激光干涉原理在振動測量中的應(yīng)用

曹 勇 熊 偉 沈 斌 王 飛

摘 要:通過闡述激光干涉基本原理,研究激光干涉在振動測量中的應(yīng)用。詳細(xì)分析時間平均全息方法、激光散斑干涉技術(shù)、激光多普勒測振技術(shù),比較了各自的優(yōu)缺點,并提出改善激光測振精度的關(guān)鍵問題,指出激光測振技術(shù)目前亟待解決的問題和今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:激光干涉;時間平均全息方法;激光電子散斑;激光多普勒

中圖分類號:TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-210-03

Application of Laser Interferometer Principle in Measurement of Vibration

CAO Yong,XIONG Wei,SHEN Bin,WANG Fei

(Academy of Armored Force Engineering,Beijing,100072,China)

Abstract:The basic principle of laser interferometer is introduced,the application of laser interfermeter principle in measurement of vibration are studied.The holograph of average time,the laser ESPI and the laser Doppler vibration measurement are analyzed briefly and their advantages and disadvantages are compared.Then the key problems of improving precisions of vibration measurement are put forward.The key problem and developing trend of laser vibration measurement are pointed.

Keywords:laser interferometer;holograph of average time;laser ESPI;laser Doppler

0 引 言

振動量值的計量是計量科學(xué)中一個非常重要的方面。在現(xiàn)實中,描述振動特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的測振技術(shù)是接觸式測量。在測量物體上安裝加速度傳感器,利用加速度傳感器的電荷輸出信號實現(xiàn)加速度-速度-位移的相關(guān)測量[1]。如果測量較小物體的振動,附加的傳感器質(zhì)量往往影響被測物體的振動,從而產(chǎn)生測量誤差;而且一些工作場合因被測物體表面影響或是測量條件的限制往往不允許在被測物體表面安裝測振傳感器。因此設(shè)計和開發(fā)新型的非接觸式、高精度、實時性的測振技術(shù)一直是工程科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中的重要任務(wù)。

由于激光的方向性、單色性和相干性好等特性,使激光測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種軍事目標(biāo)的測量和精密民用測量中,尤其是在測量各種微弱振動、目標(biāo)運(yùn)動的速度及其微小的變化等方面[2]。

1 激光干涉測振原理

激光干涉測振技術(shù)[3]是以激光干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測試的一門技術(shù),測試靈敏度和準(zhǔn)確度高,絕大部分都是非接觸式的。激光干涉原理如圖1所示。

光源S處發(fā)出的頻率為f、波長為λ的激光束一部分投射到記錄介質(zhì)H(比如全息干板)上,光波的復(fù)振幅記為E1,另一部分經(jīng)物體O表面反射后投射到記錄介質(zhì)H上,光波的復(fù)振幅記為E2。其中:

E1=A1cos(2πft+σ1)

(1)

E2=A2cos(2πft+σ2)

(2)

式中:A1和 A2分別為光波的振幅;σ1和σ2分別是光波的位相;當(dāng)E1和 E2滿足相干條件時,其光波的合成復(fù)振幅E為:

E=E1+E2=A1cos(2πft+σ1)+A2cos(2πft+σ2)

(3)

圖1 激光干涉原理

光強(qiáng)分布I為:

I=E2=A21cos2(2πft+σ1)+A22cos2(2πft+σ2)+

2A1A2cos(2πft+σ1)cos(2πft+σ2)

=A21cos2(2πft+σ1)+A22cos2(2πft+σ2)+

A1A2cos(4πft+σ1+σ2)+A1A2cos(σ1-σ2)

(4)

式(4)的四項中前三項均為高頻分量,只有第四項為低頻分量,且與物體表面的狀態(tài)有關(guān)。第四項的含義是σ2代表的物體表面與σ1代表的參考面之間的相對變化量。因此通過處理和分析物體表面與參考在變形前后的位相變化、光強(qiáng)變化等,從而得到被測物體振動速度、位移等關(guān)系式[4]。

2 激光干涉測振方法分析

激光干涉測振主要的方法有:時間平均全息方法、激光散斑干涉技術(shù)、激光多普勒測振技術(shù)等。

2.1 時間平均全息方法

對于在某一穩(wěn)定頻率下作簡諧振動的物體,用連續(xù)激光照射,并在比振動周期長得多的時間內(nèi)在全息干板上曝光,可將物體表面所反射的光與未作位相調(diào)制的參考光相疊加,將兩束光的干涉圖記錄在全息干板上。其重現(xiàn)象由反映節(jié)線和等振幅線組成的干涉條紋來表示振幅分布。這就是時間平均全息方法的測振原理。其時間平均全息圖的重現(xiàn)像的光強(qiáng)度按零階貝塞爾函數(shù)的平方分布[3]。

I=KJ20(2π/λ)V(x,y)(cos θ1 + cos θ2)

(5)

式中:J0為零階貝塞爾函數(shù);V(x,y)為物體上某點的位移;θ1為振動方向和照明方向的夾角;θ2為振動方向和觀察方向的夾角。

因此,由式(5)通過分析光強(qiáng)I的變化確定V(x,y)的量值,實現(xiàn)振動位移測量,如圖2所示。

應(yīng)當(dāng)說明,如果物體振動的規(guī)律不同,條紋的強(qiáng)度分布規(guī)律也不同,但計算方法是類似的。時間平均全息方法的實驗過程簡單,節(jié)線清晰,可以檢測形狀復(fù)雜的透光物體或反射物體以及漫散射體,因此在振動分析中廣泛使用。不足之處是測量范圍小(僅幾十微米左右),對記錄信息過多,對記錄介質(zhì)的分辨率要求過高,故限制了應(yīng)用范圍[5]。

2.2 激光散斑干涉技術(shù)

激光散斑干涉是指被測物體表面的散射光產(chǎn)生的散斑與另一參考光相干涉,當(dāng)物體表面發(fā)生變化時,如位移或變形等,干涉條紋也發(fā)生變化。通過對這些干涉條紋的處理,可以得到物體表面的振動情況[6]。

散斑法光路簡單,不但可以非接觸測量,無損檢測,而且可以遙感測量。不僅用來研究物體的狀態(tài),而且可對物體作振動分析,已經(jīng)提出了多種測振方案,如時間平均法、頻閃法、雙脈沖電子散斑干涉(ESPI)法等。

散斑用于側(cè)振時,條紋與位移之間的關(guān)系較為簡單,但接收信號的強(qiáng)度由于物體的振動使散斑對比度變得很差,通常采用光學(xué)傅里葉變換濾波法,從混合的散斑圖像中提取信息,最后將處理過的散斑圖紙片放在線性衍射儀中進(jìn)行濾波,產(chǎn)生一組清晰的條紋[7]。

2.3 激光多普勒測振技術(shù)

如果一定頻率的聲波、無線電波或光波在傳播過程中,對于接收器有相對運(yùn)動時,接收器接收到的反射波的頻率會隨相對運(yùn)動的速度變化,這種現(xiàn)象叫做多普勒頻移效應(yīng)[8,9]。激光多普勒測振原理就是基于測量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻移ΔfD,進(jìn)而確定該測點的振動速度V。利用激光多普勒效應(yīng),不僅能測量固體的振動速度,而且也能測量流體的流動速度。

圖2 激光全息測振

圖3 散射多普勒頻移

如圖3所示,S為光源,頻率為f,光速為c,O為光波接收器件,P為速度為V的運(yùn)動物體,且能反射光波,當(dāng)波源和接收器保持相對靜止時,假設(shè)n是沿從光源到接收者光路上的波數(shù)或周期數(shù),則由圖3可知,在無限小的時間間隔δt中,假定P移動到P′的距離為Vδt,則在光程中周期數(shù)將減少為:

-δn=PNλ+PN′λ″

(6)

式中:PN和PN′分別是向SP和PO作的垂線;PP′為無限小;λ和λ″是散射前后的波長。式(6)可表示為:

-δn=Vδtcos θ1λ+Vδtcos θ2λ″

(7)

由于fλ=f″λ″=c,并且:

ΔfD=f″-f=-dn/dt

(8)

則:

ΔfD=Vfcos θ1c+Vf″cos θ2c

(9)

在一般情況下,不需要區(qū)分λ和λ″,這樣就得到一級近似的多普勒頻移:

ΔfD=Vfc(cos θ1+cos θ2)

(10)

接收器接收到的光波頻率為f+ΔfD,頻率偏移量為ΔfD,也稱多普勒頻率。由式(10)中被測物體速度V和多普勒頻移ΔfD的關(guān)系式,并通過測量ΔfD可以得到振動速度V的量值。

激光多普勒技術(shù)具有測量精度高,空間分辨力高,動態(tài)響應(yīng)快,非接觸測量的特點,適用于高溫、高壓、高速、放射等特殊環(huán)境中,應(yīng)用范圍廣泛。但也存在一定的缺陷,受被測體表面情況影響較大,另外光學(xué)測量頭的性能也會影響測量精度[10]。

3 改善激光測振精度的關(guān)鍵問題

在激光測振的過程中,對測量精度造成影響的外界因素有:激光束匯聚點離焦;測量系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性;激光束本身的強(qiáng)度分布;被測物體的表面效應(yīng)等[11]。

面對振動測量的低頻、高精度測量要求,必須提高激光測振儀的測量精度。改善激光測振精度的關(guān)鍵問題主要有以下幾個方面:

(1) 穩(wěn)定激光的工作環(huán)境。

保證系統(tǒng)有一個好的工作環(huán)境,特別是從保證激光頻率穩(wěn)定角度出發(fā),要保證系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度相對穩(wěn)定。

(2) 光路的設(shè)計、安裝、調(diào)試。

良好的光路設(shè)計、可以提高測量的精度,減少因光引起的測量誤差。通過正確的安裝、調(diào)試,減少因此引起的校準(zhǔn)誤差。

(3) 光電轉(zhuǎn)換接收。

通過對光電倍增管頻響的分析,對接收到的干涉條紋產(chǎn)生的電信號進(jìn)行處理,降低對光電信號的影響和電路系統(tǒng)的噪聲,提高計數(shù)的準(zhǔn)確性。

(4) 良好的隔振措施。

在分析外界振動對系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母粽?以降低外界振動對測量精度的影響。

(5) 研究新的測量方法,研究多種技術(shù)的綜合應(yīng)用,降低成本,實現(xiàn)儀器化測振系統(tǒng),開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié) 語

通過在激光測振技術(shù)研究的工作中發(fā)現(xiàn),目前激光測振技術(shù)理論上的方法雖多,但在工程應(yīng)用中較少,主要原因是干涉條紋計數(shù)的精確度、隔振系統(tǒng)性能、被測物體表面效應(yīng)、光的漫反射等影響。因此,使用電子分

頻和光學(xué)細(xì)分等方法對干涉條紋進(jìn)行細(xì)分;研究設(shè)計精確的隔振系統(tǒng);運(yùn)用快速發(fā)展的信號處理技術(shù)和光學(xué)儀

器技術(shù)提高光電轉(zhuǎn)換的信噪比,克服表面效應(yīng)和漫反射效應(yīng)的影響是今后的主要研究方向。

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作者簡介 曹 勇 男,1968年出生,山西大同人,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向為傳感器與檢測技術(shù)、智能儀器儀表。

熊 偉 男,1985年出生,內(nèi)蒙古集寧人,碩士研究生。研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。