齿轮箱的振动信号当中包含齿轮运转过程中的所有特征信息,通过采集分析振动信号即可掌握设备当前运转状态。采集齿轮箱振动信号的方法有很多,利用激光自混合干涉原理实现的非接触式测量手段具有极其独特的优势:一是该方法能采集到齿轮箱故障早期的特征信号,以便及时采取对应措施;二是该方法在测量过程中无需破坏齿轮箱箱体表面即可得到检测所需的特征信息;三是相比于安装加速度传感器,该方法对箱体附着的反光镜片产生的影响很微小,可忽略不计。在实验过程中,人为制作行星轮磨损故障并采集故障特征信号,然后使用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)信号处理方法对采集到的行星轮的故障振动信号进行提取,并分析HHT所得到的各阶固有模态函数(IMF)分量以及希尔伯特谱。从希尔伯特谱中能够分析得出齿轮磨损故障的周期,所得结果与理论值对比吻合良好,说明该方法能够有效地检测齿轮箱振动故障。
仪器、测量与计量 振动信号 故障诊断 自混合干涉技术 希尔伯特-黄变换 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2312002
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
基于自混合干涉效应的太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)相干测量系统是一种极其灵敏的传感系统。相比于传统的激光测速技术, 自混合干涉具有光路自准直、无需额外光电探测器和混频器等优势, 使系统的结构更加紧凑;而且, 使用太赫兹波进行相干测量, 有望提升测速上限。本文采用 THz-QCL的自混合干涉技术, 研究了系统对于两独立运动目标物的非线性动力学响应特性, 给出了自混合信号的多普勒频谱, 并通过频谱分析, 获得了两目标物的运动速率及方向。研究结果证实了利用 THz-QCL自混合干涉系统对目标物进行运动传感的可行性, 为高速运动的多目标物测速提供了新的技术手段。
量子级联激光器 自混合干涉 太赫兹 激光多普勒测速 Quantum Cascade Laser Self-Mixing interference terahertz laser Doppler velocimetry 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(10): 985
1 暨南大学理工学院光电工程系,广东 广州 510650
2 广东交通职业技术学院信息学院,广东 广州 510650
3 暨南大学华文学院,广东 广州 510650
激光自混合干涉在测量时容易受到噪声的干扰,从而影响测量的精度和稳定度。为此,在利用双光反馈提高自混合干涉信号信噪比的基础上,结合随机偏振激光自混合干涉双偏振差分探测技术,进一步降低系统噪声。实验结果表明,双光反馈与双偏振差分结合使用,可将自混合干涉信号的信噪比提高7 dB。因此,所提方法和技术在自混合干涉测量中具有良好的应用价值。
物理光学 自混合干涉 双光反馈 双偏振 差分降噪 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1126001
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
在激光扫频干涉测距过程中,目标振动在测距干涉信号中引入了多普勒频移,造成信号频谱展宽,导致了测距误差放大效应。为了降低振动对测距结果的影响,提出了基于激光自混合测振的测距误差补偿方法,通过同步测量自混合干涉信号的相位变化,补偿目标振动对测距干涉信号的相位调制,并采用频率重采样法校正激光器的调频非线性。最终通过仿真和实验验证了所提方法的可行性。在实验中,当测量的目标振幅为7102.1 nm时,测振标准差为7.9 nm,补偿前的测距标准差为3270.6 μm,补偿后的测距标准差降低到21.4 μm。补偿后的测距标准差接近无振动情况下的测距标准差,表明目标振动引发的测距误差放大问题得到了有效解决。
测量 激光扫频干涉测距 激光自混合干涉 目标振动补偿 频率重采样 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1112005
天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
基于激光自混合干涉的振动重构方法需估算光反馈水平因子以及线宽增强因子,目标振动导致光反馈水平变化,引入较大的测量误差。为提高测振精度和鲁棒性,本文提出一种基于自混合干涉调频特性的振动重构算法,利用全光纤马赫-曾德尔干涉仪获得自混合干涉调频信号,解算出激光器的瞬时频率,并联合调幅信号相位实现对目标振动信息重构。该方法无需估算光反馈水平因子以及线宽增强因子,极大地简化了测量光路与解算模型,在保证测量精度的同时降低了振动信息提取过程的复杂性。数值仿真表明,在适度光反馈的条件下,该算法在振幅为2~100 μm的测量范围内具有良好的线性度。实验结果显示,在1.6~8.3 μm的测量范围内,重复测量标准差低于15 nm,非线性误差为0.78%。
测量 自混合干涉 振动测量 调频特性 马赫-曾德尔干涉 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0712001
安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
激光自混合干涉技术具有灵敏度高、易准直、可以实现非接触测量等优点。基于多纵模激光自混合干涉系统中自混合信号波形随外腔长度发生周期性变化的物理现象, 提出一种利用三纵模激光自混合振动传感系统测量激光器自由光谱范围 (FSR) 的新方案。结合干涉混频理论和三镜腔理论, 首次建立了三纵模激光自混合振动传感系统测量激光器 FSR 的理论模型并进行了仿真模拟。实验结果表明尾纤半导体激光器 FSR 受外部环境影响, 其变化范围为 163.93 ~ 175.64 GHz, 对应测量系统的位移分辨率和频率分辨率分别为 0.01 mm 和 1.91 GHz。所研究的激光器 FSR 测量系统具备分辨率高、系统紧凑、成本低廉等优势, 可适用于不同类型激光器自由光谱范围测量。
激光技术 激光自混合干涉技术 自由光谱范围 振动信号 波形分立 三纵模 laser techniques laser self-mixing technique free spectral range vibration signal waveform separation three-longitudinal mode
南京师范大学物理科学与技术学院,江苏省光电技术重点实验室,江苏 南京 210023
研究了一种新的基于激光器结电压测量的自混合干涉传感技术,通过测量激光二极管结电压的变化来获得激光自混合干涉信号。传统的自混合干涉技术通常通过测量外置或内置光电探测器的光电流来获得激光自混合干涉信号。本文通过测量垂直腔面发射激光器的PN结电压来获得激光自混合干涉信号,简化了自混合干涉系统的结构并提高了系统的可靠性。本文还评估了该系统的信噪比,比较了激光二极管的结电压信号与内置光电探测器的光电流信号,结果发现两者一致。
测量 自混合干涉 垂直腔面发射激光器 结电压 传感技术 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 231203
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 北京市激光应用技术工程技术研究中心, 北京 100124
提出了一种结构简单、易准直、能探测单个微纳颗粒的激光自混合干涉(SMI)探测方法。建立了单个颗粒产生的激光SMI信号模型,理论分析了干涉信号的特征,搭建了微流控颗粒探测系统。采用自主开发的LabVIEW程序进行聚苯乙烯颗粒的探测实验和信号采集,并从时域和频域两方面分析了单个粒子的直径。结果表明,本方法能有效探测和区分直径为0.5~10 μm范围内的聚苯乙烯微球颗粒。
激光自混合干涉 微流控芯片 微纳颗粒 光学探测 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 192803