的单波长金属 高反镜m 2 将收集到的散射光反射至聚焦透镜l 1 上，其中，在到达l l 之前散射光要经过 一个孔径光阑d 2 ，最大限度滤除噪声光。l l 将散射光汇聚至光电检测器表面进行外差检 测，从而测出多普勒频移。 其中，l a 和l b 之间的距离是2 ，并且以中心轴对称，即l a 和l b 与中心线的距离 都为d ，聚焦透镜l 2 的焦距为厂则l a 和l b 经过l 2 会聚之后与中心线的夹角定义为k 。 设激光器的频率为厶。 可以得出，在图2 8 中，公式2 1 4 中角p = 0 ，则由式2 1 4 可得两光束经过回转体表面p 1 2 第二章激光多普勒回转体直径测量系统设计 点的散射后其多普勒频移的差值： t o ：_ 2 vs i n 尼 对于图2 8 所示，可得： v ：2 艘甩，s i n 良：_ ：竺 d 2 + 厂2 则式2 1 8 可以表示为： 厶2 赫 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 这就是使用激光多普勒原理测量回转体直径的测量原理公式。在上述公式中，回转体 转速n ，激光波长，透镜焦距 两光束间距的一半d 都为已知量，则只需要探测出两光束 多普勒频移的差值疡即可求出回转体半径r 为 r ：丘兰丝 ( 2 2 3 ) 4 刀玎d 2 5 光学结构器件参数的选择 对于激光器的选择，考虑了目前较为常用的固体激光器( 如红宝石激光器) ，气体激 光器( 如氦氖激光器、二氧化碳激光器等) ，半导体激光器( 如砷化镓激光器) 等2 7 1 。其 中固体激光器能量高，输出功率大，但是其单色性较差，且出光发散角较大。气体激光器 的单色性很好，如氦氖激光器的单色性比普通光源强1 亿倍，而且气体激光器出光发散角 很小。半导体激光器的特点是体积小，重量轻，结构简单，但是其单色性不好，出光光束 质量不高，并且其输出光波长和功率是供电电流和温度的函数，这就限制了其用于干涉测 量的可能性。 考虑到本系统使用激光作为多普勒信号的载体，对激光频率的稳定性，运转模式( 最 理想的状态为单模运转，如果为多纵模，则其纵模间隔应该远远大于多普勒频移) ，出光 质量( 光斑直径、发散角等) 等有严格要求。综合以上因素，本试验系统选择了美国a p i 公司生产的l m 一5 d s s 型激光干涉仪的h e n e 激光头作为激光光源，该激光器出光功率 1 m w ，光斑直径6 m m 。 对于分光镜，由于本系统采用了光外差检测，因此，要求两光束光强应该尽可能接 近1 ：1 ，这样就能很好的改善外差检测效率和信噪比。这里采用了北京大恒公司生产的 g c c - 4 0 4 0 2 1 型6 3 2 8 n m 波长的l ：1 分光平片，直径为1 2 7 m m ，其透射光与反射光之比 为5 0 5 0 5 ，4 5 。入射。 反射镜m l 和m 2 ，都采用6 3 2 8 n m 波长的高反射镜。其中，m l 选用了北京大恒公司 生产的g c c - 1 0 1 0 5 1 型6 3 2 。8 n m 单波长介质膜高反镜，4 5 。光入射时反射率大于9 9 。5 ， 直径2 0 m m 。m 2 选用了北京欧普特科技有限公司生产的g m i 卜0 5 0 型6 3 2 8 波长增强铝 西安理工大学硕学位论文 高反射镜，4 5 。入射时反射率大干9 8 ，直径为4 2 m m 。 透镜l 和l 2 选用了北京大恒公司生产的g c l 一0 1 0 1 1 8 型k 9 玻璃平凸透镜，其直径 士为5 0 8 m m ，表面镀m g f 2 增透膜，有效通光孔径m t = 9 5 x 中叫8 2 6 m m 对于小孔光阚d l ，选用了北京集科仪器公司的可调光阑0 7 i d 0 0 1 ( 如3 22 节所示) ， 其调节范围为08 m m - 1 2 m r n 。对于孔径光阑d 2 ，在铜板上刻4 2 m m 的圆孔，将其余地方 涂黑。 实际光学系统如图2 - 9 所示。 图2 - 9 激光多普勒回转体直径铡量实际光学系统 f i g2 - 9 t h ep r a c t i c a l o p t i c a ls y 啦n l 2 6 本章小结 本章首先简要介绍了激光多普勒测量原理阐述了基于光外差检测方法的几种激光多 普勒测量光路，对这几种测量光路的优缺点进行了比较，选择了适合回转体直径测量的光 路结构一双光束一双散射测量光路。给出了激光多普勒运动固体散射表面的测量结构。其 次给出了本文所设计的激光多普勒回转体直径测量光学系统。根据本系统的翅幢精度和测 量范围，选择了光学系统中光学元件的参数并确定了型号。最后对实验系统进行了实际搭 建与调整。 第三章信号柃测与处理 第三章信号检测与处理 3 1 多普勒信号处理流程 对于图2 8 所示的测量系统，直径测量的关键步骤是测量出两束光的散射光的多普勒 频移之差，而这个频移是以光频的形式存在。所以就首先需要将两束光的多普勒频移之差 转换为电信号，之后再进行放大，滤波，波形转换，分频和频率测量的处理。处理流程如 图3 1 所示。 图3 - 1 多普勒信号处理流程 f i g 3 1t h es i g n a lp r o c e s s i n gf l o w 3 2 多普勒频移信号检测 多普勒频移的测量方法目前主要有直接光谱技术测量多普勒频移和光外差法测量多 普勒频移8 1 。 法布里一珀罗( f a b r a y - p e r o t ) 干涉仪可以直接检测散射光的多普勒频移，但是法布里 一珀罗干涉仪的分辨率还停留在兆赫兹的级别，因此只能用于高速多普勒信号测量，这就 限制了其使用范围。并且该仪器结构较复杂，价格较高，所以很难普及推广9 1 。 使用光谱仪进行光频测量虽然能达到很高的分辨率，但是光谱仪价格高，体积大，仅 限于在实验室使用。 直接光谱技术主要用于超音速范围的多普勒频移测量。 3 2 1 光外差检测原理 由激光多普勒原理进行探测所测得的信号是对测量光进行频率调制的信号。要将所测 信号从收集光中解调出来，就必须对接收光的光频进行测量。由于可见光波频率通常在 1 0 m 比左右，这是常用的光电检测器件根本响应不了的频段。而实际的激光多普勒信号 频移不过兆赫兹级别，所以要使用光电检测器直接检测散射光的频率从而测得多普勒频移 大小在实现起来比较困难。 光外差检测技术是当f i i 测量光频时使用最多的一种检测方法 z s i 。由于该方法直接将 光频信号转换为电信号，使得后续的信号处理变得方便简单，因此，得到了广泛的应用。 其具有信噪比高、精度高、探测范围大等优点。因此，本文选择光外差检测法作为本系统 的光信号检测方法。 1 5 两安理1 = 大学硕 j 学位论文 两束频率不同光的外差检测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本振 光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进行光学混频，光电探测器的输出是频率 为两光波外差检测所得到的电信号。这个输出信号还包含有调制信号的振幅、频率和相位 特征。显然，光外差检测属于相干