激光測振的聚焦掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

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《計(jì)測技術(shù)雜志》2015年第二期

1光路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的光路需要經(jīng)過聚焦系統(tǒng)與掃描系統(tǒng)，考慮到整體的美觀性與光的出射位置，在聚焦系統(tǒng)與掃描系統(tǒng)中加了一塊反射鏡，不僅方便了光路的調(diào)試也使系統(tǒng)的整體布局更加合理。根據(jù)激光的走向，可以設(shè)計(jì)出反射結(jié)構(gòu)的具體模型，如圖2所示。激光器與反射鏡之間的位置用來放置聚焦系統(tǒng)，此系統(tǒng)不會(huì)改變激光的走向。在圖2所示的反射結(jié)構(gòu)的光路圖中，激光從激光器射出，第一個(gè)反射鏡的角度可以調(diào)節(jié)，從而改變光的出射角度，使其能夠經(jīng)過兩個(gè)電機(jī)軸的軸線位置。此部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要保證光線的高度，為了和單點(diǎn)式激光測振儀配合，設(shè)計(jì)的光線高度為47mm，與單點(diǎn)式激光測振儀的激光高度等高，在設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)支撐座時(shí)使其垂直度在0.04mm內(nèi)，以保證電機(jī)軸的水平度。

2聚焦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的聚焦系統(tǒng)聚焦范圍大于等于0.3m。系統(tǒng)的聚焦部分由一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡組成的透鏡組來構(gòu)成，如圖3所示。透鏡1選擇直徑為12.7mm、焦距為－50.8mm的凹透鏡;透鏡2和透鏡1之間的最近距離設(shè)為a，透鏡2能夠在導(dǎo)軌上移動(dòng)。對于透鏡移動(dòng)部分的設(shè)計(jì)如圖4所示。此部分依靠步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與聯(lián)軸器相連的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑塊部分做水平運(yùn)動(dòng)。由于滑動(dòng)部分是直線移動(dòng)，因此對絲杠與導(dǎo)軌之間的平行度要求較高，保證平行度在0.04mm內(nèi)。整個(gè)聚焦部分的驅(qū)動(dòng)是靠步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的，圖4中深色部分為移動(dòng)部分，根據(jù)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)，在動(dòng)鏡座當(dāng)中放置所選透鏡，透鏡移動(dòng)使焦距發(fā)生變化。

3總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將所應(yīng)用的掃描方式和設(shè)計(jì)的聚焦結(jié)構(gòu)相結(jié)合，給出了聚焦掃描系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。5V的電源用于對電路進(jìn)行供電，12V的電源用于對步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行供電，總共有三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器分別控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)依靠固定裝置固定在底座上，固定裝置所用材料為45號(hào)鋼。本系統(tǒng)的總體尺寸為292mm×182mm×131mm。設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇了128細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)控制器，可以使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一步的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0.84''，在測量距離較近(小于3m)的情況下，可以看做能夠?qū)y量范圍內(nèi)每一點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行測量。

4掃描步驟

用聚集掃描系統(tǒng)掃描的同時(shí)需要保證能夠聚焦，因此在使用軟件控制時(shí)需至少確定三個(gè)點(diǎn)，通過三次選擇光點(diǎn)位置并聚焦來確定掃描平面及其平面方程。其掃描步驟如圖6所示。根據(jù)三點(diǎn)確定平面方程并通過求解方程得到當(dāng)控制光點(diǎn)位置的電機(jī)移動(dòng)時(shí)控制焦距的電機(jī)相應(yīng)移動(dòng)的步數(shù)，在掃描時(shí)光點(diǎn)每移動(dòng)一次同時(shí)調(diào)節(jié)焦距，這樣能夠在進(jìn)行掃描的同時(shí)達(dá)到聚焦。

5實(shí)驗(yàn)

5.1焦距的測量圖7為驗(yàn)證聚焦范圍的裝置，實(shí)驗(yàn)選用JDSU的He-Ne激光器，其激光束直徑為3mm，近似準(zhǔn)直光，對測定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響微弱。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)透鏡2的位置，當(dāng)光束聚集時(shí)，用光束分析儀測量光斑直徑為50μm，動(dòng)鏡再往任何一個(gè)方向移動(dòng)光斑都會(huì)變大，根據(jù)此方法可以確定本裝置的聚焦范圍大于等于0.3m。

5.2掃描速度的測量本系統(tǒng)的掃描速度指標(biāo)為20點(diǎn)/s。實(shí)驗(yàn)采用的方法是根據(jù)多次測量掃描總體時(shí)間來計(jì)算其掃描速度。多次測量的情況如表2所示。在編寫的程序中設(shè)定的掃描點(diǎn)數(shù)為橫軸和縱軸各40個(gè)點(diǎn)，總共一次掃描1600個(gè)點(diǎn)。根據(jù)表2可以得出掃描速度平均為20.3點(diǎn)/s，因此能夠達(dá)到提出的20點(diǎn)/s的指標(biāo)。

5.3與單點(diǎn)式激光測振儀配合測量本系統(tǒng)主要應(yīng)用于單點(diǎn)式激光測振儀，因此需要與激光測振儀配合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖8所示為搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，其中主要包括單點(diǎn)式激光測振儀、聚焦掃描系統(tǒng)、示波器和反射鏡。實(shí)驗(yàn)中用反射鏡模擬被測物，把它分別放在不同距離的各個(gè)位置，在距離系統(tǒng)0.1，0.3，0.5m的位置進(jìn)行測量，都可以得到如圖9所示的波形，且經(jīng)過一定的調(diào)整之后可以調(diào)節(jié)到與之接近的幅值。此即為單點(diǎn)式激光測振儀接收到的波形，其幅值表示接收到的信號(hào)強(qiáng)度，測振儀出射的激光頻率為40MHz，在經(jīng)過物體表面反射后，根據(jù)被測物的振動(dòng)速度接收到的光頻會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，再通過解調(diào)系統(tǒng)便可以得出物體的振動(dòng)參數(shù)。

6結(jié)論

通過對聚焦掃描系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套完整的用于激光測振的聚焦掃描系統(tǒng);設(shè)計(jì)了系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)架，通過預(yù)留尺寸和手動(dòng)調(diào)整保證光路在經(jīng)過聚焦系統(tǒng)時(shí)的直線度，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。本文設(shè)計(jì)的聚焦掃描系統(tǒng)成本低、操作簡便，能夠改變?nèi)肷錅y振光光線的角度并聚焦，具有很好的實(shí)用性。

作者：婁鑫鑫李華豐單位：中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室