激光干涉原理在振動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

曹 勇 熊 偉 沈 斌 王 飛

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

關(guān)鍵詞:激光干涉;時(shí)間平均全息方法;激光電子散斑;激光多普勒

中圖分類號(hào):TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(dòng)量值的計(jì)量是計(jì)量科學(xué)中一個(gè)非常重要的方面。在現(xiàn)實(shí)中,描述振動(dòng)特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的測(cè)振技術(shù)是接觸式測(cè)量。在測(cè)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(hào)實(shí)現(xiàn)加速度-速度-位移的相關(guān)測(cè)量[1]。如果測(cè)量較小物體的振動(dòng),附加的傳感器質(zhì)量往往影響被測(cè)物體的振動(dòng),從而產(chǎn)生測(cè)量誤差;而且一些工作場(chǎng)合因被測(cè)物體表面影響或是測(cè)量條件的限制往往不允許在被測(cè)物體表面安裝測(cè)振傳感器。因此設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型的非接觸式、高精度、實(shí)時(shí)性的測(cè)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(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種軍事目標(biāo)的測(cè)量和精密民用測(cè)量中,尤其是在測(cè)量各種微弱振動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度及其微小的變化等方面[2]。

1 激光干涉測(cè)振原理

激光干涉測(cè)振技術(shù)[3]是以激光干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)試的一門技術(shù),測(cè)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(zhǎng)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(shí),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(xiàng)中前三項(xiàng)均為高頻分量,只有第四項(xiàng)為低頻分量,且與物體表面的狀態(tài)有關(guān)。第四項(xiàng)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(duì)變化量。因此通過(guò)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(cè)物體振動(dòng)速度、位移等關(guān)系式[4]。

2 激光干涉測(cè)振方法分析

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

2.1 時(shí)間平均全息方法

對(duì)于在某一穩(wěn)定頻率下作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的物體,用連續(xù)激光照射,并在比振動(dòng)周期長(zhǎng)得多的時(shí)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(lái)表示振幅分布。這就是時(shí)間平均全息方法的測(cè)振原理。其時(shí)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(diǎn)的位移;θ1為振動(dòng)方向和照明方向的夾角;θ2為振動(dòng)方向和觀察方向的夾角。

因此,由式(5)通過(guò)分析光強(qiáng)I的變化確定V(x,y)的量值,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位移測(cè)量,如圖2所示。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明,如果物體振動(dòng)的規(guī)律不同,條紋的強(qiáng)度分布規(guī)律也不同,但計(jì)算方法是類似的。時(shí)間平均全息方法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單,節(jié)線清晰,可以檢測(cè)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(dòng)分析中廣泛使用。不足之處是測(cè)量范圍小(僅幾十微米左右),對(duì)記錄信息過(guò)多,對(duì)記錄介質(zhì)的分辨率要求過(guò)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(cè)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(shí),如位移或變形等,干涉條紋也發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)這些干涉條紋的處理,可以得到物體表面的振動(dòng)情況[6]。

散斑法光路簡(jiǎn)單,不但可以非接觸測(cè)量,無(wú)損檢測(cè),而且可以遙感測(cè)量。不僅用來(lái)研究物體的狀態(tài),而且可對(duì)物體作振動(dòng)分析,已經(jīng)提出了多種測(cè)振方案,如時(shí)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(shí),條紋與位移之間的關(guān)系較為簡(jiǎn)單,但接收信號(hào)的強(qiáng)度由于物體的振動(dòng)使散斑對(duì)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(guò)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(cè)振技術(shù)

如果一定頻率的聲波、無(wú)線電波或光波在傳播過(guò)程中,對(duì)于接收器有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收器接收到的反射波的頻率會(huì)隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(cè)振原理就是基于測(cè)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度V。利用激光多普勒效應(yīng),不僅能測(cè)量固體的振動(dòng)速度,而且也能測(cè)量流體的流動(dòng)速度。

圖2 激光全息測(cè)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(dòng)物體,且能反射光波,當(dāng)波源和接收器保持相對(duì)靜止時(shí),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(wú)限小的時(shí)間間隔δt中,假定P移動(dòng)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(wú)限小;λ和λ″是散射前后的波長(zhǎng)。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(jí)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(cè)物體速度V和多普勒頻移ΔfD的關(guān)系式,并通過(guò)測(cè)量ΔfD可以得到振動(dòng)速度V的量值。

激光多普勒技術(shù)具有測(cè)量精度高,空間分辨力高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,非接觸測(cè)量的特點(diǎn),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(cè)體表面情況影響較大,另外光學(xué)測(cè)量頭的性能也會(huì)影響測(cè)量精度[10]。

3 改善激光測(cè)振精度的關(guān)鍵問(wèn)題

在激光測(cè)振的過(guò)程中,對(duì)測(cè)量精度造成影響的外界因素有:激光束匯聚點(diǎn)離焦;測(cè)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(cè)物體的表面效應(yīng)等[11]。

面對(duì)振動(dòng)測(cè)量的低頻、高精度測(cè)量要求,必須提高激光測(cè)振儀的測(cè)量精度。改善激光測(cè)振精度的關(guān)鍵問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面:

(1) 穩(wěn)定激光的工作環(huán)境。

保證系統(tǒng)有一個(gè)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(duì)穩(wěn)定。

(2) 光路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試。

良好的光路設(shè)計(jì)、可以提高測(cè)量的精度,減少因光引起的測(cè)量誤差。通過(guò)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(guò)對(duì)光電倍增管頻響的分析,對(duì)接收到的干涉條紋產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行處理,降低對(duì)光電信號(hào)的影響和電路系統(tǒng)的噪聲,提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

(4) 良好的隔振措施。

在分析外界振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母粽?以降低外界振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。

(5) 研究新的測(cè)量方法,研究多種技術(shù)的綜合應(yīng)用,降低成本,實(shí)現(xiàn)儀器化測(cè)振系統(tǒng),開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在激光測(cè)振技術(shù)研究的工作中發(fā)現(xiàn),目前激光測(cè)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(jì)數(shù)的精確度、隔振系統(tǒng)性能、被測(cè)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(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)分;研究設(shè)計(jì)精確的隔振系統(tǒng);運(yùn)用快速發(fā)展的信號(hào)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。

參考文獻(xiàn)

[1]劉繼承,徐慶華,查建新.用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)位移的方法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007,29(5):69-71.

[2]李相銀,姚敏玉,李卓,等.激光原理技術(shù)及應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[3]范志剛,左保軍,張愛(ài)江.光電測(cè)試技術(shù)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[4]吳健,嚴(yán)高師.光學(xué)原理教程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[5]盧喜豐.實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與激光測(cè)振技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[6]李小兵.激光散斑法實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)角振動(dòng)的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2004.

[7]鄭柱.電子散斑相關(guān)技術(shù)及其在工程檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2008.

[8]姚欣.激光多普勒振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研究[D].天津:天津大學(xué),2004.

[9]Chen V C.Micro-Doppler Effect of Micro-motion Dynamics:A Review[J].Proc.SPIE,2003(5 102):240-249.

[10]沈熊.激光多普勒測(cè)速技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[11]胡紹樓.激光干涉測(cè)速技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.

作者簡(jiǎn)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?yàn)閭鞲衅髋c檢測(cè)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?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。