專利名稱：三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及三維激光多普勒測量運動姿態(tài)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光多普勒測量技術(shù)是一種精確的非接觸式的測量技術(shù)，它是基于測量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻率，進而確定該測點的振動速度，以及物體表面的振動情況。工程中的許多結(jié)構(gòu)和部件的振動是三維的，即物體表面某一點的振動 (速度)可被分解成兩個面內(nèi)分量(Vx，Vy)和一個離面分量Vz，當(dāng)進行三維激光振動測量時，需要使用三束激光照射被測點。如圖1所示。在光路布置中，光束^沿〖軸方向，用于測量Vz，從而可得Vzx = VzCos θ +VxSin θ ⑴Vzy = VzCos Ψ+VySin Ψ (2)由(1)式、(2)式可得Vx = (Vzx-VzCos θ )/sin θ (3)Vy = (Vzy-Vzcos ψ)/sin Ψ (4)由多普勒頻移測量速度的最直接的方法是利用高分辨率的光譜儀分析來自振動物體的散射光。由于物體實際的振動速度比光速小得多，例如，當(dāng)波長1為10-10米 /秒、振動物體的速度為10米/秒時，可獲得He-Ne激光的多普勒頻移的最大值，按(1_4) 計算，可得D = 31. 6MHz D f，而激光本身的頻率f很高(約為4. 74' 1014Hz)，即DfD/f = 6.67' 10-8。因此，直接測量多普勒頻率DfD是不可能的。而是當(dāng)多普勒頻移足夠大時，可以借助于高分辨率的法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot)進行測量。在一般情況下，大多數(shù)物體的振動速度所引起的多普勒頻移在幾十千赫-幾十兆赫，超出了光譜儀的分辨率。這時需要借助于光學(xué)差拍及參考光技術(shù)來測量。而對于物體三維振動面外分量的振動測量，在傳統(tǒng)的激光測量技術(shù)中，無論是單點測量還是整個面的掃描測量，都只給出了物體的結(jié)構(gòu)振動特性，而沒有給出物體整體的三維振動特性。而對于最近幾年出現(xiàn)的三維激光測量物體振動的技術(shù)，其主要由三個單點激光測振儀器發(fā)出三束光束，以監(jiān)測被測物體三個方向的振動，然這種測量技術(shù)的缺陷是需要多臺激光測振儀，且所測得反應(yīng)物體運動狀態(tài)的參數(shù)不是實時的，其需要通過投影計算后才能獲得某一時間點被測物體在三維方向的運動參數(shù)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種新型的三維顯微運動姿態(tài)測量系統(tǒng)及方法，其能通過一個激光測振儀，經(jīng)過分光元件等處理后形成五束測量光束發(fā)射到被測物體上，實時測得被測物體在三維方向的振動信息及運動姿態(tài)。[0012]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出如下技術(shù)方案一種三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)包括激光光源， 復(fù)數(shù)第一組分光元件和第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括復(fù)數(shù)第二組聚光元件和第二組分光元件，所述信號處理系統(tǒng)包括至少一光電探測器；所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出復(fù)數(shù)束測量激光，同時照射到被測物體上，并由被測物體反射形成反射光束，所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送至所述信號處理系統(tǒng)處理成反映被測物體運動姿態(tài)的電信號。優(yōu)選地，所述測量系統(tǒng)還包括一束與測量光束相比較的參考光束。所述信號處理系統(tǒng)還包括對被測物體成像的電荷耦合元件。所述測量系統(tǒng)還包括提供照明的LED。所述復(fù)數(shù)束測量激光為五束。所述五束光束分為三組，其中兩束為測量被測物體X方向運動參數(shù)的第一組光束，兩束為測量被測物體Y方向運動參數(shù)的第二組光束，還有一束為測量被測物體Z方向運動參數(shù)的第三光束。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型提供的三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)及方法能夠?qū)崟r測量被測物體三維方向的運動姿態(tài)，且動態(tài)測量范圍廣、測量精度高。

圖1是本實用新型三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)及方法的光路原理圖；圖2是本實用新型的具體的光路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實用新型三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)及方法的使用框圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本實用新型的附圖，對本實用新型優(yōu)選實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述。本實用新型提出的三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其采用三維多普勒激光測振技術(shù)，能使多束光束同時探測被測物體上的目標點，并測量被測物體上在X、Y、Z三個方向上的運動姿態(tài)。如圖1所示，所述三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)包括發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)，所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源1，復(fù)數(shù)第一組分光元件、第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括第二組分光元件、第二組聚光元件，所述信號處理系統(tǒng)包括光電探測器7和CCD(電荷耦合元件)，其中LED用以為測量系統(tǒng)提供照明。本實施例中，光電探測器7包括第一光電探測器71和第二光電探測器72，其中，第一光電探測器71用于探測被測物體在X方向上運動信息的光束，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，第二光電探測器72用于探測被測物體在Y和Z方向運動信息的光束，亦將其轉(zhuǎn)換成電信號， CCD用于對被測物體形成圖像。測量時，由激光光源1發(fā)出的激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的分光、移頻、聚焦及透射等處理后，形成五束測量光束同時照射到被測物體8的測量點上，以測量被測物體測量點的三維運動姿態(tài)，測量光束由被測物體8反射后形成反射光束，接收光學(xué)系統(tǒng)接收從被測物體上反射回來的、攜帶了被測物體測量點三維振動信號的反射光束，并將這些光束經(jīng)過透射、 聚焦及分光等處理后，傳送到信號處理系統(tǒng)，以獲得被測物體實時的反映運動姿態(tài)的光電信號及圖像。具體來說，如圖2所示，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的第一組分光元件包括直角棱鏡21、 25，分光棱鏡 22a、22b、22c，26,27,28,分光移頻元件 23a、23b、23c，分光元件 24a,24b,24c, 及平行光板四，所述第一組聚焦元件包括聚焦透鏡31、32及物鏡33，所述第二組分光元件包括平行光板四、分光棱鏡41、42、43，所述第二組聚焦元件包括物鏡33、聚焦透鏡51、52和透鏡53。所述激光光源1發(fā)出單束激光后，經(jīng)過直角棱鏡21轉(zhuǎn)向、分光棱鏡22a、22b、22c 分光后，將單束激光分為X、Y、Z三個方向的三束測量光，X方向的測量光經(jīng)過分光移頻元件23a后分成兩束固定模式的光，并產(chǎn)生頻移，經(jīng)分光元件Ma、24b后形成兩束平行光輸出，再經(jīng)過聚焦透鏡31、32聚焦及平行光板四透射后，通過物鏡33把光束聚焦到被測物體 8的測量點上，攜帶了被測物體X方向振動信息的光束發(fā)生反射形成反射光束，經(jīng)由接收光學(xué)系統(tǒng)中的物鏡33的透射、光學(xué)平板四的反射、聚焦透鏡51、52的聚焦及分光棱鏡41分光后，將X方向的光束傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)中的第一光電探測器71上。Y方向的測量光經(jīng)分光移頻元件2 后分成兩束固定模式的光，并產(chǎn)生頻移，經(jīng)分光元件2 后兩束光平行輸出，經(jīng)過直角棱鏡25改變光束方向、及分光棱鏡觀的反射、聚焦透鏡31、32聚焦及平行光板四透射后，通過物鏡33把光束聚焦到被測物體8的測量點上，攜帶了被測物體Y方向振動信息的光束發(fā)生反射形成反射光束，反射光束經(jīng)物鏡33的透射、光學(xué)平板四的反射、聚焦透鏡51、52的聚焦及分光棱鏡41、42、43分光后，將Y方向的光束傳輸?shù)降诙怆娞綔y器72上。Z方向的測量光束經(jīng)分光移頻元件23c后分成兩束固定模式的光，并產(chǎn)生頻移，經(jīng)過分光棱鏡27把Z方向測量光分成參考光束和測量光束，測量光束經(jīng)分光棱鏡觀改變光路傳播方向后經(jīng)過聚光透鏡31、32聚焦及平行光板四透射后，通過物鏡33把光束匯聚到被測物體8的測量點上，攜帶Z方向振動信息的光束發(fā)生反射形成反射光束，反射光束經(jīng)物鏡33的透射、光學(xué)平板四的反射、聚焦透鏡51、52的聚焦及分光棱鏡41、42、43分光后，將 Z方向的光束傳輸?shù)降诙怆娞綔y器72上。而參考光束經(jīng)過直角棱鏡61、62、分光棱鏡63的轉(zhuǎn)向等處理后，傳送到第一光電探測器71和第二光電探測器72，在與X軸方向、Y軸方向及Z軸方向的測量光束進行干涉等比較處理后，并將其轉(zhuǎn)化為反映了被測物體在X軸方向、Y軸方向及Z軸方向的運動姿態(tài)的電信號。而CCD根據(jù)從被測物體上反射回來的測量光束，對被測物體形成圖像，并被測物體的圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。如圖3所述，信號處理系統(tǒng)獲得的電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的采集及數(shù)據(jù)分析軟件的分析處理后，將被測物體被測點的運動姿態(tài)信息如振動速度、位移、加速度等直接顯示在圖像顯示器上，以便后續(xù)的分析處理。本實施例的圖2中所示的光學(xué)元件為說明本實用新型所選用的，在本實用新型的其他實施例中，也可以選用其他可替代的光學(xué)元件，如光電探測器也可以為一個或三個，一個光電探測器用于同時探測從被測物體反射回的三個方向測量光及參考光，三個光電探測器用于分別探測被測物體三個方向的測量光及參考光。 本實用新型的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特征已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本實用新型的教示及揭示而作種種不背離本實用新型精神的替換及修飾，因此，本實用新型保護范圍應(yīng)不限于實施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本實用新型的替換及修飾，并為本專利申請權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求1.一種三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于包括光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)包括激光光源，復(fù)數(shù)第一組分光元件和第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括復(fù)數(shù)第二組聚光元件和第二組分光元件，所述信號處理系統(tǒng)包括至少一光電探測器；所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出復(fù)數(shù)束測量激光，同時照射到被測物體的測量點上，并由被測物體反射形成反射光束，所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送至所述信號處理系統(tǒng)處理成反映被測物體運動姿態(tài)的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述測量系統(tǒng)還包括一束與測量光束相比較的參考光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理系統(tǒng)還包括對被測物體成像的電荷耦合元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述測量系統(tǒng)還包括提供照明的LED。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述復(fù)數(shù)束測量激光為五束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述五束光束分為三組，其中兩束為測量被測物體X方向運動參數(shù)的第一組光束，兩束為測量被測物體Y方向運動參數(shù)的第二組光束，還有一束為測量被測物體Z方向運動參數(shù)的第三光束。
專利摘要本實用新型揭示了一種三維激光運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)包括激光光源，復(fù)數(shù)第一組分光元件和第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括復(fù)數(shù)第二組聚光元件和第二組分光元件，所述信號處理系統(tǒng)包括至少一光電探測器；所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出五束測量激光，同時照射到被測物體的測量點上，并由被測物體反射形成反射光束，所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送至所述信號處理系統(tǒng)處理成反映被測物體運動姿態(tài)的電信號。本實用新型能夠?qū)崟r地測量被測物體三維方向的運動姿態(tài)，且測量精度高。
文檔編號G01H9/00GK202101755SQ20112023195
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者劉挺, 劉歡, 葉崗, 宋云峰, 朱傳貴 申請人:蘇州舜新儀器有限公司