一種基于激光散斑行為的振動信息檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種振動信息提取方法，特別是一種基于激光散斑行為的振動信息提取方法，主要應(yīng)用于語音采集、振動監(jiān)測、質(zhì)量檢測、噪聲分析、環(huán)境監(jiān)測、資源勘探、生物研究、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、過程控制、國防安全、工程測試、危險評估、環(huán)境感知、物聯(lián)網(wǎng)、過程控制、先進(jìn)制造等領(lǐng)中的振動信息提取。
【背景技術(shù)】
[0002]振動是指物體的全部或一部分沿直線或曲線往返出顫動，具有一定的時間規(guī)律或周期，狹義上的振動檢測是通過對機(jī)器或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)振動的下狀態(tài)監(jiān)測，對機(jī)器或結(jié)構(gòu)可進(jìn)行故障診斷、環(huán)境控制、等級評定；測量機(jī)器或結(jié)構(gòu)的受迫振動獲得被測對象的動態(tài)性能(包括:固有頻率、阻尼、響應(yīng)、模態(tài)等信息)，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改進(jìn)設(shè)計提高其抗振能力，或通過隔振處理改善機(jī)械的工作環(huán)境和性能，廣義上振動檢測還包括聲學(xué)和音頻領(lǐng)域中的研究工程內(nèi)容。振動廣泛存在于語音采集、振動監(jiān)測、質(zhì)量檢測、噪聲分析、環(huán)境監(jiān)測、資源勘探、生物研究、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、過程控制、國防安全、工程測試、危險評估、環(huán)境感知、物聯(lián)網(wǎng)、過程控制、先進(jìn)制造等領(lǐng)中，并且對振動檢測的需求越來越緊迫，檢測要求也越來越高。在先技術(shù)中存在振動信息檢測方法，一種壓電振動傳感器，(參見美國專利，專利名稱:Piezoelectric vibrat1n sensor，發(fā)明人:0rten Birger，專利號:US7656524B2，專利授權(quán)時間:2008年05月06日)，雖然存在一定的特點，但是仍然存在本質(zhì)不足，I)采用壓電原理進(jìn)行振動檢測，基于壓電材料制作成振動傳感器，然后振動傳感器與被檢測物進(jìn)行接觸感知振動信息，因此本質(zhì)上無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離振動遙測；2)由于壓電振動傳感器與被檢測物存在近距離相互所用，被檢測物以及所處環(huán)境會影響壓電振動傳感過程，影響影響檢測結(jié)果的正確性和靈敏度，進(jìn)而影響振動檢測過程的可靠性；3)由于壓電材料以及基于壓電材料制作成的振動傳感器存在自身本質(zhì)機(jī)械頻率特性，固有頻率特性限制了振動信息檢測的頻率響應(yīng)行為，既影響振動檢測信息量，又限制了頻率檢測應(yīng)用范圍；4)在先振動檢測系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜、使用不便利、功能不容易擴(kuò)充。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對上述技術(shù)的不足，提供一種基于激光散斑行為的振動信息檢測方法，具有無接觸檢測、無損檢測、可以實現(xiàn)遙測、高靈敏度、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)特性寬、信息量高、系統(tǒng)易于構(gòu)建、使用便利、應(yīng)用范圍廣、功能易于擴(kuò)充等特點。
[0004]本發(fā)明的基本構(gòu)思是:基于激光環(huán)境感知原理，利用激光散斑離焦成像技術(shù)，激光束照射到被檢測區(qū)域，激光散斑經(jīng)過離焦光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行成像，在離焦光學(xué)成像系統(tǒng)的像空間設(shè)置有光纖束，光纖束一端位于離焦光學(xué)成像系統(tǒng)散斑離焦成像區(qū)域，將用散斑離焦像傳出，光纖束另一端的每根光纖與一個光電傳感器相連接實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，每個光電傳感器連接信號處理部件進(jìn)行信號快速處理，振動分析單元通過綜合分析每個光電傳感器信號，得到檢測區(qū)域的振動信息。
[0005]本發(fā)明的一種基于激光散斑行為的振動信息檢測方法，其具體的技術(shù)方案如下: 步驟(I)激光光源出射光束的光路上設(shè)置有光束調(diào)整部件，光束調(diào)整部件調(diào)節(jié)光束參數(shù)或傳播特性，達(dá)到測量用激光光束和傳播方向；
步驟(2)激光光束照射到被檢測區(qū)域，被檢測區(qū)域存在光學(xué)界面，激光光束在光學(xué)界面處被散射，發(fā)生激光散射效應(yīng)，形成激光散射光場，呈現(xiàn)激光傳輸散斑；
步驟(3)散射光場經(jīng)過離焦光學(xué)成像系統(tǒng)，在離焦光學(xué)成像系統(tǒng)的像空間設(shè)置有光纖束，光纖束一端位于離焦光學(xué)成像系統(tǒng)散斑離焦成像區(qū)域，將用散斑離焦像信息傳出，光纖束另一端的每根光纖與一個光電傳感器相連接實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；
步驟(4)光電傳感器連接信號處理部件進(jìn)行信號快速處理，振動分析單元通過綜合分析每個光電傳感器信號，得到檢測區(qū)域的振動信息。
[0006]所述的激光光源為激光二極管、二極管激光器、氣體激光器、固態(tài)激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器的中一種。
[0007]所述的光束調(diào)整部件為透鏡式光束調(diào)整部件、反射式光束調(diào)整部件、液晶光束調(diào)整部件、微納結(jié)構(gòu)光束調(diào)整部件的中一種。
[0008]所述的離焦光學(xué)成像系統(tǒng)為折射式光學(xué)成像系統(tǒng)、反射式光學(xué)成像系統(tǒng)、混合式光學(xué)成像系統(tǒng)的中一種。
[0009]所述的光電傳感器為光電二極管、光電三極管、雪崩管、光電倍增管的中一種。
[0010]所述的振動分析單元為計算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字信號處理器、移動終端設(shè)備的中一種。
[0011]本發(fā)明中散斑原理、圖像處理技術(shù)、光纖束制備和使用、多信息融合技術(shù)均為成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點在于基于激光環(huán)境感知原理，利用激光散斑離焦成像技術(shù)，給出一種無接觸檢測、無損檢測、可以實現(xiàn)遙測、高靈敏度、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)特性寬、信息量高、系統(tǒng)易于構(gòu)建、使用便利、應(yīng)用范圍廣、功能易于擴(kuò)充的基于激光散斑行為的振動信息檢測方法。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點:
1)在先技術(shù)采用壓電原理進(jìn)行振動檢測，基于壓電材料制作成振動傳感器，然后振動傳感器與被檢測物進(jìn)行接觸感知振動信息，因此本質(zhì)上無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離振動遙測。本發(fā)明基于激光環(huán)境感知原理，利用激光散斑離焦成像技術(shù)，激光束照射到被檢測區(qū)域，激光散斑經(jīng)過離焦光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行成像，由光纖束進(jìn)行光場傳出，進(jìn)而被光電探測器探測，通過分析得到振動信息，本發(fā)明充分發(fā)揮了散斑原理和成像遠(yuǎn)距離工作特性，故具有無接觸檢測、無損檢測、可以實現(xiàn)遙測、高靈敏度等特點；
2)由于在先技術(shù)中壓電振動傳感器與被檢測物存在近距離相互所用，被檢測物以及所處環(huán)境會影響壓電振動傳感過程，影響影響檢測結(jié)果的正確性和靈敏度，進(jìn)而影響振動檢測過程的可靠性。本發(fā)明本質(zhì)上為激光散斑遙測原理，本質(zhì)上避免了與被檢測物的直接接觸，并且光學(xué)檢測原理受外界環(huán)境影響小，所以具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、被檢測物形態(tài)和物質(zhì)多樣、信息量高等特點；
3)由于壓電材料以及基于壓電材料制作成的振動傳感器存在自身本質(zhì)機(jī)械頻率特性，固有頻率特性限制了振動信息檢測的頻率響應(yīng)行為，既影響振動檢測信息量，又限制了頻率檢測應(yīng)用范圍。本發(fā)明中，在離焦光學(xué)成像系統(tǒng)的像空間設(shè)置有光纖束，光纖束一端位于離焦光學(xué)成像系統(tǒng)散斑離焦成像區(qū)域，將用