光電測試技術讀書報告題目：激光外差干涉技術在振動測量

方面的應用院（系）專業(yè)學生學號2012年10月激光外差干涉技術在振動測量方面的應用1=.|=='ML一、激光外差測振的發(fā)展背景1.1引言對于振動量值的計量，不僅僅是計量科學中一個非常重要的方面，而且在我們?nèi)粘５目蒲泻蛻梅矫嫫鹬陵P重要的作用。在現(xiàn)實中，描述振動特性的最常用的量值是位移、速度、加速度、振動頻率。常用的測振技術是接觸式測量，但接觸式測量在精度和工作環(huán)境方面有一定的局限性，比如測量較小物體的振動，附加的傳感器質(zhì)量往往影響被測物體的振動，從而產(chǎn)生測量誤差;而且一些工作場合因被測物體表面影響或是測量條件的限制往往不允許在被測物體表面安裝測振傳感器。因此設計和開發(fā)新型的非接觸式、高精度、實時性的測振技術一直是工程科學和技術領域中的重要任務。由于激光的方向性、單色性和相干性好等特性，使激光測量技術廣泛應用于各種軍事目標的測量和精密民用測量中，尤其是在測量各種微弱振動、目標運動的速度及其微小的變化等方面。其中由于外差干涉具有高靈敏度，高信噪比，極好的濾波能力且檢測穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，已成為納米測量技術的重要手段。將激光技術和外差干涉測量相結合，在振動測量領域表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。1.2激光干涉測振的發(fā)展及現(xiàn)狀激光干涉測振主要的方法有:時間平均全息方法、激光散斑干涉技術、激光多普勒測振技術等。時間平均全息方法對于在某一穩(wěn)定頻率下作簡諧振動的物體，用連續(xù)激光照射，并在比振動周期長得多的時間內(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表示振幅分布。該方法的實驗過程簡單，節(jié)線清晰,可以檢測形狀復雜的透光物體或反射物體以及漫散射體，因此在振動分析中廣泛使用。不足之處是測量范圍小(僅兒十微米左右)，對記錄信息過多，對記錄介質(zhì)的分辨率要求過高,故限制了應用范圍。激光散斑干涉技術激光散斑干涉是指被測物體表面的散射光產(chǎn)生的散斑與另一參考光相干涉,當物體表面發(fā)生變化時，如位移或變形等，干涉條紋也發(fā)生變化。通過對這些干涉條紋的處理，可以得到物體表面的振動情況。散斑法光路簡單,不但可以非接觸測量，無損檢測,而且可以遙感測量。不僅用來研究物體的狀態(tài),而且可對物體作振動分析。散斑用于側振時，條紋與位移之間的關系較為簡單，但接收信號的強度由于物體的振動使散斑對比度變得很差，往往需要進一步對信號進行加工處理。激光多普勒測振技術激光多普勒技術利用被測物體運動引起的多普勒效應測量振動參數(shù)。具有測量精度高,空間分辨力高，動態(tài)響應快，非接觸測量的特點，適用于高溫、高壓、高速、放射等特殊環(huán)境中，應用范圍廣泛。但也存在一定的缺陷，受被測體表面情況影響較大，另外光學測量頭的性能也會影響測量精度。二、激光外差測振的原理及特點振動測量主要是測量物體振動的振動速度和位移。激光外差測振屬于激光干涉測振方法，利用多普勒效應測振動頻率，同時利用干涉測長的方法測量位移。2.1多普勒測速原理激光多普勒測速的原理是利用光學多普勒效應，即當激光照射運動著的物體或流體時，激光的反射光或散射光將產(chǎn)生多普勒頻移，它和入射激光的頻率之差稱為多普差或多普勒拍頻。這個頻差正比于流速，所以測出多普勒頻差，就測得了物體或流體的速度。以流體例子為例，如圖1所示，設兩束相干的激光，其波矢量分別為K］和K2,照射到隨流體以速度V運動的粒子Q上，產(chǎn)生的散射光分別為昭和四條光線與粒子運動速度V夾角分別為a1、a2、。1、620從而得到兩散射激光與入射激光的多普勒頻差分別為：Vfdl=云炳-K1)Z71Vfd2=K(K4—K2)Zti然后可以得到兩束激光的多普勒頻差為：Vfd=\fd2-/dll=It(cosa2+cosP1-cosa1-cosp2)|AQ圖1特殊的，當設被測流速V的方向垂直于兩入射光線夾角的平分線時，設兩入射光線之間的夾角為8,多普勒頻差為：2Ve

fd=—smy上式即為多普勒頻差的數(shù)學表達式，由干涉條紋間距可以計算得到多普勒頻差fd，帶入式中就可以得到粒子運動速度V。2.2激光外差干涉測長原理激光測長分單頻測長和雙頻測長兩種，和單頻測長相比雙頻測長將被測信號以調(diào)頻方式攜載在激光拍頻上，而單頻測長中信號光線和參考光線的相位差是固定的。下面就簡要介紹雙頻激光外差測長原理。外差干涉需要雙頻光源。其頻差根據(jù)需要選定。常見方法是利用一支單頻激光器置于一個軸向磁場內(nèi)，由于塞曼效應，軸向磁場會將激光器的譜線分裂成兩個旋轉方向相反的圓偏振光，兩者的頻差Av=l~2Mhz。圖2是雙頻測長的原理圖，雙頻激光經(jīng)過分光器Ml,反射光經(jīng)檢偏器1把兩束旋向相反的圓偏振光變成偏振方向相同的兩束線偏振光，他們在VD1上發(fā)生干涉，其干涉場強度11。h=Iqcos[2n(y1—V2>)t]而透過分光器Ml的光到達分光器M2,分光后分別經(jīng)過1/4波片，產(chǎn)生偏振方向相互垂直的兩束光，這兩束光分別經(jīng)各自的角錐棱鏡反射后，重新會聚在一起，經(jīng)過檢偏器2變成偏振方向相同的兩束線偏振光，他們在VD2上發(fā)生干涉，其干涉場強度12。=I。C0S[?.Tl(y1—V2+加)1]

雙傾激光獨雙傾激光獨Rf\檢倡福n豐F5吼*與土檢偏器I枳分器圖2是由于活動角錐棱鏡移動產(chǎn)生的多普勒頻移，根據(jù)之前研究的多普勒測速原理，可由頻移計算出被測物體運動速度V,經(jīng)推導可得:L=土N—=±—[Awdf2 2J。三、激光外差測振的發(fā)展趨勢5.1引言眾所周知外差干涉己經(jīng)在微米和亞微米測量中發(fā)揮了重要作用，必將在今后的納米測量中發(fā)揮重要作用。目前看來，限制其在納米測量中應用的主要因素有:5.2環(huán)境因素的影響環(huán)境對測量的影響主要來自溫度、振動、空氣的抖動。目前主要有兩種方法解決這個問題:一是采用共模抑制技術即共光程技術;另一是采用共模補償技術，即利用雙波長同時在一個干涉儀中進行干涉，利用這兩個光波間的關聯(lián)關系對環(huán)境因素進行補償。如何更有效地抑制環(huán)境因素對測量準確度的影響是一個重要的課題，尤其是對今后的納米測量。5.2激光波長與光電信號細分激光波長是米傳遞的標準，就目前可應用的激光波長不可能無限減小。主要有兩種方法解決這個問題：一方面研究短波長干涉儀，德國PTB科學家H.Kunzmann報導IX光干涉儀，為解決該問題提供了一條新的途徑;另一方面進一步提高光電信號細分能力。參考文獻呂宏詩，劉彬.激光多普勒測振技術的最新進展[J].激光技術，2005,4：176-179.曹勇，熊偉.激光干涉原理在振動測量中的應用[J].工控技術，2009(21)：209-212.郝峰，王衛(wèi)輝.淺析激光振動測量技術[J].計算機工程應用技術，Vol.6,No.2January2010,462?463。趙洋，