一種新型便攜式二維激光測振儀研究

張深逢， 劉杰坤, 馬修水， 宋云峰， 葉 崗

(1.寧波舜宇智能測量儀器有限公司，浙江 寧波 315400;2.浙江大學 寧波理工學院,浙江 寧波 315100;3.太原科技大學 機械工程學院,太原 030041)

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一種新型便攜式二維激光測振儀研究

張深逢1， 劉杰坤2,3, 馬修水2， 宋云峰1， 葉 崗1

(1.寧波舜宇智能測量儀器有限公司，浙江 寧波 315400;2.浙江大學 寧波理工學院,浙江 寧波 315100;3.太原科技大學 機械工程學院,太原 030041)

介紹了一種新型便攜式二維激光測振儀。該激光測振儀基于激光多普勒效應原理，采用激光自混合技術，能夠實現(xiàn)對振動物體二維面內(nèi)振動測量，具有出色的頻率和相位響應,滿足高精度和高速測量需求。介紹了該測振儀的工作原理，針對測振儀實際運用過程中兩激光束間夾角易變等問題，提出了一種兩激光束間夾角的校正方法，并通過大量的實驗數(shù)據(jù)，證明此校正方法的有效性和準確性。

激光測振儀；多普勒效應；激光自混合；二維面內(nèi)振動；非接觸式測量

振動是物體的重要特性，振動測量在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學研究、健康醫(yī)療等方面廣泛應用[1-4]。振動的測量分為接觸式測量和非接觸式測量，非接觸式測量，不會影響振動的原有狀態(tài)，測量結果更為準確可靠[5]，是振動測量的發(fā)展方向。目前，非接觸式振動測量技術中，較為成熟的是激光多普勒技術[6]，激光測振技術是一種非接觸的測量振動的技術，該測振技術具有抗干擾、高分辨率、高精度、非接觸的振動測量特性，激光多普勒測振儀屬于非接觸式的測量方法，可以應用在許多其他接觸式測振方式無法測量的任務中，出色的頻率和相位響應，可準確地對各種物體的振動、位移、速度及加速度等進行測量，在滿足高精度、高速測量需求的同時，還可以彌補接觸式測量方法無法測量大幅度振動的缺陷[7-8]。激光多普勒技術分為零差式結構和外差式結構，因零差式結構不能區(qū)分物體的振動方向，所以一般的激光多普勒測振儀采用外差式結構[9]，但外差式結構需要激光光源，聲光移頻器，探測器，分束器、合束器等，所需光電器件較多，系統(tǒng)體積較大，成本高[10]。

近年來，激光自混合測振技術開始嶄露頭角。激光自混合技術是以激光自混合干涉效應為基礎的，激光自混合干涉效應是指激光器的輸出光被外部物體反射或散射后,其中一部分光被反饋回激光器的諧振腔,與腔內(nèi)光相混合后,形成激光自混合信號調制激光器的輸出功率，由封裝在激光器后部的光電二極管探測其功率的技術。該技術理論是建立在發(fā)布里-鉑羅(F-P)腔模型、注入鎖定模型等常用模型，并逐步應用于激光回饋應用方面，如加速度、位移等的測量[11]。

因反饋光信號攜帶了物體的振動信息，則探測自混合信號并解調該信號便可得到被測物體的振動信息。激光自混合干涉的光路結構較為簡單，只需要激光器，準直透鏡和光電探測器即可組成測振系統(tǒng)[12]。為了豐富測量維度信息，本文采用兩組件組合的方式對物體進行振動測量，實現(xiàn)對振動物體二維平面內(nèi)振動的精確測量。

雖然激光自混合技術對所采用的激光器沒有特殊的要求[13]，但在實際應用中，它要求采用的半導體激光器為單縱模運行，線寬小于10 MHz，輸出功率為幾毫瓦。滿足上述條件的可見光激光器不僅數(shù)量少，而且價格昂貴，量產(chǎn)價格便宜的通信用半導體激光器普遍在紅外波段，這種激光光束是不可見的，這給設備的實際應用帶來了不便。綜合兩者利弊，本系統(tǒng)采用紅外半導體激光器，配合可見光波段的指示光源對物體進行振動測量，實驗測量結果證明可以滿足測量要求。

1 測量原理

激光自混合二維激光測振儀系統(tǒng)是在激光自混合一維測振光路的基礎上，采用兩組激光自混合測振組件，每組激光自混合測振組件包括激光器、探測自混合光信號的探測器，兩組激光自混合測振組件共用一個光束聚焦系統(tǒng)，兩個激光器的出射光通過光束聚焦系統(tǒng)能夠聚焦到振動物體的同一點，則該點的振動形態(tài)分解到了兩組測振組件的入射光方向上，每個激光器可測得該激光束方向上物體的振動信息，然后根據(jù)兩個方向上測得的實時位移量，結合兩光束的夾角，即可得到各個時刻點的面內(nèi)總位移，實現(xiàn)面內(nèi)振動測量。

如圖1激光自混合二維激光測振儀系統(tǒng)結構及工作原理圖所示，該系統(tǒng)采用工作方式完全相同的兩組激光自混合測振組件，激光自混合測振組件1包括激光器11、探測器12，激光自混合測振組件2包括激光器21、探測器22。兩個測振組件共一個光束聚焦系統(tǒng)31。激光器11在恒流驅動下出射激光由光束聚焦系統(tǒng)31聚焦到振動物體5上，散射光束經(jīng)聚焦系統(tǒng)31反饋回到激光器11形成自混合干涉，探測器12探測自混合光信號，可以解調出振動物體5沿光束41的投影分量，從而獲取物體5沿光束41的位移量。同樣，組件2可以通過測量振動物體5沿光束42的投影分量，獲得物體5沿光束42的位移量。通過兩個投影分量及光束41，42的交叉角度，可以解調出振動物體5在光束41、42交叉平面內(nèi)的振動信息，實現(xiàn)二維測量。

圖1 系統(tǒng)的結構及工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of the structure and working principle of the system

為了降低成本，采用紅外半導體激光器和可見光半導體激光器組成激光測振組件，其中，紅外半導體激光器的出射光束用于振動測量，可見光半導體激光器的出射光束進行光路指示。則光路上作了如下改變，如圖2所示，系統(tǒng)主要組成部分為：自混合測量組件包括紅外光波段測量激光器11、21，可見光波段的指示光源15、25，探測器12、22與合束器14、24。

圖2 采用紅外半導體激光器與可見光半導體激光器的系統(tǒng)結構圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the infrared diode laser and the visible diodelaser

位移量的計算如圖4所示，兩個激光器的出射光通過光束聚焦系統(tǒng)能夠聚焦到振動物體5的同一點，兩個測量組件實時測量的位移分別為S41、S42,兩光束的夾角為θ，光束聚焦系統(tǒng)31的焦距為f，則根據(jù)幾何關系,則沿光束41與42的振動投影分量由下式給出：

s41=szcos(θ/2)-sxsin(θ/2)

(1)

s42=szcos(θ/2)+sxsin(θ/2)

(2)

式中:Sx、Sz分別為振動物體的沿X、Z坐標軸的振動分量，S41、S42已知，θ可通過焦距值f與光束間隔求得：

θ=2arctan(h/2f)

(3)

則有:

sz=(s41+s42)/cos(θ/2)

(4)

sx=(s42-s41)/sin(θ/2)

(5)

從而可以計算出物體5在交叉面內(nèi)的總位移量。

圖3 位移量計算示意圖Fig.3 Diagram of displacement calculation

對于采用自動變焦或者手動變焦的光束聚焦系統(tǒng)，焦距值f是可變的，因而光束41與42的夾角θ也是可變的。即便是采用定焦光束聚焦系統(tǒng)，由于系統(tǒng)安裝及使用過程中的光束間距h的變化，也將引起光束41與42間夾角的不確定，因而對于高精度振動測量的需求，要求對光束夾角θ進行校準。

圖4 兩光束夾角的校正方法示意圖Fig.4 Diagram of correction method of the angle between two beams

為了彌補上述缺陷，本文提出一種對兩光束間夾角的校正方法，其工作原理如圖5所示，采用第三組自混合激光測量組件10，其產(chǎn)生的激光束40，第三組激光測振組件測量Z軸方向上的振動信息S40，即Sz=S40，則校準的兩激光束間夾角θ由式(1)可得：

θ=2arccos((s41+s42)/2s40)

(6)

經(jīng)校準后，得到振動物體沿坐標軸X、Z方向的二維振動分量分別為

Sz=S40

(7)

sx=(s42-s41)/(2sin(θ/2))

(8)

則校正后的物體二維振動可由式(7)～(8)獲得。

對比式(7),(8)，式中的Sz與Sx都是基于兩激光束間夾角θ求得的，夾角θ是通過給定的h,f計算的，而h,f的值則是通過測量給出，并且在設備安裝過程中易被改變；而式中的Sz是直接測得的，Sx是基于兩激光束間夾角θ的，但此時的θ是通過已測得的Sz得出的，受人為因素影響較小，Sz的精度較Sx的高。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗系統(tǒng)

振動源采用標準振動源JX-3B型振動傳感器校準儀作為振動源。該校準儀內(nèi)部可產(chǎn)生10、20、40、80、160、320、640及1 280 Hz等八種頻率的正弦信號，所輸出的加速度、速度及位移三種振動信號的幅值可通過電位器調節(jié)，并有數(shù)字顯示。

聚焦系統(tǒng)：透鏡的外徑為300 mm，焦距為f=500 mm。透鏡安裝在一個可以移動的夾槽內(nèi)，通過更換不同的透鏡可以實現(xiàn)對不同距離上振動物體的測量。

上下兩激光束間距：h=274 mm。激光自混合測振組件：本實驗旨在驗證該二維測振方法的實用性，實驗中未采用不可見光半導體激光器，紅外半導體激光器和可見光半導體激光器組成激光測振組件，而是采用He-Ne激光器作為激光光源，圖5激光自混合二維激光測振儀系統(tǒng)實驗現(xiàn)場圖

智能控制箱： LDV智能控制箱內(nèi)置有信號放大、濾波、信號解調等電路，對多普勒信號進行預處理，方便軟件對信號的提取，計算和分析。

處理軟件：信號處理軟件能通過DAQ信號采集卡將信號采集到計算機中，可以直觀地進行濾波，加窗等參數(shù)的設置，方便地對信號進行時域、頻域的處理和分析，得到振動信號的加速度、速度、位移等參數(shù)。

圖5 實驗系統(tǒng)圖Fig.5

2.2 實驗結果

實驗中對X軸和Z軸的混合振動進行了實驗，實驗方法：標準振動源JX-3B型作為振動源，發(fā)出特定頻率和特定幅值的信號，三維激光測振儀(采用激光自混合技術研制)發(fā)出光束，經(jīng)過聚焦透鏡匯聚在振動源上，振動信號輸出給智能控制箱，智能控制箱對信號做預處理，而后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡同步采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給計算機軟件的二維測振模塊(測振軟件可以測量一維、二維和三維振動信息)，最后得到X、Z軸頻率測量實驗結果如表1、表2所示。

表1 X軸振動實驗結果

表2 Z軸振動實驗結果

表3 位移測量結果

混合位移方面測試10組數(shù)據(jù)，并分別記錄了θ校正前和θ校正后的數(shù)值分別計算與實際值(真值)的相對誤差，測量結果如表3所示。

實驗說明：實驗所述三維激光測振儀器精度能達到0.008 nm，表2中測量數(shù)據(jù)單位是mm，精度是小數(shù)點后9位，正好是0.001 nm的級別，但分辨率是0.008 nm，并不是0.001 nm。

2.3 實驗分析

由表1和表2可見，該設備對于頻率的測量精度很高，相對誤差最大為0.712 5%，最小僅為0.000 25%，對于速度的測量幅值精度較差一些，不過也都控制在-3.587 93%～2.192 362%以內(nèi)，測量效果良好，滿足實際測量要求。

造成頻率測量精確度高，而位移測量精度稍差的原因主要是頻率測量在每一個測量角度測量得到的結果都有很高的一致性，但位移測量會由于振動臺的振動平面與激光束的交叉面不完全重合，導致系統(tǒng)測量的位移僅僅是物體實際振動位移的一部分，使測量結果產(chǎn)生誤差，而頻率測量則不會受到這些因素的影響。

3 結 論

本文以激光自混合技術為基礎，采用多組件的方式構成二維激光測振儀，對物體二維面內(nèi)振動測量，通過設計第三組激光測振組件的的方式對θ值進行校正，校正結果使測量的相對誤差平均提高0.644 683%。目前，以激光自混合技術為基礎的激光測振技術已經(jīng)衍生了許多技術、許多模型，如激光干涉測振在位移、速度、加速度、表面變形、角度測量、轉速測量等諸多領域，與船東的測振技術相比，激光測振系統(tǒng)結構簡單、緊湊、抗干擾、精度高，成本低，能夠實現(xiàn)測振儀的小型化，便攜化，具有良好的應用和發(fā)展前景,此外，以激光為通信的非接觸傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式傳感，已經(jīng)是大勢所趨，應用前景相當廣闊。

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A new type of portable 2D laser vibrometer

ZHANG Shenfeng1， LIU Jiekun2,3, MA Xiushui2， SONG Yunfeng1， YE Gang1

(1.Ningbo Sunny Advanced Instruments CO.LTD, Ningbo 315400, China;2. Ningbo Institute of Technology，Zhejiang University, Ningbo 315400, China;3. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030041, China)

Here,a new type of portable 2D laser vibrometer was introduced. Based on laser Doppler effect, using laser self-mixing technology, the two-dimensional in-plane vibration measurement of a vibration object was realized with, excellent frequency and phase response, to meet demands of high precision and high speed measurement. The working principle of the vibrometer was presented. Aiming at the problem that the angle between two laser beams is easy to vary in practical applications of the vibrometer, a modifring method for the angle between two laser beams was proposed, and many test results showed that the modifring method is feasible and correct.

laser vibrometer; Doppler effect; laser self mixing; two-dimensional in-plane vibration; non-contact measurement

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2013YQ470765)；寧波市科技創(chuàng)新團隊(2013B82005;2012B82002)

2015-08-07 修改稿收到日期：2015-09-22

張深逢 男，碩士生，工程師，1988年4月生

宋云峰 男，博士，研究員，1965年3月生

E-mail：yfsong@sunnyoptical.com

TH741

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.19.033