激光測振原理及應用

1、#PDF created with pdfFactory Pro trial version 第17章激丸測旅岳理乞應用振動特性的測彊和分析是鑒別和確定機器、尤部件作町靠件的帀:要手段。常用的測振 技術是接觸式測做 在被測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-立移的相關測最。如果測量質童較小物體的振動，附加的加速度傳感器的 質鼠往往會影響被測物體的揀動，從何產生測最謀差。設計和開發(fā)新型的非接觸式、高梢度、 實時性的測振技術一肖是I程科學和技術領域中的巫要課題和任務。激光全息方法、激光多 普勒測振就是新型的空間分辨率很高、非接觸式的測最技術。17.1概述物體的

2、振動是往往是一個三維的運動過程，測杲或確定物體的振動，即求解物體內部和 表面上任一兒何點隨時間的位移兩數D （a； y； 2, r）o位移向帚通常被分解為兩個面內分最和圖17-1物體的搬動及坐標系一個離而位移分杲。面內振動分杲：兩個 位移分II. V乖直J：該測點的表而法線方 向。離面振動分杲：位移分帚艸平行該 測點的表面法線方向。如圖17I所示。 在激光振動分析測最時，所求解的值是三 個位移分最的時間*1數， “（x,y,z,f）,v（x,y,z,r）,w<x,y,z,F）。在非 接觸式測最方法中,各種激光測鼠方法, 因原理不同，可以分別實現(xiàn)物體表而的點 測吊:或物體表面的而（場）測最

3、，并H.激 光束的入射方向與物體的表面法線方向應滿足一定的兒何耍求。17.2激光干涉基礎光源S處發(fā)出的頻率為/、波K為入的激光束部分投射到記錄介質H （比如全息干板） 上，光波的復振幅記為巴，另一部分經物體0衷而反射后投射到記錄介質H上，光波的復 振幅記為艮。如圖172所示。其中E = A cos（2M+（p）（171）E2 - A2 cos（27t/Z +<p2）（172）式中，兒和仏分別為光波的振幅。和®則分別是光波的位相。當&和艮滿足相干條件時，其光波的合成復振幅為E(17-3)(174)£ = £| + =人2 cos(2t? +(p2) +

4、 A2 cos(2tc/ +(p J 光強分布為/I = |E|2 = A2 cos2(2rt/r +(p,) + A22 cos2(2n/r +(p2)+ 2A A2 cos(2n/r +(pj )cos(2n/r +(p2)=A廠 cos-(2” +(p) +A?- cos(2M +(p?)圖172激光干涉廉理+ AA2 cos(4n/r +(p, +(p2)+ i2 cos(p -(p2) 式(174)的四項中，前三項均為高 頻分吊。只冇第四項為低頻分杲，且 與物體表而的狀態(tài)冇關。第四項的含 義是®所代表的物體表面與®所代表 的參考而Z間的相対變化吊，在激光 位移測龜

5、方法(全息干涉、激光散 斑、云紋干涉、激光多普勒測振等) 中，都是通過處理和分析物體表面與 參考面(物體表而)在變形前后的位 相變化、光強變化等，從而實現(xiàn)高棘 度的振動位移測吊,17.3時間平均全息方法激光測振以其II：接觸測駅、楙度高等優(yōu)點，已在振動測磺領域得到廣泛應用。在全息 涉計量學中，時間平均全息方法首先在1965年由Powell捉出。川以測試和分析物體的微 幅振動。對丁在某穩(wěn)定頻率卜作簡諧振動的物體，用連續(xù)激光照射，并在比振動周期氏得 多的時間內在全息版上曝光，可將物體衷面所反射的光與未作位相調制的參考光相疊加， 將兩束光的I：涉圖記錄在全息版上。其再現(xiàn)像山反映W線和等振幅線紐成的I

6、渺條紋來農 示振幅分布。這就是時間平均全息方法的測振原理。英時間平均全息圖的巫現(xiàn)像的光強度按 零階貝塞爾函數的平方分布。I = Kjf(p)(17-5)式中，丿。為零階貝塞爾換數，P=-V(X.刃(COSB| +COS&2)，其中V (%, y)為物體上某 點的位移，6為振動方向和照明方向的夾角，叭為振動方向和觀察方向的夾角。如圖173 所示。對J：作簡諧振動的物體，由振動方向已知，所以在實驗光路中將入射光和接收光往往設置成 01=02=0,則(75)式變?yōu)? 4兀(17-6)/=/fJ02(V(x,y)當 V (x,y) =0> Z = Ut 時， 対應的是亮條紋。在該條紋的位

7、置 上是物體振動的節(jié)點。當 V(X v) = 0.191 0431 0.68k.,心0時；也就是干涉暗條 紋。在該條紋的位置上是物體振動 的最大振幅。干涉圖中苴余點處的振幅值也 可按照(17-6)式所示的規(guī)律相應 地確定卜-來。激光束圖173激光全息測振全息干板圖門_4第一類零階貝塞爾怖數的平方分布在傳統(tǒng)的全息方法屮，將振動信 息記錄在全息卡板上，進而做分析和 處理。從式(175)式和(176) 式可知:當p = 0時，/值取極大值, 即振幅為冬的地方光強址亮，也就是 振動節(jié)線處最亮。隨看振幅變人，光 強衰減開始很快，后來變得緩慢，同 時，條紋的對比度也變差。(a) Mode I(b) Mod

8、e II(c) Mode I + Mode IIIVI 175圓板的振動模念時間'卜均法的實驗過程簡單，節(jié) 線清晰，I大I此在振動分析屮廣泛使用。本方中介紹的兩個應用實例如卜，圖175 R示的是周邊固支圓板I型.II型和in混合型 振型。其中的亮條紋為節(jié)線位置。圖176所示的是吉它的振型。圖17-6吉它的報動模態(tài)為了克服時間半均全息法的缺點，激光全息頻閃方法采用與振動物體頻率同步的激光頻 閃照明方法，在全息記錄過程中，只記錄物體的兩個狀態(tài)（振幅的極人值和極小值）。再現(xiàn) 時，使這兩個狀態(tài)十涉產生相對位移分布，獲得按余弦'卜方分布的等振幅線十涉條紋。該十圖177用時間平均法ESPI

9、測雖傳統(tǒng)樂器Veena振動的圖於涉條紋不隨振幅增加而衰減，缺點是振動節(jié)線不明顯。該方法對非正弦振動也可以進行測杲。 隨著激光技術的E速發(fā)展，幺脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光的光脈沖時間極短，約為兒十 納秒，可以用來做全息振動測最的光源。電子散斑干涉技術(ESPI-electronic speckle pattern interferometr)f)測振在圖像記錄和自 動化處理方明顯的優(yōu)勢。ESPI測彊振動時采用的最方便的方法也是時間平均法，但 時仙'卜均法得到的由第一類冬階W來爾函數表征的散斑十涉條紋，由J'-貝塞爾隨數隨自變最 的增加迅速衰減的特征和散斑噪音的存在，振動條紋的質靈明

10、歟低靜態(tài)變形的余眩條紋。 數字散斑(DSPI)測振儀存在抗干擾能力差,測量質最不高,難以小型化，難以用F復雜 工作環(huán)境等缺點。圖177所示的是用時間'卜均法ESPI測彊傳統(tǒng)樂器Veena振動的圖像。17.4激光多普勒效應為波源向著接收器移動時，波源和接收器之間傳遞的波將發(fā)生變化，波長縮短，頻率升 高：反z,為波源背著接收器移動時，波源和接收器zmj傳遞的波的波長將變長，頻率會降 低：這一現(xiàn)彖是奧地利的物理學家J. C. Doppler7842年首先發(fā)現(xiàn)的，稱為多普勒效應。 發(fā)生多泮勒效應的波可以是聲波，也可以是電磁波。利用激光多普勒效應，不僅能測磧固體 的振動速度，而且也能測最流體(液

11、體和氣體)的流動速度。17.4.1激光多普勒測振原理如圖17-8所示，S為光源，光的頻率為f ,光速為c° 0為光波接收器件(如雪朋 式光電二極管)，P為速度為V的運動物體，且能反射光波：當波源和接收器保持相對靜止 時，假設”是沿從光源到接收者光路上的波數或周期數，山圖178町知，在無限小的時間間隔&屮，假定P移動到P的距離為V8/。在光程中周期數將減少為PN'(177)473PDF created with pdfFactory Pro trial version #PDF created with pdfFactory Pro trial version 其中PN

12、和分別是向SP和P0作的垂線，PP為無限小，入和L是散射前后的波長。(177)可表示為_5/? = V5/cos61+V5/cos62XXAfn=r-/dllItN _ WcosE 十 iy"cosecc(178)(179)(1710)在一般情況K不石耍區(qū)分入和入S這樣就得到一級近似的幺普勒頻移 VfNd =-(cos6 +cos&2)接收器接收到的光波頻率為/+劭 頻率偏移駅為爼人也稱多普勒頻率，通常又町寫成.2Vf 0j +07®-餉“Nd = cos cos（1712）c22對丁光波沿反向散射時，即光源和光波接收器件為-體時（如圖179所示），S=0,叭“歸。

13、 因此：圖17_8散射多泮勒頻移圖179激光多泮初（Doppler）效應2VfVNd =cos0 = 2cos0c入入為激光波長，當8=0時.Nd =2Vf _2Vc X(1713)(1714)475PDF created with pdfFactory Pro trial version 山此町知，激光多普勒測振原理就圧壟J：測吊從物體喪面微小區(qū)域反射回的和激光光波的 多普勒頻率釀，進而確定該測點的振動速度Vo17.4.2激光三維測振原理I程屮的許女結構和部件的振動是三維的。即物體表面某一點的振動（速度）可被分解 成兩個面內分杲（K，Vv ）和一個離面分最匕。當進行三維激光振動測最時，需要使

14、用三 束激光照射被測點。如圖17-10所示。在光路布置中,光束ZZ沿Z軸方向,用測量匕， 從而可得(1715)(1716)(1717)匕=V cose + V sineV.v =VZ cos屮 + Vv sin 屮由（1715）式、（1716）式解得速度分帚:為v -匕 cosGsin0#PDF created with pdfFactory Pro trial version V 一 V. cos屮 Vv =； (1718)sinvj/由多普勒頻移測彊速度的垠白 接的方法是利用高分辨率的光譜儀分析來口振動物體的 散射)t。由J：物體實際的振動速度比光速小得女，例如，當波長入為6328X 1O

15、10 秒、振 動物體的速度為10米妙時，可獲得HeNe激光的女普勒頻移的址丿、值，按(1714)計算, nJ WA/'p =31.6MHz ,而激光本身的頻率/很高(約為4.74x10,4Hz),即騙/= 6.67x10= 因此，肖接測最幺普勒頻率Md是不叮能的。而是當幺普勒頻移足夠人時，町以借助髙分 辨率的法布里珀羅十涉儀(Fabry-Perot )進行測鳳在一般情況卜，人藝數物體的振動速 度所引起的多普勒頻移在幾十千赫一兒十兆赫，超出了光譜儀的分辨率。這時需耍借助光 學差拍及參考光技術來測最。17.5激光多普勒光學信息處理將物體表而的反射光(頻率為/+ A/zP.和參考光(頻率為f

16、)相混介(相干)，利用 光探測器件接收相干光強，梵拍頻率等于4彷。常用的光學十涉裝置為邁克爾遜(Michelson) 干涉儀，如圖1711所示。激光朿經過分光鏡BS后被分成測鼠光束和參考光束，分光鏡BS與參考平晶M和物體 O的距離分別記為Xr和XM。相對應的光學位相分別為 =2kXR. G、產衣XM°式中A=2nA.o 取滬叭。參照17-2-I*的分析，光探測器接收到的是與時間相干的光強信息。I(t) = IRIM R + 2K1rImRcos(2tcA/dt + 4>)(1719)476PDF created with pdfFactory Pro trial version

17、 A和人分別為參考光束和測最光束的光強，k為合成有效系數，r為表面反射系數。e = 47兇A, AL為物體的振動位移，如果4L連續(xù)變化，光強/ (/)則呈周期性。AL每變化AZ2, 0則相應地改變2兀o <D的變化率正比于物體表面的振動速度.(1719)1中包含了一個 正比J：總光強的血流項和一個止比振幅AA或J7忑"的用I'l頻率。山J接收器得到的信號正弦(余弦)特征，并不能宜接確定振動方向。振動方向的確定通常有兩種途徑：光扌萊測器圖1711邊克爾遜干涉儀1. 在激光干涉儀的一個干涉骨上引入固定的光學頻移，比如利用布喇格聲光器件引入 附加頻移，從而得到一個虛擬的速度偏

18、移帚。2. 在干涉儀光路屮，加入偏振元件和附加的光電接收器，這樣，干涉儀就輸出與原始 輸出相差的新信號。Quartz oscillator光探測器40MHz圖1712外基干涉儀在人筋數情況卜，人們更傾向J：第一方案。在于涉儀中通過聲光調制器(Bragg cell),A40MHZ或更高的騾動頻率卜引入戯波信號。該信號與“物體頻率”相調制后，通過運算, 確定出頻率偏最相対J：中心頻率的符號和人小。這種類型的十涉儀稱為外差卡涉儀(heterodyne interferometer ),如圖仃一12所爪。引入附加頻率滄后,光強將變?yōu)?(/) = /r如 R + 2K J/rm R cos(2k f R

19、 Afd + )通過數字信號處理，町求得筋普勒頻移勾幾外差方法何一吐明顯的優(yōu)點：只有高頻的交流光探測器1 C)圖1713止交門墾干涉儀信號能被傳輸，對各種電路環(huán)節(jié)中引入的噪音、信號預處理、非線性效應等仃很好的解決效 果，同時不影響激光多泮勒成分的完整性。具體的信弓分析原理和處理過程可以參考冇關資 料和文獻。在第一種方案中，如圖1713所示.在正交自差干涉儀(quadrature homodyne interferometer)中使用1/8波片，偏振分光器，輔助的光電探測器等。該卡涉儀的激光器發(fā)出的激光沿45。偏振，參考光束臂的激光兩次經過了 1/8九波片.這 樣就使得光返冋分光器時成為了関偏振

20、光，関偏振光町以認為是兩個相互垂苴的線偏振光的 欠杲和。偏振分光器放置在光探測器1和光探測器2的前方。分別輸出耳相垂直的正弦和 余弦信號。讀者可以參考有關資料和文獻了解其體的信號分析原理和處理過程。激光管BSIBS2物體479PDF created with pdfFactory Pro trial version #PDF created with pdfFactory Pro trial version 聲光調制信號分析十涉儀圖1714激光多泮初測振裝代Polytec公司的激光多普勒測振儀使用的是外差式干涉儀。在干涉儀的一個腎上使用了聲光 調制器。關丁解碼信兮的詳細內容，請參閱相關文獻。1

21、7.6激光多普勒測振儀的工程應用仃61激光多普勒測振儀的技術參數山丁是II：接觸測屆，激光多普勒測振儀在測砒過程屮對物體的振動形態(tài)不產生影響，且 動態(tài)測屆范川很寬。傳感頭較小，被放宣在物體前方某-介理位宣，距離 般為0.04-5 X. 如果配備商業(yè)化的標準鏡頭，測屜距離對以達到10米。這樣町以實現(xiàn)高溫物體振動響應的 測量，而不損傷傳感頭。MetroLaser激光多普勒測振儀的技術指標如表所示：表-激光多浮勒測振儀的技術指標Laser Wavelength780 nmLaser Power5 mWWorking Distance0.01m - 3mDisplacement Sensitivity

22、1 nm at vibration frequency > 2 kHzVibration Frequency Range5 Hz to 80kHz(-3db)Vibration Velocity Range10pm/sm/sDynamic Range>75 dBAnalog Signal Output0.02 m/s per VoltWeight (Laser Head)1.4 kg (3.0 lb)Size (Laser Head)182 x 113 x 75 mm (7.2 x 4.5 x 3.0 in)Low Pass Filters10th order: 80 (off),

23、 50, 20, 10. 5.2, 1 (KHz)High Pass Filters2nd order: 5 (off), 100, 1,000 (Hz)圖17-15激光多普勒測振儀仃62影響因數在激光多普勒測振的過程屮，對測吊弟i度造成影響的外界因索仃：激光束的會聚點因被 測物體的振動而離焦物體衷而：測屆系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性：激光束本勺的強度分布：被測物體 的表而效應等：當被測物體農而沾染了油或水時，將影響衷而反射光的能彊和特性（隨機反 射），造成測駁謀差。當測彊旋轉體的振動時，山丁被測物體衣而的粗糙度和形狀等因索， 有時會造成反射光的瞬時消失，從而影響測量信號質量。卜-面主要介紹物體的表面效應

24、。激光多普勒振動測彊系統(tǒng)對被測物體衷而的光反射能力的耍求并不苛刻，也就是說，這 種類型的測彊系統(tǒng)能適應人部分的物體農面情況。通常的物體及面反射回的激光都能保證足 夠的光強度。對J徜反射率衷而，光波的傳播遵循反射定律，即入射角等J；反射角。測彊這 種類型農面的振動時，須調整光學系統(tǒng)的角度（方位），保證從物體反射回的泄向光波入射 到激光多普勒光學系統(tǒng)的接收孔徑。對J漫反射表面或粗糙衷而，如圖仃16所示，L11J-LDV圖1710漫反對農即Scattering from a Diffuse SurfaceScatteredIntensity圖17-17物體農而散射光的強度分布入射的激光沿人范用（人角

25、度）散射，散射光的強度分布遵循LAMBERT余眩定理，如圖 17-17所示。光反射的能斎與物體表而密切相關，物體表而的光吸收系數就直接影響著光 反射的能吊，如果物體表而的反射性能不能滿足激允多普勒測振的要求，可以進行簡單的表 面處理，如噴涂反光層（很小的顆粒體）等。但是耍保證附加的物質咸木上不影響或不改變 原仃物體的振動形態(tài)和力學響應。為激光照射到這些小顆粒時，這些很小的顆粒體可以看成 是隨機分布的一系列點光源，它們發(fā)出的子波將互相干涉，形成所謂的散斑圖像。如圖 1718所不。如果測彊時激光的聚焦點很小，即感受激光照射的點光源數很少，在某一指定方向 上，光波干涉時的光程差就會很小。這就導致在較人的角度范用內，十涉條件基本相同。單 個散斑的尺寸由卜式確定：S = D/X2(1720)6Q為單散斑的立體角，D為物體衣面上反射顆粒的 有效尺寸或宜徑，入為激光波長。從激光散斑圖像町以看出，每一個干涉區(qū)域的 激光強度分布呈破損狀，這會影響在邊克爾遜涉 儀中的卡涉信號。從而難以計算于涉信號的位相分 布。對于大多數被測物體而言,并不能保證其表面 完好無損。同時，物體表面在作平移和轉動時，激 光散斑的運動規(guī)律是明顯不同的，因此，如何處理 好激光女普勒測振中的散斑效應，一宜是保證和提圖17-18激光散斑圖像高測吊