淺析激光振動測量技術

摘要:隨著社會的進步，激光振動測量在社會發展中發揮著中要的作用。該文論述了激光振動測量的諸多方法及各種方法的優缺點，指出了激光振動測量的發展前景。

關鍵詞:激光;振動測量;技術

中圖分類號:TN256文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)02-462-02

Analysis of Laser Vibration Measurement Technology

HAO Feng， WANG Wei-hui

(The Second Artillery Engineering College， Xi'an 710025， China)

Abstract: With the progression of society， laser vibration measurement plays an important part in society development. Various of methods， advantage and disadvantage in laser vibration measurement are introduced in this paper. The future prospect of laser vibration measurement are pointed out in the paper.

Key words: laser; vibration measurement; technology

關于物體的微小振動和微小位移精確測量的相關研究是隨著精細加工工藝和微機械技術的飛速發展及大量應用而得到人們的廣泛重視的。光學測量技術所具有的優點是結構簡單、精度高、耐高壓、耐腐蝕、能在易燃易爆的環境下可靠運行、抗電磁干擾、動態范圍大，并且光學測量技術是一種重要的非接觸式無損測量技術，基于其上述優點，光學測量技術占據了計量測試技術領域的主導地位。

目前振動測量在材料探傷、機械系統的故障診斷、噪聲消除、結構件的動態特性分析及振動的有限元計算結果驗證等方面都得到了廣泛的應用，所以激光振動測量技術有著廣闊的應用與發展前景。

1 激光振動測量技術的測量原理及現狀

目前，常用的激光振動測量方法有激光三角法、散斑法、全息法、激光多普勒效應法、光纖與微機電(MEMS)法和干涉法等。由于這些技術的使用，使得激光振動測量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。下面分別介紹幾種常用的光學振動測量方法:

1.1 激光三角測振法

激光三角法[1-2]是利用幾何光學成像原理，將激光器發出的光經發射透鏡匯聚于被測物體表面形成入射光點，該光點通過接收透鏡匯聚于光電探測器上，形成像點，使用對位置敏感的傳感器就可接收到這一信息。當入射光點與該光學結構產生相對入射光軸方向的振動或位移時，引起像光點在感光面上發生位移，從而引起光電探測器輸出電信號的變化，根據電信號的變化量可求出像點唯一的變化量，通過信號處理可得到被測目標位移或振動信號。

該方法對于振動的測量是非接觸形式的。激光三角測振法具有結構簡單，發展比較成熟等優點，適用于工業現場安裝使用。但是該方法的不利之處一方面是光電探測器的靈敏度和尺寸限制了該方法的分辨率和測量范圍，另一方面是發射透鏡的焦距限制了該方法的工作距離，不適于遠距離處的微小振動測量。

1.2 光強測振法

光強測振法[1-2]是利用被測目標相對投射光束，或反射光束相對探測光路的位置變化導致探測光強的變化來探測振動。

該方法對于振動的測量既可以是接觸式的，也可以是非接觸式的。光強測振法具有信號處理方便、結構簡單、成本較低等優點，可以廣泛應用于各種場合。而且光強法與光纖的緊密結合，使得光強測振法的應用領域得到進一步拓展。該方法的不利之處在于光強易受外界環境和光源干擾的影響，使得測量結果精度不高，所以一般采用多波長、多光束等方法來改進光強測振法的不利之處，提高光強測振法的抗干擾能力。

1.3 全息測振法

全息法[1-2]是將相干光束的一部分作為參考光波，其余部分投射到物體上并被其反射作為物光波，兩光波相遇產生干涉，所形成的干涉場反映了被測物體的振動情況，該干涉場由照相底片記錄經過適當顯影形成全息圖。全息干涉測振可以對整個振動面上的點位置進行測量，通過比較不同時刻的全息干涉圖，就能夠描繪出被測振動面上各點的振動情況。

該方法對于振動的測量是非接觸形式的全場同時測量。全息測振法具有可以進行面測量，同時獲得多點數據的優點。該方法的不利之處在于須用銀鹽干板作記錄介質，全息圖需要進行照相及沖洗等處理，操作過程復雜，處理條紋圖極其費時，無法實現實時測量，實際應用較困難。

1.4 激光多普勒效應測振法

多普勒測量[4-7]中的多普勒信號通常都是從被測物體的散射光中獲得的，信噪比低，且包含有運動速度、光源、接收器之間的角度因素，由于這些因素會引入較大的測量誤差。對振動特性的計算方法為信號中的每一個差拍波對應一個位移當量值，被測振幅的獲得是經過對相鄰兩個翻轉點之間的差拍波的個數進行計數而得到的。

該方法的測量不需要干涉儀組件，可精密裝配。激光多普勒效應測振法具有被測速度矢量與多普勒頻移呈線性關系，對于任何復雜的物體運動都適合研究的優點。因此，激光多普勒技術是一種高精度動態測量方法。該方法的不利之處在于得不到小于當量值的位移，測量分辨率很低。激光光柵多普勒效應的微振動測量系統的提出改變了以上不足。

1.5 光纖與MEMS測振法

光纖與MEMS技術相結合的振動傳感器[1-2，8]在振動傳感領域中一軍突起。在微光機電傳感器中，光纖可作為傳光介質，為傳感器提供光連接，傳感器內部的電信號經由發光二極管轉變為光信號，再輸送到外部設備，這樣可以使測量結果大大免受外界電磁干擾。光纖也可用來構造光路，成為集成傳感器的一部分，作為懸臂梁感受外界振動，通過測量經過光纖的光強變化來實現振動傳感。

光纖與MEMS技術相結合的振動傳感器的優點是可免疫外界電磁干擾，可應用于避免使用電信號的場合，結構布置靈活，適合應用于復雜結構環境和復雜結構空間下的振動傳感測量，適用于微型化和集成化產品。

1.6 干涉測振法

干涉測振法是將光束正入射于物體表面，其反射回來的檢測光與參考光相遇形成干涉場，此后再對干涉場進行處理便得到所要測量的振動信息。

該方法對于振動的測量是非接觸精密測量。干涉測振法具有應用范圍廣、重復性極高、可以對微小振動進行高精度測量的優點。但是該方法的不利之處一方面是由于干涉測振法具有高靈敏性，環境擾動對其影響非常突出，當光程質量不理想時，測量將無法進行。另一方面是在實際應用中很難保證入射光垂直于被測物體表面，以及目標物體表面的不平整性，使得由目標物返回的檢測光與參考光將不能很好的重合，尤其當兩束光偏差太大就不能形成干涉，這將使測量無法進行。因此，人們先后發明了光波頻率調制補償法、機械式位相調制補償法以及將機械補償和光調制相結合的方法來解決這一問題。

1.7 激光散斑測振法

激光散斑振動測量技術[1-3]是利用激光的高相干性，當激光照射到物體粗糙光學表面時將產生散斑場，該散斑場是被測物體表面信息的載體，記錄下該散斑場并利用數字圖像處理技術，就能以干涉條紋的形式得出被測信息的等高線，通過條紋判斷便能得出振動物體的位移。

該方法一般采用多幀干涉圖取平均的方法來減少環境擾動的影響，但并不能從根本上解決擾動問題。散斑干涉法適用于對頻率已知的振動信號進行測量，從而實現對物體振動特性的分析，該方法的不利之處是精度和測量應用范圍有限。

2 激光振動測量的展望

激光振動測量技術發展前景非常廣闊，對于激光振動測量技術的研究工作也是研究人員為之做出不懈努力的工作方向。關于激光振動測量的展望有如下幾個方面:

2.1 改善測量環境

隨著我國科技水平的不斷發展與提高，人類對于振動測量精度的需求已經達到了納米量級。目前的分辨率已經不能實現人們對于某些研究領域項目的精度要求，對于納米精度目標的實現是人類在科研領域的新突破。環境是影響系統實現納米精度的一方面問題，像空氣溫濕度的變化、環境的振動和聲學擾動等都會影響測量精度。因此，可以采用隔離措施和建立確保穩定環境溫度的恒溫室的方法來實現納米測量精度。

2.2 結合多技術于測量

現代的激光振動測量系統廣泛采用的是光、機、電與計算機技術相結合的方式來進行高精度、實時動態測量，大系統的概念、模糊理論、人機工程學的概念、自適應原則、調頻技術、調制技術、反饋原理這一系列相關理論都廣泛的應用在現代測量儀器的設計中，促使測量與控制技術成為一個完整的有機整體。鑒于以上廣博知識，更需要多知識、高技術人才團結、協作完成由知識理論到儀器設計的實現。

2.3 進行科研創新

新的測量原理和方法是指導創新研究成果的理論依據，傳統的振動測量方法已經不適用于納米級振動測量的研究，要解決納米級振動測量需要尋求新的測量原理和方法。將微觀物理和量子物理的最新研究成果應用于測量系統中以及對現有技術進行創新性應用是可行的。

2.4 多領域應用

隨著科技的發展以及性價比高、質量優良的激光振動測量儀問世，激光振動測量技術不僅可以應用于機械制造的檢測中，還可以應用于生物醫學、材料檢測、航空航天等領域。

3 結束語

當今社會激光振動測量技術與人類的生產、生活是息息相關的，此項技術促使人類的生產、生活質量向著更好、更完善的方向發展。隨著激光振動測量方法的成熟與完善，高精度、高效率、低成本的測量方案必將實現并走向成熟。

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