漫反射式零差正交激光測振儀

劉愛東，于梅

(中國計量科學(xué)研究院，北京100029)

漫反射式零差正交激光測振儀

劉愛東，于梅

(中國計量科學(xué)研究院，北京100029)

漫反射式零差正交激光測振儀是在零差正交激光測振儀的基礎(chǔ)上研制的，測量光的傳輸采用透鏡組方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直接反射形式，即測量光聚焦在振動物體表面形成漫反射光，通過透鏡組匯聚與參考光形成干涉。該測量方法克服了傳統(tǒng)零差正交激光測振儀難調(diào)整，干涉效果長期穩(wěn)定差，對實驗環(huán)境要求高的缺點，在20 Hz～4 kHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了0.1100 m/s2的振動激光絕對法測量。同時相比外差激光測振儀，該方法還具有可降低硬件成本的優(yōu)點。

漫反射;零差正交;激光測振儀;激光絕對法;正弦逼近法

在直線振動激光絕對法測量中，傳統(tǒng)的零差正交激光測振儀測量精度高，但是對光路和測量環(huán)境要求比較嚴格，測量光的返回通常是靠平面鏡或者立體棱鏡的反射實現(xiàn)的。由于光路必須嚴格的按原路返回，才能保證良好的干涉效果，因此安裝調(diào)試困難，被測振動物體如有較大的橫向運動，或位置發(fā)生變動，測量時都會出現(xiàn)光路干涉效果不佳或者不能干涉的情況，導(dǎo)致測量結(jié)果不穩(wěn)定乃至測量不能進行。同時在外差激光測振儀中，聲光調(diào)制器部分制作成本較高，且由于外差激光測振儀輸出信號頻率較高，對于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的速率也有較高的要求。漫反射式零差正交激光測振儀的研制解決了以上問題。

1 傳統(tǒng)零差正交激光測振儀的問題

漫反射式零差正交激光測振儀是在傳統(tǒng)的零差正交激光測振儀基礎(chǔ)上進行研制的，在傳統(tǒng)的零差正交激光測振儀中，測量光的返回是通過平面鏡或者立體棱鏡實現(xiàn)(見圖1和圖2)。

圖1為平面鏡反射測量光的光路結(jié)構(gòu)，在振動物體表面粘貼一個平面鏡，測量光照射在平面鏡上［1］，通過平面鏡將測量光反射回干涉儀與參考光進行干涉。此種結(jié)構(gòu)具有良好的干涉效果，但當(dāng)振動物體具有較大的橫向振動時，干涉效果會變差。并且每次做實驗都需要在物體表面上黏貼平面鏡，如果黏貼的不夠牢固，在振動頻率較高的時候，測量結(jié)果將受到影響。圖2為立體棱鏡反射測量光的光路結(jié)構(gòu)［2］。在振動物體表面安裝一個立體棱鏡，測量光照射在立體棱鏡上反射，與原光束平移一段距離射出，反射測量光進入干涉儀中的平面鏡，并再次反射回立體棱鏡，按原光路返回。此種方法相比平面鏡反射結(jié)構(gòu)有了極大的改善，當(dāng)振動物體含有橫向運動時，立體棱鏡反射結(jié)構(gòu)比平面鏡結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。不管是平面鏡結(jié)構(gòu)還是棱鏡結(jié)構(gòu)對測量光的返回光路要求比較嚴格，而且給振動物體增加了附加質(zhì)量，當(dāng)振動頻率稍高時，會增大測量誤差。

圖1 反射鏡為平面鏡Fig.1 Using flatmirror as reflector

2 漫反射式零差正交激光測振儀

針對傳統(tǒng)零差正交激光測振儀存在的問題，研制了漫反射式零差正交激光測振儀。在測量光路中利用透鏡組合改變激光高斯光束束腰的位置和大小，使得激光光束照射在振動物體表面聚焦成一個小光斑，形成漫反射，通過透鏡把漫反射形成的測量光匯聚到一起，返回到干涉儀內(nèi)部和參考光進行干涉(見圖3)。

圖3 漫反射式零差正交激光測振儀Fig.3 Diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometer

由于激光器出射光是高斯光束，但高斯光束束腰位置的不確定或者束腰位置不在激光器光腔外而在激光器光腔內(nèi)，使得薄透鏡的焦點不能精確落在高斯光束的束腰位置，并且振動測量要求激光光斑能夠在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)聚焦，則需要使用多透鏡對高斯光束進行聚焦，第一個透鏡確定高斯光束束腰的位置，入射光束束腰越接近透鏡焦點，則光束新的遠場發(fā)散角越小，反之亦然，根據(jù)透鏡激光高斯光束透鏡變換規(guī)律以及分析［3－4］，做了相關(guān)的實驗，選取第一透鏡焦距為10 mm，第二透鏡焦距為50 mm。改變圖3中第二個透鏡與第一個透鏡變換后的高斯光束束腰位置之間的距離，來實現(xiàn)高斯光束經(jīng)第二個透鏡后遠場發(fā)散角的連續(xù)變化，能夠使得高斯光束的束腰在較大范圍內(nèi)移動，實現(xiàn)在振動物體表面聚焦。同時能夠?qū)β瓷涞姆祷販y量光進行聚焦，與參考光進行干涉后，經(jīng)過偏振分光鏡可將相互垂直偏振的兩個光束在空間上分開，并且由兩個光電接收器分別完成對按余弦和正弦函數(shù)變化的兩路光電信號的接收和轉(zhuǎn)換。

因為光電接收器接收的是漫反射光，中間包含其他頻率成分的雜散光，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)化成電信號以后，信號中摻雜了大量的高頻成分。由于振動產(chǎn)生的激光多普勒信號頻率在1 MHz以內(nèi)，為了在不影響振動信息的情況下能夠有效地去除雜頻干擾，本文設(shè)計了截止頻率為2.5 MHz的9階低通橢圓濾波器，濾波電路(見圖4)。在進行數(shù)據(jù)采集之前需要對信號進行調(diào)零和放大，電路(見圖5)，把信號調(diào)整到以零點為中心，形成適當(dāng)幅度的類正弦干涉信號。

圖4 9階低通橢圓濾波電路Fig.4 9thorder low pass elliptic filter

圖5 調(diào)零和放大電路Fig.5 Zero adjustment and amplifier circuit

3 正交干涉信號的數(shù)據(jù)解算

對兩路正交信號進行數(shù)據(jù)采集u1(ti)和u2(ti)［5－6］，可計算調(diào)相值序列{φMod(ti)}:

使用最小二乘法，通過解算具有A、B、C三個未知參數(shù)構(gòu)成的方程組，逼近(4)式求得的調(diào)相值序列

利用(2)式介紹的正弦逼近法可以計算被校傳感器的輸出幅值和初相位:

式中:Au=u cosφu;Bu=sinφu;Cu為常數(shù);為傳感器輸出信號幅值;φu為加速度計輸出信號的初相位角。

利用正弦逼近法可求的參數(shù)Au和Bu，計算加速度輸出的信號幅值和初相位φu:

利用式(5)和式(8)求得值，可計算出被校傳感器的幅值靈敏度，利用式(6)和式(9)可求出相移:

4 實驗結(jié)果

分別使用漫反射式零差正交激光測振儀和外差激光測振儀在國家中頻振動基準上做傳感器的校準實驗，被校準對象為B＆K生產(chǎn)的8305傳感器和2650電荷放大器組成的振動標準套組，實驗結(jié)果見表1、圖6、圖7。從校準結(jié)果可以看出，兩組實驗數(shù)據(jù)吻合程度比較好。實驗證明，在20 Hz～4 kHz頻率范圍內(nèi)，漫反射式零差正交激光測振儀能夠?qū)崿F(xiàn)振動的精確測量和校準。

表1 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Test data result

圖6 傳感器靈敏度曲線Fig.6 Sensor sensitivityfigure

圖7 傳感器相移曲線Fig.7 Sensor phase shiftfigure

由于漫反射式零差正交激光測振儀是測量光以漫反射光的形式與參考光進行干涉，在低于20 Hz振動頻率測量時，隨著位移的變大，漫反射光的強度會發(fā)生改變，導(dǎo)致干涉效果不佳。對于20 Hz以下漫反射式零差正交激光測振儀的應(yīng)用，還需要進一步研究和改進。

5 結(jié)論

漫反射式零差正交激光測振儀在傳統(tǒng)的零差正交激光測振儀的基礎(chǔ)上，使用透鏡組合的方式，改變以往測量光的傳輸方式，實現(xiàn)測量光以漫反射形式的接收和干涉，克服了傳統(tǒng)零差激光測振儀的難調(diào)整，干涉效果長期穩(wěn)定性不夠，對實驗環(huán)境要求高的難點。同比外差激光測振儀減少了聲光調(diào)制器等硬件部分，并且輸出信號頻率低，降低了數(shù)據(jù)采集的速率，極大降低了硬件成本。該方法可應(yīng)用于計量技術(shù)機構(gòu)的直線振動和角振動激光絕對法計量校準裝置，以及地震、航空、航天、建筑、電力等行業(yè)的高精度振動測量。

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Diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometers

LIU Ai－dong，YU Mei
(National Institute of Metrology，Beijing 100013，China)

The development of diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometers is based on the traditional technology of homodyne quadrature laser vibrometer.It is different from the traditional vibrometer，the latter makes themeasuring light beam irradiate on a vibration body and then be reflected back directly，themeasuring light of the former passes through lens groups and is focused into a light spot on the vibration body to form diffuse reflection on the face of the vibration body.Then，the diffuse light goes through a lens to be gathered and interfere with a reference light.Through tests，itwas shwon that thismethod can realize absolute vibrationmeasurementwithin a frequency range of20～4 kHz and a amplitude range of0.1～100m/s2;thismethod can overcome the shortcomings of traditional interferometers，such as，hard to adjustment，interference effect without long term stability，and high requirement for test environment; meanwhile，compared with heterodyne laser vibrometers，the diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometers can reduce hardware costs.

diffuse reflection;homodyne quadrature;laser vibrometer;laser absolute method;sine approximation method

TB936

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.037

2014－09－18修改稿收到日期:2014－12－03

劉愛東男，副研，1977年生

于梅女，研究員，1956年生