1、目錄1 引言11.1本文的研究的意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12激光超聲理論22.1激光超聲概述22.2激光器及產(chǎn)生超聲機理32.2.1熱彈機制32.2.2燒蝕激發(fā)機理43 激光測振技術的理論基礎53.1 幾種測振方法53.1.1 全息干涉法測量技術53.1.2 散斑法測量技術73.1.3 激光三角法83.1.4 激光多普勒技術93.2 小結154激光多普勒測量葉片振動頻率154.1 多普勒頻移效應154.2確定測量葉片振動的方法164.2.1 激光干涉法測量葉片振動位移164.2.2激光多普勒測量葉片振動（頻率混疊法）184.2.3激光多普勒測量葉片振動（直接測量法）214.3方案選取234.

2、4器件的選擇244.4.1 激光器244.4.2 光電探測器254.4.3 F-P腔274.5激光多普勒葉片振動頻率實驗數(shù)據(jù)275 激光超聲技術在無損檢測領域的具體應用及存在的問題305.1 應用概況305.1.1 高精度的無損檢測305.1.2 惡劣環(huán)境下的材料特性測量305.1.3 材料特性的檢測315.1.4 薄膜、復合材料檢測，以及材料高溫特性等的研究315.1.5 快速超聲掃描成像315.2 存在的問題325.2.1 光聲能量轉(zhuǎn)換效率低的問題325.2.2激光超聲信號檢測靈敏度問題325.3 小結32參 考 文 獻33致 謝36第 頁 共 頁1 引言1.1 本文的研究的意義激光技術出

3、現(xiàn)于19世紀60年代，具有高亮度、單色性強和相干性好等優(yōu)點，在很多領域得到了廣泛的應用，與其他學科的互相滲透也越來越廣，帶動其它學科煥發(fā)了新的活力，激光超聲技術就是在這種條件下產(chǎn)生的一項新技術。激光超聲學是利用激光來產(chǎn)生和檢測超聲,并開展超聲傳播研究和材料特性無損評估的新興交叉學科。與傳統(tǒng)的壓電換能器技術相比, 激光超聲最主要的優(yōu)點是非接觸檢測, 它消除了壓電換能器技術中的耦合劑的影響, 可用于各種較復雜形貌試樣的特性檢測, 加上它又是一種寬帶的檢測技術, 并能用光波波長為測量標準而精確測量超聲位移, 所以是一種極有應用前景的新的無損檢測技術。1振動是外力作用在彈性體后產(chǎn)生周期運動的一種自然現(xiàn)

4、象，振動的研究與測試在工程應用和科學測量中占有非常重要的地位。當代工程中各種機械系統(tǒng)，如大型發(fā)電設備，重型機械，汽車，船舶，航空航天設備等，都不斷向著高速度、高精度、高準確度方向發(fā)展。由于振動載荷加快了機械設備的失效，降低機器設備的使用壽命甚至導致?lián)p壞釀成事故，并且振動產(chǎn)生的噪音會污染環(huán)境危害健康，因此如何測量振動并采取措施降低成為當前理論研究的熱點。目前對振動的測量可以分為兩種方式：接觸式和非接觸式。接觸式測量方法是指將傳感器（粘貼、螺紋連接等方式）在被測物體表面從而完成測量，但是由于各種因素使得這種測量方法在許多場合無法使用，例如，在對音響揚聲器膜片的振動、高溫物體的振動以及高速旋轉(zhuǎn)光盤的

5、跳動等的測量中。此外，接觸式測量方法的附加質(zhì)量也會改變實際結構的振動行為，使得測量結果失真。2目前，幾種常用的非接觸測量方法都是基于激光技術的。現(xiàn)代測試技術越來越注重測量結果的精度、效率等，非接觸測量方法高精度、高效率等特點決定了它在未來的測試技術里面不可取代的地位。本文主要探討納秒激光測振系統(tǒng)的組成，并實現(xiàn)由納秒脈沖激光激發(fā)特定材料的樣品（比如鋁板或PMMA板）的超聲振動，并由探測激光測出超聲振動的頻率和強度分布。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近20年來，激光測振技術發(fā)展很快。目前激光干涉技術已經(jīng)成為加速度計量的最基本溯源手段之一，激光測振儀、激光全息干涉測振儀、電子散斑干涉測量儀、電子散斑剪切干涉

6、測量儀、激光風速儀等各類儀器的性能不斷提高，廣泛地應用于科學實驗室和工程測量。自 1960年以來 ,激光多普勒技術由于在測量中具有高的空間和時間分辨率 ,不接觸測量物體 ,不擾動測量對象 ,能測量原有測速技術難以測量的對象而引人注目。1964年 , YEH和 CUMM IUS發(fā)表了第 1篇關于激光多普勒技術測速的論文后 ,此項技術立即受到各方面的重視并進行了大量的理論分析和試驗研究 ,取得了顯著的成果。70年代后 ,國外廠商已經(jīng)開始向市場提供比較完備的產(chǎn)品并在不斷更新。激光多普勒測振技術現(xiàn)在成為科學技術及許多行業(yè)中不可少的檢測方法 ,己經(jīng)從流體和固體的速度測量發(fā)展到了振動測量領域。3檢測激光超

7、聲的技術有常用的方法有如下幾種。第一種是壓電換能器（PZT）檢測法。這是比較經(jīng)典的方法，靈敏度比較高，其響應頻率也比較寬，多在實驗室用。常用的換能器有電磁、電容、壓電陶瓷換能器、電磁聲換能器和電容聲換能器。第二種是光學檢測器。這是利用連續(xù)檢測激光照射到樣品表面，接收表面的反射光，并從反射光的相位、振幅、頻率等的變化中得出光激超聲信號的方法。2 激光超聲理論2.1 激光超聲概述激光超聲是指用脈沖激光在物體中產(chǎn)生的超聲波，或利用脈沖激光來產(chǎn)生超聲波這物理過程。作為超聲學新近發(fā)展起來的一個分支，激光超聲學涉及光學、聲學、電學、材料學等學科。激光超聲檢測系統(tǒng)一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)主要由

8、一臺高能脈沖激光器構成，接收系統(tǒng)一般由檢測激光、激光干涉儀、光電探測器、信號放大處理電路等組成。當檢測激光照射到樣品表面時，4超聲振動會對它的反射光進行調(diào)制，使超聲振動信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?干涉儀能夠測量細微的光程或光頻率變化它把光信號攜帶的超聲振動信息解調(diào)出來。光電探測器是由光電二極管構成的，它的作用是將光信號中的超聲信號轉(zhuǎn)變成電信號。光電探測器的輸出信號很小，而且有噪聲，所以需要信號放大處理電路對電信號進行放大，提高信噪比。超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)

9、業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。2.2 激光器及產(chǎn)生超聲機理激光激發(fā)超聲應選擇恰當?shù)募す夤庠?。由于工作在熱彈性機制下的光聲轉(zhuǎn)換效率比壓電換能器低得多，所以選擇合適的激光器以提高信號強度非常重要?，F(xiàn)在用于生成超聲波的激光器有：Nd:YAG激光器、CO2激光器、氮激光器、染料激光器等，其中Nd:YAG激光器使用得最多。激光器可分脈沖激光器和連續(xù)激光器，現(xiàn)在使用脈沖激光器的比較多。利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。5直接式是使激光與被測材料直接作用，通過熱彈性效應或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來產(chǎn)生超聲波。一般

10、認為，固體中激光激勵超聲波的機理隨入射激光的功率密度和固體表面條件的不同而改變。根據(jù)激光光束強度的不同，激勵超聲脈沖有兩種機制：熱彈機制和燒蝕機制。對于表面干凈、無約束的固體，如果入射激光的光功率密度低于固體表面的損傷閾值(金屬材料般為107Wcm2)，產(chǎn)生的熱能不足以使固體表面熔化，則在產(chǎn)生超聲過程中，熱彈效應激發(fā)起主要作用；當激光功率密度較高時，固體表面溫度上升使局部融化，以至出現(xiàn)燒蝕此時，盡管熱彈激發(fā)效應仍然存在，但是燒蝕激發(fā)效應起決定性的作用。 隨著激光技術的發(fā)展，激光脈沖寬度進一步壓縮(壓縮至ns量級，或fs量級)，在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理的基礎上，形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。2

11、.2.1 熱彈機制當由具有Q開關的脈沖激光器發(fā)出的激光束照射到清潔的、自由的金屬板表面上時，如果單個脈沖的光功率密度足夠低(小于107Wcm2)，照射試樣表面的激光光功率密度低于試樣表面的損傷閾值，則金屬表面不受損傷。這時在照射點附近的表面薄層內(nèi)產(chǎn)生了急劇的熱膨脹，正是這個熱彈效應激發(fā)了偏振方向與表面平行的應力波，即超聲剪切波。當脈沖激光投射到不透明固體表面上時，它的能量一部分被反射，另一部分被吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能，使樣品表面產(chǎn)生幾十到幾百度的溫升。對于電導率很大的固體(如金屬)。光的吸收只發(fā)生在表面下數(shù)微米的范圍內(nèi)，吸收光能的淺表部分由溫度上升而發(fā)生膨脹。只要激光脈沖很短(<100ns)

12、，則熱擴散效應就很小6，熱彈源位于很薄的表層內(nèi)(約幾)。當金屬表面處于自由狀態(tài)時，淺表層的體積膨脹引起的主要應力平行于材料表面，理論上它相當于時間上是階躍函數(shù)H(t)的切向力源，可以激發(fā)橫波、縱波和表面波。在熱彈機制下，主要的應力是與表面平行的，雖然也有與表面垂直方向的應力，但很小。所以這種情況下，主要激發(fā)出超聲橫波和相對幅度很小的縱波。7由于固體淺表層的局部升溫并沒有導致材料的任何相變，所以熱彈激發(fā)效應具有嚴格無損的特點，它是激發(fā)超聲使用最廣泛的方法。熱彈激發(fā)超聲過程中，光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低，為了提高熱彈激發(fā)超聲的效率，常在固體表面涂各種涂層(如水，油)，以增加表面的光吸收系數(shù)23。同樣

13、，采用脈沖寬度極窄的高能量密度光束照射，也可以獲得較高的聲波能量。2.2.2 燒蝕激發(fā)機理汽化應力超聲源激光脈沖圖2.1 燒蝕激發(fā)機理示意圖當入射激光的功率密度大于樣品表面的損傷閩時，表面材料汽化，對樣品產(chǎn)生一法向沖力，從而激發(fā)超聲波，稱為燒蝕激發(fā)機理。燒蝕激發(fā)機理的原理如圖2.1所示。對于金屬，當入射激光脈沖功密度大于107/cm2時，其表面因吸收光能導致溫度急劇升高，當溫度超過材料的熔點時，會有約幾微米深的表層材料發(fā)生燒蝕，8部分原子脫離金屬表面，并在表面附近形成等離子體。這一過程可產(chǎn)生很強的垂直于表面的反f作用力脈沖，相當于給表面施加個時間為沖擊函數(shù)（t）的法向力。從而激發(fā)出幅值較大的超

14、聲波，這種波源形式也可激發(fā)出所有類型的超聲波25。這種機制的超聲激發(fā)效率比熱彈機制高4個數(shù)量級，可以獲得大幅度的縱波，橫波和表面波。但由于它每次對表面產(chǎn)生約O3的損傷。所以只能用于某些場合，且通常用來產(chǎn)生縱波。隨著激光技術的發(fā)展，激光脈沖寬度進一步壓縮(壓縮至ns 量級，或fs 量級)，在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理的基礎上，形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。如熱柵法激發(fā)、熱應變激發(fā)、電子應變激發(fā)以及非熱機制- 反壓電效應激發(fā)等方法。9 用兩束來自同一激光器的光脈沖，交叉(夾角為 )同時入射至樣品，在樣品中或表面形成光干涉圖(光強峰- 谷交替)，受照射處的樣品吸收此柵狀光能而熱致產(chǎn)生超聲(聲子) ，稱

15、為熱柵激發(fā)機理。熱柵法已能激發(fā)頻率可變(3MHz -30G Hz)的超聲。 熱應變激發(fā)是指用一束超短光脈沖照射在基片上的吸收薄膜上，薄膜的受熱升溫部份會產(chǎn)生熱應力，從而激發(fā)超聲波，成為熱應變激發(fā)。 與納秒級激光相比，皮秒級(或飛秒級)激光的最大不同之處是它可以通過電子應變激發(fā)機理激發(fā)超聲。當高強度、超短光脈沖照射半導體時，共價晶體中原子的價電子脫離原子，但電子來不及在如此短的時間內(nèi)把過剩能量交給晶格，使電子和聲子在非常短暫的期間會失去熱平衡，從而使電子和聲子各有明確的不同的溫度。其中。電子的溫度可以高達 500-600K或更高，電子將以超音速的速度擴散，通過電子- 聲子的復合把能量傳給晶格而自

16、身冷卻下來。而晶格的溫度變化很小，不會超過幾度。10在電子超音速傳遞期間，電子會對介質(zhì)產(chǎn)生應力，從而會影響所產(chǎn)生的超聲的波形，稱為電子應變激發(fā)機理。電子對介質(zhì)的應力將加寬波形，加寬的程度和電子- 聲子復合程度有關。非熱機制-反壓電效應激發(fā) 指的是在壓電半導體中光生非平衡態(tài)載流子，當有一瞬態(tài)電場作用時，電子與空穴產(chǎn)生瞬態(tài)分離而產(chǎn)生聲波?，F(xiàn)在,這些技術已能在頻率為幾百 G Hz(已達440GHz) 時成功地以 1-10nm的空間分辨率在室溫測量超聲衰減和速度，使得激光超聲能測材料的微結構，并求出微結構中不同組份的力學性質(zhì)和界面質(zhì)量，這是其他方法不能與之比擬的。3 激光測振技術的理論基礎3.1 幾種

17、測振方法3.1.1 全息干涉法測量技術早在1965年R.L.Powell和K.A.Stetson就將全息干涉測量技術應用于振動測試。全息干涉測量技術是將同一光束在不同時刻的波全紀錄于同一張全息圖上，當用原參考光再現(xiàn)時就會形成兩個以上的三維像。如果再現(xiàn)像滿足相干條件，這些再現(xiàn)光波疊加后會發(fā)生干涉，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋這些干涉條紋帶有振幅的信息，稱為振型圖。激光具有良好的相干性，全息干涉測量技術不僅記錄了物體的振幅變化，而且記錄了物體的相位變化，用全息干涉測量技術還可以對物體振動進行非接觸的全場同時測量。這使得全息干涉法測量振動時有很多優(yōu)點。例如葉片振動測量:在葉片的損壞中，有近90%是由于共振振裂

18、或振斷的。11而現(xiàn)在葉片的形狀越來越復雜，以前的測量方法受到越來越多的限制，而全息干涉法克服了原有測量方法的缺陷和局限性，不僅可以測量低階振型，而且可以測量出高階復雜振型。圖3.1 激光全息干涉法測量光路圖圖3.1是中國船舶科學研究中心將激光全息干涉法用于大側斜螺旋槳模型及古樂磐的振型測量光路圖。壓電晶體使物體做穩(wěn)定周期運動，對被激振物體進行全息照相，則葉片振動的全部信息都記錄在全息干板H上;處理干板后，用參考光再現(xiàn)，便可得到葉片在某固有頻率下的振型圖。圖上具有明暗相間的條紋，各點的光強是葉片上各點振幅函數(shù)，可用第一類零Bessel函數(shù)來表示。該系統(tǒng)成功地獲得了槳葉在共振頻率下一至五階的軸向振

19、型及磐的二個振型圖。用全息干涉技術可以對物體振動進行非接觸的全場同時測量，從而克服了傳統(tǒng)逐點測量精度低、工作量大等缺點，12但由于要用膠片做記錄介質(zhì)，需要沖洗等費時費力的化學過程，操作過程復雜，并且全息法在許多場合被認為太靈敏，它記錄信息過多，記錄介質(zhì)的分辨率要求過高，因此很難在實踐中推廣應用。3.1.2 散斑法測量技術激光散斑振動測量技術是利用激光的高相干性，激光照射到物體粗糙表面時將產(chǎn)生散斑場，該散斑場記錄了被測物體表面的信息，并對該散斑場進行數(shù)字圖像處理，就能以干涉條紋的形式得出被測信息的等高線，通過條紋判斷使能得到振動物體的位移。散斑法測量技術可分為:散斑照相法、散斑干涉法和電子散斑干

20、涉計量(ESPI)等。13散斑干涉技術具有非接觸、高精度和全場等優(yōu)點，一直為人們所重視，尤其是被大量地應用于表面變形的測量。散斑照相法通常利用銀鹽干板做記錄介質(zhì)，不僅費時費力，操作過程復雜;而且干涉條紋圖的處理極其費時，這導致了推廣干涉技術的困難。為了解決記錄方法和干涉條紋圖自動處理等問題，提出了電子散斑干涉法(ESPI )。電子散斑干涉法(ESPI)又稱電視全息(下V-holography )，是全息術的一種發(fā)展，最初是由Butters和Leendertz在1971年提出的。14圖3.2 激光散斑測量光路圖圖3.2所示為一個激光散斑應用實例。由激光發(fā)生器發(fā)出的光經(jīng)反射鏡M，到分光鏡M2，在M

21、2處分成光強相等的兩束相干光，兩束光分別經(jīng)反射鏡M3和M4，擴束鏡M8和M5擴束和準直鏡M7和M6變?yōu)閮墒叫泄馊肷涞戒X板背面，在鋁板表面前方相互干涉形成散斑場。當鋁板受熱變形時，鋁板前面的散斑場將發(fā)生變化。用CCD攝像機和圖像卡連續(xù)采集散斑場的動態(tài)變化，采集的圖像保存到計算機上，便于后續(xù)處理。3.1.3 激光三角法激光三角法的振動位移測量原理如圖2-3所示。He-Ne激光器發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射透鏡L1匯聚于被測物體表面的O點處形成入射光點，該光點在空間的部分散射，光通過接收透鏡L2匯聚到光電探測器PSD(位置敏感器件)上形成像光點O'。當入射點與該光學結構發(fā)生相對于入射光軸方向的振動位移z

22、時，引起像光點在光電探測器感光面上發(fā)生位移z'，從而引起PSD輸出信號的變化。通過探測該信號的變化即可以求得z'，則z為 Z=az'sinbsin-z'sin(+) (3-1)通常為了安裝方便使PSD平面與透鏡L2的光軸垂直。15則上式可化簡為 Z=a-f2z'f2sin (3-2)圖3.3 激光三角法測量光路圖f2為透鏡L2的焦距，物體的振動情況通過PSD光電輸出，經(jīng)后續(xù)電路處理后，可得到與被測物體位移成正比的電壓信號，激光三角法采用幾何光學的方法測量，但該方法的測量范圍和分辨率受限于光點探測器PSD的尺寸和靈敏度，另外該方法的工作距離受限于發(fā)射透鏡的

23、焦距，因此該方法不適于測量遠距離處的微小振動。3.1.4 激光多普勒技術1842年奧地利科學家doppler首先發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運動，會使頻率發(fā)生變化，即產(chǎn)生所謂的多普勒頻移效應fuel。當傳播物為光波時，就稱為光的多普勒效應。16激光的多普勒效應最初用于流體的流速的測量，如今其應用已發(fā)展到很多場合，如血液流速測量、風速測量、位移測量、振動測量等等。自從1964年YEH和CUMMIUS首先觀察了水流中粒子的散射光頻移，證實可以用激光多普勒頻移技術來確定流體速度以來，激光多普勒技術以它精度高，動態(tài)響應快，測量范圍大，非接觸測量等特點得到了長足的發(fā)展。七

24、十年代集成光學單元有力進一步的發(fā)展，使得該系統(tǒng)的光路結構更為緊湊，調(diào)整也大為方便，多種近代光學技術在激光多普勒技術中的到了廣泛的應用，這使得LDV測量應用更為廣泛。70年代后，國外廠商已經(jīng)開始向市場提供比較完備的產(chǎn)品并在不斷更新。激光多普勒測振方法現(xiàn)在成為科學技術及許多行業(yè)中不可少的控測方法，已經(jīng)從流體和固體的速度測量發(fā)展到了振動測量領域。振動測量因為能反映物體的動態(tài)特性，特別是高速運動的物體，所以在工程中具有十分重要的意義。自從1983年南安普敦大學的光振研究所發(fā)明第一臺激光多普勒測振儀開始，激光多普勒測振儀從單光束、交叉光束測量發(fā)展到了多光束測量。國外一些知名的生產(chǎn)激光多普勒測振儀的廠家，

25、如B&K公司、德國的Polytec公司，已經(jīng)制造出了相應型號的激光多普勒測振儀。國內(nèi)天津大學、西安交通大學等研究部門也進行了相應的研究。激光多普勒測振技術大概可分為以下幾種。171參考光測量技術激光多普勒參考光測量技術的基本原理為:利用相干的激光來照射振動物體表面，從物體表面散射回來的反射光會發(fā)生頻移。利用光學與電子學的方法測出散射光的頻移，便可得到振動表面的振幅、振頻、速度和加速度等各個振動參數(shù)。圖3.4為著名的麥克耳孫干涉儀的基本原理圖。氦氖激光器輸出激光，經(jīng)過半透半反鏡(PBS)，將激光分成兩束，透過的部分作為測量光束投射到測量反射鏡片上，再由測量反射鏡反射回來，經(jīng)PBS反射進入

26、光電倍增管。另一束作為參考光束，由PBS反射到固定的參考反射鏡，再反射回來至PBS,并透過PBS照射到光電倍增管，與測量光束匯合，發(fā)生干涉，形成一定的干涉條紋圖形。當被測物發(fā)生振動時，測量光束與參考光束的光程差發(fā)生變化，干涉條紋移動，光電倍增管接受到的光信號發(fā)生明暗交替的變化。圖3.4 邁克爾遜干涉儀的基本原理圖利用參考光原理設計的測量系統(tǒng)所需要的光電器件較少。因此，該系統(tǒng)便于調(diào)試，成本較其它系統(tǒng)低。同時由于光電器件的減少，也減少了干擾因素，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。18但是由于參考光和測量光是同一束激光經(jīng)分光鏡一分為二得來的，當測量光發(fā)生頻移和參考光混頻時，無論測量光的頻率怎樣變，兩束光的

27、差頻總是正的。所以參考光測量技術無法辨認振動方向。2 差動多普勒測振技術雖然參考光方法十分有用,但大多數(shù)使用的裝置并不含參考光,而是將兩束等強度的光聚焦并相交在測量點處。圖3.5所示為差動多普勒測振儀提供的一種測量扭振的光路圖。在該光學結構中,光電探測器輸出的多普勒拍頻fD為： fD=2vsin(2) (3-3)式中v是在光束交叉點處的切向表面速度,是激光波長,(2一3)是入射激光束的夾角。圖3.5 差動多普勒測振儀光路圖雖然由于差動技術的出現(xiàn),使得激光多普勒技術在很多場合得到實用,但這種技術有兩大缺點。一是激光束的交叉域一般小于1mm,因此,被測體表面在測量過程中都必須在這個區(qū)域內(nèi)。顯然,被

28、測對象或儀器的移動將會影響測量精度。二是在實際中,被測對象會出現(xiàn)橫振現(xiàn)象,該振動在切向上的分量將會混淆數(shù)據(jù),差動結構不能把橫振從扭振中區(qū)分出來。193 激光扭振技術激光扭振技術具有新穎的光路設計,扭振測量不再受被測量對象橫截面形狀和橫振的影響。圖3.6所示為B&K公司推出的角振動測量儀TorsionalvibrationTransdueerMM0071中的扭轉(zhuǎn)振動傳感器MM0071的工作原理圖。圖3.6 角振動測量儀光路圖傳感器的發(fā)光元件是激光器。激光器產(chǎn)生的激光由分光鏡分成等強度的兩束平行光,其間距離為d。當光束達到轉(zhuǎn)軸后被反射。返回光通過透鏡及其光具組聚焦復合于光電探測器上,檢出多

29、普勒信號。圖3.6中被測物體為旋轉(zhuǎn)軸,軸的橫截面形狀可以是任意的。設旋轉(zhuǎn)軸既有角運動,同時又有線運動,這正好與工程中通常遇到的問題相符,如船舶柴油機曲軸的運動是其基礎運動和自身的運動復合。以VxVyVz表示被測軸的三個平動速度分量,以表示軸轉(zhuǎn)動角速度。光束照射點A處的表面速度在X方向的分量可通過幾何關系得到: VAX=VX+RAcosA （3-4）同理,光束照射點B處的軸表面速度在X方向上的分量 VBX=VX+RBcosB （3-5） 式中RA,A及RB, B的幾何意義可在圖3.6中找到，分別為矢徑和夾角。兩反射光經(jīng)光具組會聚在同意光電二極管上，迭加后的合成光強為： I=21+cost2d （

30、3-6）上式中2d/即為多普勒拍頻。光強變化頻率直正比于轉(zhuǎn)軸角速度，并與軸的剛體平動速度毫無關系。這正好可以避免平動的干擾。3 外差多普勒測量技術為了解決參考光測量技術的特點,1976年起美國NASA(美國宇航局)發(fā)展了外差多普勒測量技術。其原理是通過光頻調(diào)制器將參考光作一頻移。如圖3.7所示。由激光器發(fā)生頻率為f0的激光束經(jīng)分光鏡入射到被測表面,由于測量表面的運動,反射光將產(chǎn)生多普勒頻移fD: fD=2v （3-7）式中v為表面運動速度,為激光的波長。頻率為f0+fs的參考光束和頻率為f0+fD的反射光束混合并投射到光電探測器上產(chǎn)生拍頻信號,經(jīng)電子信號處理系統(tǒng)得到頻率為fD-fs的拍頻信號,

31、對其進行分析和處理就可得到所需的振動信號。這種光路結構能分辨出被測表面的運動方向。圖3.7 外差多普勒測量光路圖對激光頻率進行調(diào)制以產(chǎn)生兩個頻率穩(wěn)定、帶寬滿足要求的相干雙頻的光頻調(diào)制方法有很多。比較常用的兩種方法為:聲光調(diào)制和磁光調(diào)制(塞曼效應)。20（1） 磁光調(diào)制法1986年塞曼發(fā)現(xiàn)了在外磁場的作用下光的頻率有微弱的變化。光源發(fā)出的光在磁場的作用下,由于分裂成有一定頻率差的左旋偏振光和右旋偏振光。利用塞曼效應制作的雙頻激光器加上軸向磁場,可以獲得頻率相差大約在1.5M-2M的兩束相干光。圖3.8所示為一雙頻激光干涉儀的光路圖。在氦氖激光器上沿軸向施加磁場,由于塞曼效應激光被分裂成有一定頻率

32、差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2(常用的雙頻激光干涉儀把這一頻差設計成1.5MHz)。通過1/4波片后,f1和f2變成相互垂直的線偏振光vl和v2,又被半透半反鏡(PBS)Bl分成兩束。其中一束光反射到通過偏振方向與兩線偏振光偏振方向45°的檢偏鏡Pl上,產(chǎn)生拍頻信號。光電探測器Dl對兩倍光頻的和頻信號沒有響應,接收到的只是頻率為v的參考差頻信號。另一束光透過半透半反鏡B1向前傳播,進入偏振分光棱鏡B2后,偏振方向垂直紙面的vl被完全反射,偏振方向在紙面內(nèi)的v2完全透射。再經(jīng)由參考反射鏡M1和測量反射鏡M2反射回來合束,通過功能類似檢偏鏡P1,的檢偏鏡P2,產(chǎn)生的拍頻信號被廣電探測

33、器D2接收。由于測量反射鏡M2以速度V運動,光的多普勒效應使由M2返回的光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移±v。(正負號取決于測量反射鏡的運動方向),D2接收到的測量信號頻率為v±vD。將測量信號與參考信號進行同步相減,得到多普勒頻移±vD。多普勒頻移對測量時間積分,也就是說進行累計計數(shù)就可以測出測量反射鏡的位移量。圖3.8 雙頻激光干涉儀的光路圖（2） 聲光調(diào)制法聲光調(diào)制原理源于介質(zhì)的聲光效應。聲波是彈性波,它會使介質(zhì)發(fā)生彈性應變。于是介質(zhì)的折射率相應發(fā)生改變,這就是當光波平行于聲波波陣面入射時,即可觀察到發(fā)生衍射產(chǎn)生的對稱近似等間距排列的多極衍射光,從而實現(xiàn)對激光進行調(diào)制

34、的目的。圖3.9 聲光調(diào)制測量系統(tǒng)光路圖圖3.9為利用聲光調(diào)制測量系統(tǒng)進行位移測量的原理圖。從穩(wěn)頻激光器輸出的單頻激光經(jīng)聲光調(diào)制器(AOM)產(chǎn)生0級及+1級衍射光。0級光經(jīng)擴束準直鏡擴束準直后進入棱鏡M作為測量光;1級光經(jīng)反射鏡反射后,在合光棱鏡處與測量光相遇形成拍頻。當棱鏡M移動時,由于多普勒效應而產(chǎn)生頻率變化f。由光電探測器D接收并進行處理而獲得位移信息。213.2 小結根據(jù)以上幾種激光測振技術的比較,可以看出激光多普勒技術的優(yōu)越性,所以在本文所研究的激光測振儀采用多普勒技術對風扇葉片振動進行檢測。4 激光多普勒測量葉片振動頻率4.1 多普勒頻移效應多普勒頻移效應是為了紀念克里斯琴

35、3;多普勒·約翰而命名的，他于 1842年提出這一理論，主要內(nèi)容為：物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高。在運動的波源后面，波被拉長，波長變得較長，頻率變得較低。波源的速度越高，產(chǎn)生的頻移效應越大。多普勒效應是速度測量中所用到的最主要的物理效應。假設一個固定波源發(fā)出頻率為fs的單頻波，波的傳播速度為c，波長為，觀測者相對于波源的運動速度為v，觀測者接收到的波頻率為 f ，產(chǎn)生的頻移量為 f。22下面我們做一個簡單的推導：如果波源和觀測者都不動，那么時間t內(nèi)觀測者接收到tfs 個波長。如果觀測者相對于波源以速度v 運

36、動（向波源方向運動為正，相反為負），那么相當于在時間t內(nèi)，觀測者多接收到了vt/l個波長。 f=fs+v （4-1）因為fs=c，整理以后得： f=fx(1±vc) （4-2）多普勒頻移f： f=v=fsvc （4-3）觀測者相對于波源的運動，等同于波源相對于觀測者的運動，于是我們可以得出一個常用的多普勒頻移測速公式： ffs=vccos （4-4）式中為物體運動方向（觀測者的運動方向）與波束之間的夾角。當=0時，即波束與物體運動方向平行，可以用來測量物體的運動速度，間接得到物體的振動頻率。振動的測量可以通過測量物體相對于平衡位置（理想穩(wěn)定狀態(tài)）的位移的幅度（位移量s ）、相對于固定

37、參考系的振動速度（速度量v）以及物體由于振動而產(chǎn)生的加速度（加速度量a ）三種方式來實現(xiàn)。由數(shù)學關系：，,。三者又可以相互轉(zhuǎn)換，通過測量物體振動的位移、速度、加速度中的一個參數(shù)，就可以得到物體的振動頻率。因此，可以利用激光多普勒技術測量葉片的瞬時振動位移、速度來得到葉片的振動頻率。目前基于多普勒頻移原理的測速方法有：超聲波多普勒測速、微波多普勒測速和激光多普勒測速。超聲波多普勒測速在日常生活中常見的應用包括：自動門開關、防盜報警、交警對超速車輛的監(jiān)查、氣象雷達等。23微波多普勒測速主要包括：微波雷達槍、微波測速傳感器控制自動門、防盜報警器、汽車防撞雷達等。激光多普勒測速主要包括：激光測速槍、激

38、光測振儀、激光多普勒測流速等。4.2 確定測量葉片振動的方法4.2.1 激光干涉法測量葉片振動位移1 光路圖如下圖4.2 激光干涉法測位移光路圖一圖4.2 激光干涉法測位移光路圖二2 測量原理（1）光的干涉：干涉現(xiàn)象是光的波動性獨有的特性，兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象，稱之為光的干涉現(xiàn)象。明與暗的間隔為半個波長，即/2l。干涉產(chǎn)生的條件：只有兩列光波的頻率相同，相位差恒定，振動方向一致（光具有偏振現(xiàn)象）的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。（2）利用光的干涉測量位移的原理：如圖 4.1 和 4.2，如果被測物體位置改變時，反射光

39、路的長度發(fā)生變化，干涉時相位會發(fā)生改變，反映在干涉條紋上的現(xiàn)象是，明暗交替的干涉條紋會沿著一個方向運動。通過光探測器來檢測通過某個點的光強變化，可以“數(shù)”出條紋的移動距離，來推算出物體的移動距離。如圖4.1，一個角錐反射鏡緊緊固定在分光鏡上，形成固定長度參考光束。 另一個角錐反射鏡相對于分光鏡移動，形成變化長度測量光線。從激光頭射出的 激光光束具有穩(wěn)定的單一頻率，當此光束到達偏振分光鏡時，被分成兩束光 反射光束和透射光束。兩束光被傳送到各自的角錐反射鏡中，然后反射回分光鏡 中，在探測器中形成干涉光束。如果兩光光程差不變化，探測器將在相長干涉和 相消干涉的兩端之間的某個位置觀察到一個穩(wěn)定的信號（

40、即干涉條紋不動）。如果兩光程差發(fā)生變化，每次光路變化時探測器都能觀察到相長干涉和相消干涉兩 端之間的信號變化，這些條紋被數(shù)出來，用于計算光程差的變化，測量的長度等于條紋數(shù)乘以激光波長的一半，即。圖4.2的光路，與圖4.1類似，因為接收器的位置與激光器相差90度，因 此角錐反射鏡可被反射鏡代替，但系統(tǒng)占用空間較大。3.系統(tǒng)組成激光器、半透半反鍍銀分光鏡PBS、反射鏡（或角錐反射鏡）、光敏二極管（或 光電倍增管）、示波器（或信號處理與采集系統(tǒng)）4.系統(tǒng)適用范圍低頻大振幅或高頻小振幅的振動情況。由于多普勒頻移的存在，使得測量結果受到一定影響，如果振動速度不大，對于測量平均位移來說仍有較高的精度。4.

41、2.2 激光多普勒測量葉片振動（頻率混疊法）圖4.3 激光多普勒振動速度測試原理1.測量光路：如圖4.3，此種測試方法基于邁克爾遜干涉原理。2.測量原理由激光器發(fā)射出一束穩(wěn)定的頻率為fs的單頻激光，經(jīng)過一個半透半反分光鏡 后被分成兩束。其中一條光束作為測量光束經(jīng)過另一個半透鏡后射向被測物體表 面，另一束光線作為參考光束經(jīng)過反射后射向圖下方的半透鏡，然后和測量光束 一起射向光電倍增管。測量光束經(jīng)過測量物體的漫反射（或貼反光膜反射）后， 頻率發(fā)生改變fs+ Df，與參考光束一起進入光電倍增管進行混頻。反射光由于物體的振動而發(fā)生的多普勒頻移即為： f=fsvc （4-5） 式中：v-物體的振動速度C

42、-光速也就是說，如果振動速度v=3m/s，fs=5×1014HZ，那么多普勒頻移f=5×106HZ。3.信號采集與處理如何將多普勒頻移量解調(diào)出來有兩種方法，一種是利用光電倍增管測量光的差拍，間接解調(diào)出多普勒頻移量。一種是利用光譜儀直接分析混合后的光譜，可利用法布里珀羅干涉儀來實現(xiàn)。（1） 光學差拍光學差拍技術是兩個光束的外差或依賴于時間的干涉。外差是無線電中熟悉的技術，它由兩個信號相加再通過一個非線性電路元件或“檢測器”?！盎旌稀焙蟮妮敵霭撕皖l、差頻及諧波，而頻率較低的差頻可以用低通濾波器分離出來。圖4.4 差拍示意圖如圖 4.4，輸入頻率為f1和f2的兩個信號（a）和

43、（b）相加后得到的結果為（c），這是由兩個信號交替的相長和相消干涉（或差拍）形成的一個振幅以（f1-f2）調(diào)制的波形。將（c）整流或檢測后產(chǎn)生輸出（d），其中包含了一個直流分量和以拍頻（f1-f2）變化的輸出。同樣的原理可以應用于光學。將兩束不同頻率的光同時照射在光學檢測器上，可以觀察到差拍，光檢測器的輸出與入射光的光強成正比，所以這兩個光場在檢測器上相加產(chǎn)生了包含差頻的輸出。（2）利用光電倍增管（或光敏二極管）測量多普勒頻移由于測量光束在經(jīng)過被測振動物體反射后，其頻率和參考光束存在一個差頻f，兩束不同頻率的光直接照射在光探測器上，產(chǎn)生了不穩(wěn)定的干涉，即兩束光由于干涉而產(chǎn)生的強度隨時間的變化可

44、以用對應的電場強度隨時間的改變來描述。假設沒有發(fā)生多普勒頻移的光束所對應的電場強度隨時間t的改變表示為： Is=Essin(2fst) （4-6）式中：Es-電場幅度Fx-激光頻率發(fā)生多普勒頻移后的廣場強度為： I=Essin(2fs±ft) （4-7）式中：f-多普勒頻移對一個系統(tǒng)來說，電場的幅度Es是一個常數(shù)，光電倍增管處測量的光的電場強度I（t）是兩者的疊加，可以表示為： It=Essin2fst+sin2fs±ft （4-8）經(jīng)過三角函數(shù)變換后： It=Escos(2ft)×2sin2fs±ft （4-9）因為多普勒頻移 f遠遠小于光波本身的頻率

45、fs ，實際上測量的得到電場強度的幅值被余弦函數(shù)cos(2ft)調(diào)制。光電倍增管（或光敏二極管）所測量的是正與比電場強度平方的光強度，光傳感器的輸出實際上是頻率為 f的交流電信號，只要測量出交變信號的頻率即可推算出物體的振動速度。由于交變信號的頻率也可以精確測量，所以速度測量的精度很高，而激光多普勒振動測量的精度主要受系統(tǒng)的噪聲所限制。244.2.3 激光多普勒測量葉片振動（直接測量法）本方案與方案二的區(qū)別在于用 F-P 腔直接分析測量光束的頻率，不需要參考光束，幾何光路用光纖代替，系統(tǒng)結構簡單，組建方便直觀。1.測量光路圖2.6 基于F-P腔的激光多普勒測振光路圖2.測量原理F-P 腔（Fa

46、bry-perot Cavity）是基于法布里珀羅干涉原理的高精密光譜分析器件。一般多用于分析布拉格光柵的測量光束光頻率。利用 F-P 腔可以將測量光束的頻率直接解調(diào)出來（1） 反射光之間的干涉平行表面反射光之間的干涉是法布里珀羅干涉法的基礎，如圖 4.6 所示的一塊玻璃板的兩個面，光程差是2hucos，h是玻璃板的厚度，是玻璃種的射線對表面法線的傾角。調(diào)整板件厚度h，當兩部分反射光之間滿足關系式2hcos=(n+12),則會產(chǎn)生相長干涉。圖4.6 法布里-珀羅干的多束光反射（2 ）法布里珀羅干涉儀法布里珀羅干涉儀是光譜分辨率極高的多光束干涉儀，其原理：平行表面反射所產(chǎn)生的多光束之間的干涉是法

47、布里珀羅干涉儀的基礎。，兩個平行的楔形鏡面，間距為h ，常數(shù)u 為幾何光學中的折射率。當單頻光源中的一束光經(jīng)過透鏡聚焦后，以垂直入射的角度射入楔形鏡面。楔形鏡面表面具有很高的光學質(zhì)量及高的反射率，所以每當光線和其中任一表面碰到時僅有很少一部分光投射過去，大部分光線被反射回來。25這樣經(jīng)過多次反射后，每次反射的透射光線經(jīng)過透鏡的聚焦，在 一點發(fā)生干涉。這就有能使干涉大大銳化的效應。在這里，不加證明地給出法布里珀羅干涉條紋的間距公式：s=22h （4-10）式中：h-楔形鏡面的距離 u-折射率 -入社光波長根據(jù)干涉條紋的間距，可以推算出入射光的波長，進而得到入射光的頻率。4.3 方案選取方案一，測

48、量振動位移參數(shù)來得到葉片的振動頻率。由于葉片運動速度引起的多普勒頻移會對測量結果有一定的干擾，系統(tǒng)適用于低頻大振幅或高頻小振幅的振動情況。幾何光路需要精確地布設各透鏡角度以及各光學器件的位置，系統(tǒng)組件不方便。方案二，以光電倍增管（或光敏二極管）為探測器解調(diào)光的頻率的測試方案，成本低于方案三。本方案的缺點是：系統(tǒng)組件較困難，適合實驗室測試而非工業(yè)測試。優(yōu)點是：由于采用光探測器來解調(diào)混合后的光信號，測試范圍較廣，與濾波電路配合可以很靈活地處理數(shù)據(jù)。采用的是成熟的光路和較普遍的檢測方法。方案三，用 F-B 腔來分析測量光束的頻率。缺點是：適合葉片的高頻振動測試，對于葉片的低頻振動，多普勒頻移量很小，

49、會超出 F-B 腔的最小分辨力。優(yōu)點是：系統(tǒng)結構簡單，易于組建，可以重復使用，適用于工業(yè)測試。推薦方案三。工業(yè)測試要求系統(tǒng)簡單可靠，重復使用性好。方案三不需要組建復雜而精致的幾何光路，只需用柔性的光纖連接各個光學器件即可，簡單可靠。具體實施如下：1架設光路。將反光膜粘貼至葉片合適的位置，光纖探頭在葉片前方 10cm的距離固定。用光纖連接各器件，組件系統(tǒng)。最好此系統(tǒng)能夠在實驗室進行預先標定。2準備一種接觸式測量方法對系統(tǒng)進行標定。用傳統(tǒng)的電阻應變片或其他接觸式測量方法，對葉片的振動頻率進行測量，以標定激光多普勒測振系統(tǒng)。 3.數(shù)據(jù)處理。圖4.8 激光多普勒測葉片振動將葉片簡化成一個如圖 4.8

50、所示的平面，其水平運動速度為VX，垂直振動速度為VY ，反光膜水平投影距離為l ，垂直方向投影為h 。假設葉片轉(zhuǎn)動角速度為，反光膜粘貼在葉片半徑為r 處。當葉片轉(zhuǎn)動至測量位置時，測量光束經(jīng)反光膜反射至測量系統(tǒng)，此時刻記為t1，測量光束離開反光膜的時刻記為t2，沒一周的測量時間為t=t2-t1，是一個標量。假設葉片轉(zhuǎn)動速度是恒定的，此時 t=1wr （4-11）因為葉片的平面與測量方向有一定角度，當葉片轉(zhuǎn)動時，光程是發(fā)生變化的，即在葉片不發(fā)生振動的情況下，產(chǎn)生一個運動速度Ve： ve=hwrl （4-12）速度ve是無法消除的，葉片形狀不同，這個表達式也不同（4-12）式是將葉片簡化后的表達式。

51、Ve方向恒定，假設葉片相對于測試系統(tǒng)運動為正，那么ve恒為正，需要從測量結果中減掉。假設從光電倍增管或法布里泊羅解調(diào)處的測量光束頻移量為f，那么葉片垂直方向振動總速度為： vy=cffs （4-13）4.4 器件的選擇4.4.1 激光器產(chǎn)品一：日本hamamatsu公司，產(chǎn)品如下：表4.1日本hamamatsu公司可見光波長范圍內(nèi)的激光器編號為L10209。其波長為685nm，輸出功率為400mW，工作電流為800mA，誤差范圍為100um。產(chǎn)品二：英國Thorlabs公司產(chǎn)品，見下表表4.2 英國Thorlabs公司選擇編號為HNL225R-EC的激光器，波長為632.8nm，22.5mW，

52、任意偏振態(tài)，220V交流電。4.4.2 光電探測器產(chǎn)品一：日本hamamatsu公司，Photosensor Model,H10723-20表4.3日本hamamatsu公司，Photosensor Model,H10723-20TypeVoltageoutputtypePhotocathodeAreaSizeDia.8mmWavelength(Short)230 nmWavelength(Long)920 nmWavelength(Peak)630 nmDimension(W xH xD)51.0 x24.0 x25.0mmInputVoltage+/-4.5to+/-5.5 VMax. I

53、nputVoltage+/-5.5VMax. InputCurrent+6.2 /-3.5 mAMax. OutputSignal+4V（Loadresistance10kohm）Max. ControlVoltage+1.1（Inputimpedance1Mohm）VRecommendedControlVoltageAdjustmentRange+0.5 to+1.1 VSensitivityAdjustmentRangeCathodeLuminousSensitivityMin.350 uA/lmCathodeLuminousSensitivityTyp.500 uA/lmCathodeR

54、adiantSensitivityTyp.CathodeRed/WhiteRatio(R-68)Typ.0.45CathodeRadiantSensitivityTyp.78 mA/WAnodeLuminousSensitivityMin.Currentoutputtype產(chǎn)品二：日本hamamastu公司，Phototube R1328u-51表4.4 日本hamamastu公司，Phototube R1328u-51FeaturesFor Visible toNIRTypeBiplanarPhototubeSpectralResponse(Short)300 nmSpectralResponse(Long)1100 nmSpectralResponse(Peak)750 nmTube Diameter30 mmPhotocathodeEffectiveArea