[其他]測量固體表面速度變化的光干涉儀

無效

• 申請號: 85104475
• 申請日: 1985-06-07
• 公開（公告）號: CN85104475B
• 公開（公告）日: 1988-09-21
• 發明（設計）人: 張仲先
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S17/58
• 分類號: G01S17/58
• 代理公司: 浙江大學專利代理事務所
• 代理人: 陳禎祥

本發明屬于測量表面速度變化的儀器。

金屬片在爆炸時的表面速度，大功率超聲設備振子振動速度，空氣炮靶運動速度等均需精確測量。目前已研制成功的測量固體表面運動速度變化的光干涉方法主要有：

1.零差干涉測速法

干涉系統將光源發出的光分成參考光束和測量光束。參考光束射向固定參考鏡，經反射，光頻率保持不變，測量光束射向運動表面，經反射，光頻率產生多普勒頻移，兩束光干涉后產生拍頻信號。由信號檢測系統解調而求出物體表面運動速度的變化。此法檢測速度變化的范圍受光電探測器頻率響應、信號檢測系統頻響的限制。以He-Ne激光器為光源時，能探測的速度變化一般不超過3m/s，以CO₂激光器為光源時，不超過60m/s。能測量的速度變化范圍小。

2.外差干涉測速法

外差干涉測速法是零差法的改進。采用光頻調制技術（聲光、磁光、電光等方法），將一束頻率穩定的激光變成兩束具有固定頻率差的激光束，並分別用作參考光和測量光。干涉后得出載在固定頻率差之上的多普勒頻移信號。由于它是外差檢測技術，所以既可測漫反射表面速度變化，又可測速度變化正、負方向，但它測速度變化的范圍與零差法完全相同，因此用He-Ne激光器為光源時，一般只能測量小于3m/s的速度變化。

速度干涉儀

運動物體表面被光源直接照射，由于光學多普勒效應，使反射光或散射光的頻率（或波長）隨速度而變化。用兩臂長度不等的馬赫干涉儀接收反射或散射光，通過干涉條紋的變化便可求出表面速度的變化。由于它實質上是將干涉儀作高鑒別率光譜儀用，而干涉儀兩臂又不能做得很長，且過長將使光程差太大而降低干涉條紋對比度。因此此法限于測很大的速度變化，一般V＞200m/s-1000m/s。對光源的單色性和測量環境的穩定性要求很高。

4.多光束干涉測速法

此法與速度干涉儀法基本相同，只是利用法卜里-珀羅干涉儀代替馬赫干涉儀。缺點與速度干涉儀法相同。

5.差動激光多普勒干涉儀測速法

兩束頻率相同的激光同時以不同角度θ₁與θ₂射向運動表面，其反射或散射光由θ₃方向上的光電探測器接收。經干涉取出兩束光在θ₃方向上多普勒頻移之差，從而求出運動表面的速度。也可將θ₃方向作為入射方向，由光電探測器接收θ₁與θ₂方向的散射光，經干涉取出運動表面的速度變化。此法需要精確地調整及測定所有的方向角θ，且由于光路已固定，因此表面位移只能很小。測量對象限于大速度，小位移變化。

綜上所述，已有技術未能解決的問題有：

（1）不能用同一種方法測量3m/s-1000m/s速度變化，通用性差;

（2）對光源的單色性要求很高，所以只能用激光器作光源，成本高;

（3）對測量環境要求高，使用不便。

針對上述問題，本發明的任務是設計一種測量范圍大（能測3m/s-1000m/s的速度變化），通用性好，對光源單色性要求低，（可用白光光源加干涉濾光片或普通單色光源），成本低廉，使用方便。對測量環境要求不高的測量固體表面速度變化的光干涉儀。

本發明的中心內容是在所設計的干涉儀中設置兩條長短相差很大的光路系統。由光源發出的光經此兩條光路系統先后射到物體表面，時間差可視為固定值τ。且兩條光束的偏振態由偏振分光鏡和1/4波片的作用，分別為左旋園偏振光和右旋園偏振光。它們從固體表面反射回干涉系統時，又經過1/4波片和偏振分光鏡，于是由長光路系統入射至表面的光束，經短光路系統返回，到達光電探測器，而由短光路系統入射的光束則經長光路系統到達光電探測器，于是消除了入射至表面時產生的時間差，實現了近似等光程干涉。干涉的拍頻信號由光電探測器接收，經放大器送至瞬變分析儀或數字頻率計，由微處理機給出速度變化值。對正弦振動表面，還可用頻率比記數法測速，即由數字頻率計接收振動信號發生器的頻率與放大器輸出的光電信號頻率，經頻率比運算，由微處理機給出速度值。

附圖說明：

圖1、干涉儀主要部件方框圖

圖2、干涉系統〔3〕的主要部件圖

參照附圖說明本發明的實施例。