激光测振的聚焦扫描系统设计范文

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《计测技术杂志》2015年第二期

1光路的设计

本系统中的光路需要经过聚焦系统与扫描系统，考虑到整体的美观性与光的出射位置，在聚焦系统与扫描系统中加了一块反射镜，不仅方便了光路的调试也使系统的整体布局更加合理。根据激光的走向，可以设计出反射结构的具体模型，如图2所示。激光器与反射镜之间的位置用来放置聚焦系统，此系统不会改变激光的走向。在图2所示的反射结构的光路图中，激光从激光器射出，第一个反射镜的角度可以调节，从而改变光的出射角度，使其能够经过两个电机轴的轴线位置。此部分结构的设计需要保证光线的高度，为了和单点式激光测振仪配合，设计的光线高度为47mm，与单点式激光测振仪的激光高度等高，在设计步进电机支撑座时使其垂直度在0.04mm内，以保证电机轴的水平度。

2聚焦结构的设计

本文所设计的聚焦系统聚焦范围大于等于0.3m。系统的聚焦部分由一个凹透镜和一个凸透镜组成的透镜组来构成，如图3所示。透镜1选择直径为12.7mm、焦距为－50.8mm的凹透镜;透镜2和透镜1之间的最近距离设为a，透镜2能够在导轨上移动。对于透镜移动部分的设计如图4所示。此部分依靠步进电机来实现，步进电机的转动带动与联轴器相连的丝杠转动，从而带动滑块部分做水平运动。由于滑动部分是直线移动，因此对丝杠与导轨之间的平行度要求较高，保证平行度在0.04mm内。整个聚焦部分的驱动是靠步进电机带动丝杠转动产生的，图4中深色部分为移动部分，根据丝杠的转动而移动，在动镜座当中放置所选透镜，透镜移动使焦距发生变化。

3总体结构的设计

将所应用的扫描方式和设计的聚焦结构相结合，给出了聚焦扫描系统的总体结构设计方案，如图5所示。5V的电源用于对电路进行供电，12V的电源用于对步进电机控制器进行供电，总共有三个步进电机控制器分别控制三个步进电机，步进电机依靠固定装置固定在底座上，固定装置所用材料为45号钢。本系统的总体尺寸为292mm×182mm×131mm。设计总体结构时，选择了128细分的步进电机控制器，可以使步进电机运行一步的转动角度为0.84''，在测量距离较近(小于3m)的情况下，可以看做能够对测量范围内每一点的振动进行测量。

4扫描步骤

用聚集扫描系统扫描的同时需要保证能够聚焦，因此在使用软件控制时需至少确定三个点，通过三次选择光点位置并聚焦来确定扫描平面及其平面方程。其扫描步骤如图6所示。根据三点确定平面方程并通过求解方程得到当控制光点位置的电机移动时控制焦距的电机相应移动的步数，在扫描时光点每移动一次同时调节焦距，这样能够在进行扫描的同时达到聚焦。

5实验

5.1焦距的测量图7为验证聚焦范围的装置，实验选用JDSU的He-Ne激光器，其激光束直径为3mm，近似准直光，对测定的实验结果影响微弱。在进行实验时调节透镜2的位置，当光束聚集时，用光束分析仪测量光斑直径为50μm，动镜再往任何一个方向移动光斑都会变大，根据此方法可以确定本装置的聚焦范围大于等于0.3m。

5.2扫描速度的测量本系统的扫描速度指标为20点/s。实验采用的方法是根据多次测量扫描总体时间来计算其扫描速度。多次测量的情况如表2所示。在编写的程序中设定的扫描点数为横轴和纵轴各40个点，总共一次扫描1600个点。根据表2可以得出扫描速度平均为20.3点/s，因此能够达到提出的20点/s的指标。

5.3与单点式激光测振仪配合测量本系统主要应用于单点式激光测振仪，因此需要与激光测振仪配合进行实验。图8所示为搭建的实验装置，其中主要包括单点式激光测振仪、聚焦扫描系统、示波器和反射镜。实验中用反射镜模拟被测物，把它分别放在不同距离的各个位置，在距离系统0.1，0.3，0.5m的位置进行测量，都可以得到如图9所示的波形，且经过一定的调整之后可以调节到与之接近的幅值。此即为单点式激光测振仪接收到的波形，其幅值表示接收到的信号强度，测振仪出射的激光频率为40MHz，在经过物体表面反射后，根据被测物的振动速度接收到的光频会发生相应变化，再通过解调系统便可以得出物体的振动参数。

6结论

通过对聚焦扫描系统的分析和设计，构建了一套完整的用于激光测振的聚焦扫描系统;设计了系统机械构架，通过预留尺寸和手动调整保证光路在经过聚焦系统时的直线度，并通过实验验证了该系统的可行性。本文设计的聚焦扫描系统成本低、操作简便，能够改变入射测振光光线的角度并聚焦，具有很好的实用性。

作者：娄鑫鑫李华丰单位：中航工业北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术重点实验室