激光测速方法和测速装置

摘要

本发明涉及测量技术领域，提供了一种激光测速方法和测速装置。通过当接收到处理模块发送的启动指令时，激光收发模块发射激光；激光与激光的反射光在激光收发模块中形成干涉光信号；信号采集模块通过检测激光收发模块中的干涉光信号，得到采集电信号；处理模块对信号采集模块中的采集电信号进行处理，得到干涉频率，然后根据干涉频率和速度与干涉频率的匹配关系，得到干涉频率对应的速度，根据速度和夹角得到被测运动物体的运动速度。根据激光与反射光形的干涉光信号得到被测运动物体的运动信息，并进行光电信号转换，对电信号进行处理，得到干涉频率，基于匹配关系和夹角，得到被测运动物体的速度，从而提高了测量的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体而言，涉及一种激光测速方法和测速装置。

背景技术

转速的测量一直是工业领域的重要技术，目前测量转速的方法有模拟测速法如离心式转速表、同步测速法如机械式或者闪光式频闪测速仪、还有计数测速法。计数测速法包括机械式定时计数法和电子式定时计数法。而这些测速方法通常都是对多个周期的转速进行累计和平均，无法测量瞬时速度且测量精度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光测速方法和测速装置。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种激光测速方法，应用于测速装置，所述测速装置包括处理模块、激光收发模块和信号采集模块，所述处理模块分别与所述激光收发模块和所述信号采集模块电连接，所述激光收发模块与所述信号采集模块电连接；所述方法包括：

所述激光收发模块的光轴与被测运动物体的运动方向存在夹角，所述夹角为锐角或钝角；所述被测运动物体绕运动轴转动；

当接收到所述处理模块发送的启动指令时，所述激光收发模块发射激光；

所述信号采集模块通过检测所述激光收发模块中的干涉光信号，获得采集电信号；所述干涉光信号为所述激光与所述激光的反射光在所述激光收发模块中形成的干涉光信号；

所述处理模块对所述信号采集模块中的采集电信号进行处理，得到所述采集电信号对应的干涉频率；

所述处理模块根据速度与干涉频率的匹配关系和所述干涉频率，得到与所述干涉频率对应的速度；所述速度表征所述被测运动物体在光轴方向上的速度分量；

所述处理模块根据所述速度与所述夹角，得到所述被测运动物体的运动速度。

在可选的实施方式中，在所述处理模块根据速度与干涉频率的匹配关系和所述干涉频率，得到与所述干涉频率对应的速度的步骤之前，所述方法还包括：

当所述处理模块获得每一个预设速度时，得到所述预设速度对应的匹配频率；

所述处理模块根据获得的多个预设速度和所述多个预设速度各自对应的匹配频率，建立所述速度与干涉频率的匹配关系。

在可选的实施方式中，所述当所述处理模块获得每一个预设速度时，得到所述预设速度对应的匹配频率的步骤，包括：

当所述处理模块获得每一个预设速度时，所述处理模块控制所述激光收发模块发射测试激光；

所述信号采集模块通过检测所述激光收发模块中的测试光信号，获得测试电信号；所述测试光信号为所述测试激光与所述测试激光的反射光形成的光信号；

所述处理模块对所述测试电信号进行处理，当所述测试电信号满足预设信噪比时，得到所述预设速度的对应的匹配频率。

在可选的实施方式中，所述方法还包括：

当所述测试电信号不满足预设信噪比时，所述处理模块发送调节指令；

当收到所述处理模块发送的调节指令时，所述激光收发模块调整所述测试激光的光功率，以使所述测试电信号满足所述预设信噪比。

在可选的实施方式中，当收到所述处理模块发送的调节指令时，所述激光收发模块调整所述测试激光的光功率，以使所述测试电信号满足所述预设信噪比的步骤，包括：

当所述测试电信号的信噪比小于所述预设信噪比时，所述信号采集模块增大所述测试激光的光功率。

第二方面，本发明提供一种测速装置，所述装置包括处理模块、激光收发模块和信号采集模块，所述处理模块分别与所述激光收发模块和所述信号采集模块电连接，所述激光收发模块与所述信号采集模块电连接；

所述激光收发模块用于当接收到所述处理模块发送的启动指令时，发射激光；

所述信号采集模块用于通过检测所述激光收发模块中的干涉光信号，获得采集电信号；所述干涉光信号为所述激光与所述激光的反射光在所述激光收发模块中形成的干涉光信号；

所述处理模块用于对所述信号采集模块中的采集电信号进行处理，得到所述采集电信号的对应的干涉频率；根据速度与干涉频率的匹配关系和所述干涉频率，得到与所述干涉频率对应的速度。

在可选的实施方式中，所述处理模块还用于：

当获得每一个预设速度时，得到所述预设速度对应的匹配频率；

根据获得的多个预设速度和所述多个预设速度各自对应的匹配频率，建立所述速度与干涉频率的匹配关系。

在可选的实施方式中，所述激光收发模块包括驱动单元和半导体激光单元，所述驱动单元与所述半导体激光单元电连接，所述驱动单元与所述处理模块电连接；

所述驱动单元用于控制激光的光功率；

所述半导体激光单元用于发射激光。

在可选的实施方式中，所述信号采集模块包括光电探测单元、信号放大单元和采集单元，所述光电探测单元、信号放大单元和采集单元依次电连接；

所述光电探测单元用于将检测到的干涉光信号转为电信号；

所述信号放大单元用于对所述光电探测单元中的电信号进行放大；

所述采集单元用于对所述信号放大单元中放大后的电信号进行采集，获得采集电信号。

在可选的实施方式中，所述装置还包括聚焦模块；

所述聚焦模块用于对所述激光收发模块中的激光聚焦。

本发明实施例提供的激光测速放方法及测速装置。通过当接收到处理模块发送的启动指令时，激光收发模块发射激光；激光与激光的反射光在激光收发模块中形成干涉光信号；信号采集模块通过检测激光收发模块中的干涉光信号，得到采集电信号；处理模块对信号采集模块中的采集电信号进行处理，得到干涉频率，然后根据干涉频率和速度与干涉频率的匹配关系，得到干涉频率对应的速度，根据速度和夹角得到被测运动物体的运动速度。根据激光与反射光形的干涉光信号得到被测运动物体的运动信息，并进行光电信号转换，对电信号进行处理，得到干涉频率，基于匹配关系和夹角，得到被测运动物体的速度，从而提高了测量的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种测速装置的方框示意图；

图2示出了本发明实施例提供的激光测速方法的一个示例图；

图3示出了本发明实施例提供的激光测速方法的一种流程示意图；

图4示出了本发明实施例提供的激光测速方法的另一种流程示意图；

图5示出了本发明实施例提供的激光测速方法的另一个示例图；

图6示出了本发明实施例提供的激光测速方法的另一个示例图；

图7示出了本发明实施例提供的激光测速方法的另一种流程示意图；

图8示出了本发明实施例提供的激光测速方法的另一个示例图；

图9示出了本发明实施例提供的另一种测速装置的方框示意图。

图标：100-测速装置；110-处理模块；130-激光收发模块；150-信号采集模块；170-聚焦模块；131-驱动单元；133-半导体激光单元；135-直流电源；151-光电探测单元；153-信号放大单元；155-采集单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在现有技术中，转速的测量通常是采用基于多个周期的转速累加求平均值的方法，但在一些测量精度要求较高的情况下，采用这样的方法则无法满足实际的需求。而随着激光的技术的快速发展，激光器被广泛应用于各个工业领域。由于激光具有良好的光学特性，很适用于高精度的测量领域。由此，本发明基于激光的良好的相干性，提供了一种测速装置。

如图1所示，是本发明实施例提供的是一种测速装置的方框示意图。速装置100包括处理模块110、激光收发模块130和信号采集模块150。处理模块110分别与激光收发模块130和信号采集模块150电连接，激光收发模块130和信号采集模块150电连接。

其中，激光收发模块130用于发射激光，当发射出去的激光经过反射后形成反射光，反射光进入到激光收发模块130与原来的激光发生了干涉形成了干涉光信号，也就是自混合干涉(Self-mixing Interference，SMI)。

信号采集模块150用于将光信号转换为电信号，并对电信号进行过滤、去噪、放大和采集记录。

处理模块110用于发出指令，控制激光收发模块130和信号采集模块150工作，还用于对信号采集模块150输出的电信号进行处理运算。

可以理解的是，在对物体进行测量时，可以使用聚焦模块170对激光收发模块130发出的激光进行聚焦，集中激光的能量，降低损耗。因此，测速装置100还可以包括聚焦模块170。

本领域技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对测速装置100的结构造成限定。测速装置100还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。

下面将以上述图1中测速装置为执行主体，实现本申请实施例提供的激光测速方法的各个步骤。

请参照图2，是本申请实施例提供的一个示例图。图2中的(a1)为侧视角度的示例图，其中，A表示被测运动物体，Y表示被测运动物体的运动轴，X表示激光收发模块的光轴，M表示激光收发模块发射的激光，N表示激光M的反射光，F表示聚焦模块的焦点。光轴X通过焦点F；被测运动物体A围绕运动轴Y进行逆时针转动。

图2中的(a2)是被测运动物A体的俯视角度图。其中，S表示光轴X与被测运动物体表面的交点；v表示交点的速度；被测运动物体的运动方向即交点处的速度方向，r表示光轴X与被测运动物体的运动方向的夹角。

下面请结合图2和图3，对本发明实施例提供的激光测速方法进行介绍。图3是本发明实施例提供的一种激光测速方法的流程示意图。

步骤S202，当接收到处理模块发送的启动指令时，激光收发模块发射激光；

其中，启动指令为开始测量的指令。

处理模块将启动指令发送给激光收发模块，激光收发模块接收到启动指令后，发射出激光M；聚焦模块对激光M进行聚焦，激光M照射到被测运动物体A上，发生反射，形成了反射光N。

反射光N沿激光M的光路返回，经过聚焦模块进入到激光收发模块，根据自混合干涉原理，在激光收发模块中形成了激光M和反射光N的干涉光信号。

可选地，当被测运动物体形成的反射光较弱时，可以在被测运动物体的表面设置反射材料，以增大反射强度，得到较强的反射光，形成良好的干涉光信号。可以选择对激光波长的反射率为3％-100％的反射材料。

可选地，当被测运动物体与激光不能有效接触时，如表面积较小时，形成的反射光较弱，可以使用连接轴和反射物体。反射物体是具有较好反射效果的圆柱形物体。可以采用连接轴将反射物体和被测运动物体进行连接，使反射物体与被测运动物体实现同轴转动。让激光照射到反射物体上，形成良好的反射光。

步骤S204，信号采集模块通过检测激光收发模块中的干涉光信号，获得采集电信号；

其中，干涉光信号为激光M与激光的反射光N形成的光信号。

信号采集模块探测到干涉光信号，将干涉光信号转换为电信号，由于直接将光信号转换为的电信号比较微弱，需要对这个电信号进行过滤，去除部分的噪声信号，并且进行放大，增大电信号的强度和信噪比，然后对增强后的电信号进行采集记录，将采集后的电信号传输给处理模块。

步骤S206，处理模块对信号采集模块中的采集电信号进行处理，得到采集电信号对应的干涉频率；

采集后的电信号的为时域信号，处理模块对时域信号进行傅里叶变换，转换为频域信号，根据频域信号可以计算出频率，就可以得到采集电信号的干涉频率。

步骤S208，处理模块根据速度与干涉频率的匹配关系和干涉频率，得到与干涉频率对应的速度；

其中，匹配关系是预先得到的速度与干涉频率，可以是一张关系表，也可以是一个函数关系等。

处理模块得到干涉频率后，根据匹配关系，可以计算出对应的速度。

步骤S210，处理模块根据速度与夹角，得到被测运动物体的运动速度；

可以理解的是，如果将交点S处的速度以光轴X为一边，进行正交分解。在光轴X上会得到一个速度分量，这个速度分量的方向与被测运动物体A运动的运动方向夹角为r。

处理模块根据干涉频率计算得到的速度，就是这个速度分量。根据夹角为r和这个速度分量可以得到被测运动物体的运动速度。

可以理解的是，只要被测运动物体的运动方向与光轴存在夹角，且夹角为锐角或者钝角时，那么被测运动物体的速度在光轴上就存在分量，那么就可以根据夹角，得到被测运动物体的实际速度。

可以理解的是，当被测运动物体相对于测速装置发生位移移动时，只要被测运动物体的运动方向与光轴存在夹角，夹角为钝角或者锐角，即不是直角时，被测运动物体的在光轴上就存在速度分量，那么也可以测量出被测运动物体的运动速度。

通过上述步骤，当接收到处理模块发送的启动指令时，激光收发模块发射激光；激光与激光的反射光在激光收发模块中形成干涉光信号；信号采集模块通过检测激光收发模块中的干涉光信号，得到采集电信号；处理模块对信号采集模块中的采集电信号进行处理，得到干涉频率，然后根据干涉频率和速度与干涉频率的匹配关系，得到干涉频率对应的速度，根据速度和夹角得到被测运动物体的运动速度。根据激光与反射光形的干涉光信号得到被测运动物体的运动信息，并进行光电信号转换，对电信号进行处理，得到干涉频率，基于匹配关系和夹角，得到被测运动物体的速度，从而提高了测量的精度。

在上述步骤S208中，干涉频率与速度存在一个匹配关系。这个匹配关系可以理解为是测量前的定标与校准，本发明实施例提供了一种获得干涉频率与速度匹配关系可能实现的方式。请参阅图4，下面将对获得干涉频率与速度匹配关系的步骤进行介绍。

步骤S212，当处理模块获得每一个预设速度时，得到预设速度对应的匹配频率；

步骤S214，处理模块根据获得的多个预设速度和所述多个预设速度各自对应的匹配频率，建立速度与干涉频率的匹配关系。

可以理解的是，可以预先设置一个测试物体，这个测试物体具有良好的反射效果。预设速度就是预先设置的测试物体转动的速度。

通过电机带动测试物体按照多个预先设置的速度进行转动，如速度u1，u2，u3和u4；当处理模块得到一个预设速度如u1时，发送启动指令；测速装置启动，可以测试出预设速度u1对应的匹配频率f1，然后分别根据u2，u3和u4分别得到对应的匹配频率f2，f3和f4。

再根据预设速度u1，u2，u3和u4与对应的匹配频率f1，f2，f3和f4，进行线性拟合，可以得到一个函数关系，这个函数关系就是速度与干涉频率的匹配关系。如图5所示，是本发明实施例提供的线性拟合图，横坐标表示速度值，纵坐标表示频率值，根据线性拟合可以得到速度与干涉频率的函数关系。

下面请结合图6和图7，将上述步骤中的根据一个预设速度得到其对应的匹配频率进行介绍。

请参阅图6，是本申请实施例提供的一个示例图。图6中的(b1)为侧视角度的示例图，其中，B表示测试物体，Z表示测试物体的运动轴，X表示激光收发模块的光轴，O表示激光收发模块发射的测试激光，P表示激光O的反射光，F表示聚焦模块的焦点。光轴X通过焦点F；测试物体B围绕运动轴Z进行顺时针转动。

图6中的(b2)是测试物体B的俯视角度图。其中，W表示光轴X与测试物体表面的交点；u表示交点处的速度；测试动物体的运动方向即交点处的速度方向，t表示光轴X与测试物体的运动方向的夹角，为45°。

请参阅图7，步骤S212-1，当处理模块获得每一个预设速度时，处理模块控制激光收发模块发射测试激光；

处理模块得到预设速度时，发送启动指令至激光收发模块，激光收发模块发射出测试激光O，聚焦模块对测试激光O进行聚焦，测试激光O照射到测试物体B上，发生反射，形成了反射光P。

反射光P沿测试激光O的光路返回，经过聚焦模块进入到激光收发模块，根据自混合干涉原理，在激光收发模块中形成了测试激光O和反射光P的测试光信号。

步骤S212-3，信号采集模块通过检测激光收发模块中的测试光信号，获得测试电信号；

信号采集模块探测到测试光信号，将测试光信号转换为电信号，并且对电信号进行放大和采集记录，得到测试电信号，将采集后的测试电信号传输给处理模块。

步骤S212-5，处理模块对测试电信号进行处理，当测试电信号满足预设信噪比时，得到预设速度的对应的匹配频率；

预设信噪比是预先设置的信噪比，可以理解为是一个临界值。

采集后的电信号的为时域信号，处理模块对时域信号进行傅里叶变换，转换为频域信号，可以得到不同频率信号的强度分布图；通过对信号进行平滑和滤波，并且进行全频域扫描，得到最强的频谱波峰即幅度最大的波峰，随后采用高斯函数拟合频谱波峰，根据拟合后的波峰获得峰值频率。

根据这个频率计算信噪比，当信噪比等于或者大于预设信噪比时，这个频率就是预设速度对应的匹配频率。

如图8所示，是本发明实施例提供的一个频率信号的强度分布图。横坐标表示频率值，纵坐标表示幅度值即电压值，虚线区域内为幅度最大的波峰，波峰对应的频率为f0，该频率的信噪比在预设信噪比范围内，频率f0是预设速度对应的匹配频率。

在实际测量中，存在很多测量因素，可能会出现测试电信号的信噪比不满足预设信噪比的情况，这种情况下得到的频率是不准确的，进而本发明实施例所提供的方法还包括以下步骤。

步骤S212-7，当测试电信号不满足预设信噪比时，处理模块发送调节指令；

步骤S212-9，当收到处理模块发送的调节指令时，激光收发模块调整测试激光的光功率。

当测试电信号不满足预设信噪比时，有可能是测试电信号较弱。处理模块可以将得到的信噪比与预设信噪比进行比较，然后通过控制激光收发模块来调节测试激光的光功率，使测试电信号的信噪比满足预设信噪比。

当小于预设信噪比时，说明测试电信号较弱，处理模块发送调节指令给激光收发模块，可选地，调节指令中包括调节参数，当激光收发模块收到调节指令后，根据调节参数增大测试激光的功率。

根据调节后的测试激光，得到调节后的干涉频率，计算调节后的干涉频率的信噪比是否等于或者大于预设信噪比，若小于预设信噪比，则处理模块再次发送调节指令，再调节测试激光的功率，进行多次的调节后，当干涉频率的信噪比等于或者大于预设信噪比时，表示此时得到的干涉频率就是匹配频率，则不需要再进行调整。

本发明实施例还提供一种测速装置。该测速装置可以采用上述图1所示的器件结构，可以执行上述步骤，以实现本发明实施例揭示的激光测速方法。需要说明的是，本发明实施例提供的测速装置，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，在此不再赘述，可参考上述的实施例中相应内容。该测速装置100包括：处理模块110、激光收发模块130、信号采集模块150和聚焦模块170。

激光收发模块130用于当接收到处理模块发送的启动指令时，发射激光；

信号采集模块150用于通过检测激光收发模块中的干涉光信号，获得采集电信号；干涉光信号为激光与激光的反射光形成的光信号；

处理模块110用于对信号采集模块中的采集电信号进行处理，得到采集电信号的对应的干涉频率；根据速度与干涉频率的匹配关系和干涉频率，得到与干涉频率对应的速度；

聚焦模块170用于对所述激光收发模块中的激光聚焦。

可选地，处理模块110还用于：当获得每一个预设速度时，得到预设速度对应的匹配频率；根据获得的多个预设速度和多个预设速度各自对应的匹配频率，建立速度与干涉频率的匹配关系。

请参照图9，是本发明实施例提供的是另一种测速装置的方框示意图。测速装置100包括处理模块110、激光收发模块130、信号采集模块150和聚焦模块170。

其中，激光收发模块130包括驱动单元131和半导体激光单元133，还可以包括直流电源135，驱动单元131、半导体激光单元133和直流电源135依次电连接。

直流电源135用于给驱动单元131提供电能；

半导体激光单元133用于发射激光；

驱动单元131用于控制激光的光功率。

可选地，半导体激光单元133的激光的波长可以为850nm，940nm，1380nm等，驱动单元131控制的光功率范围可以为0.1mW至100mW。

由于气体激光器，其结构复杂，体积较大，不便于携带。本发明实施例的半导体激光单元133采用的是半导体激光器，半导体激光器具有制造简单、易量产、成本低、波长覆盖范围广、体积小、寿命长、能耗低、电光转换效率高等优点。如垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)，一种激光垂直于顶面的半导体。

可以理解的是，驱动单元131与处理模块110电连接，接收到处理模块110指令后，驱动单元131通过控制电流值的大小，来控制半导体激光单元133所发射的激光的光功率。

可以理解的是，半导体激光单元133发射的激光与激光的反射光在半导体激光单元133的谐振腔内发生自混合干涉，形成了干涉光信号。

信号采集模块150包括光电探测单元151、信号放大单元153和采集单元155。所述光电探测单元151、信号放大单元153和采集单元155依次电连接。

光电探测单元151用于将检测到的干涉光信号转为电信号；

信号放大单元153用于对光电探测单元中的电信号进行放大；

采集单元155用于对信号放大单元中放大后的电信号进行采集，获得采集电信号。

可选地，光电探测单元151可以与半导体激光单元133连接，将检测到的干涉光信号转为电信号。

采集单元155可以是ADC采集卡或者示波器。

综上所述，本发明提供了一种激光测速方法和测速装置。通过测速装置发射激光得到反射光，利用自混合相干原理得到激光与反射光的干涉光信号；将干涉光信号转换为采集电信号；对采集电信号进行处理，得到干涉频率；根据匹配关系，得到干涉频率对应的速度，从而得到测试物体的速度，达到了提高测量精度的技术效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。