工程振动测试技术11-第11章-激光测振原理及应用课件

1、工程振动测试技术刘习军 教授天津大学机械工程学院力学系第11章 激光测振原理及应用非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要实验测试手段。激光全息方法、激光多普勒测振是空间分辨率很高、非接触式新型的测量技术。11.1 激光干涉基础光源S处发出的频率为f、波长为 的激光束一部分投射到记录介质H（比如全息干板）上，光波的复振幅记为E1，另一部分经物体O表面反射后投射到记录介质H上，光波的复振幅记为E2。如图所示。 其中式中，A1和A2分别为光波的振幅。1和2则分别是光波的位相。当E1和E2满足相干条件时，其光波的合成复振幅为E上式中的四项中，前三项均为高频分量。只有第四项为

2、低频分量，且与物体表面的状态有关。第四项的含义是2所代表的物体表面与1所代表的参考面之间的相对变化量。在激光位移测量方法中，都是通过处理和分析物体表面与参考面（物体表面）在变形前后的位相变化、光强变化等，从而实现高精度的振动位移测量。光强分布为I11.2 时间平均全息方法激光测振以其非接触测量、精度高等优点，已在振动测量领域得到广泛应用。它可以测量和分析物体的微幅振动。对于在某一稳定频率下作简谐振动的物体，用连续激光照射，并在比振动周期长得多的时间内在全息干版上曝光，可将物体表面所反射的光与未作位相调制的参考光相叠加，将两束光的干涉图记录在全息干版上。其再现图像由反映节线和等振幅线组成的干涉条

3、纹来表示振幅分布。这就是时间平均全息方法的测振原理。其时间平均全息图的重现图像的光强度按零阶贝塞尔函数的平方分布。式中其中V（x, y）为物体上某点的位移， 1为振动方向和照明方向的夹角， 2为振动方向和观察方向的夹角。如图所示。对于作简谐振动的物体，由于振动方向已知，所以在实验光路中将入射光和接收光往往设置成1= 2=0，则式上式变为当V（x, y）=0， I = Imax时， 对应的是亮条纹。在该条纹的位置上是物体振动的节点。当V（x, y）= 0.19，0.43，0.68 .，I = 0时；也就是干涉暗条纹。在该条纹的位置上是物体振动的最大振幅。干涉图中其余点处的振幅值也可按照上式所示的

4、规律相应地确定下来。在传统的全息方法中，将振动信息记录在全息干板上，进而做分析和处理。当 = 0时，I值取极大值，即振幅为零的地方光强最亮，也就是振动节线处最亮。随着振幅变大，光强衰减开始很快，后来变得缓慢，同时，条纹的对比度也变差。时间平均法的实验过程简单，节线清晰，因此在振动分析中广泛使用。圆板的振动模态吉它的振动模态为了克服时间平均全息法的缺点，激光全息频闪方法采用与振动物体频率同步的激光频闪照明方法，在全息记录过程中，只记录物体的两个状态（振幅的极大值和极小值）。再现时，使这两个状态干涉产生相对位移分布，获得按余弦平方分布的等振幅线干涉条纹。该干涉条纹不随振幅增加而衰减，缺点是振动节线

5、不明显。该方法对非正弦振动也可以进行测量。随着激光技术的飞速发展，多脉冲激光器发出的脉冲激光的光脉冲时间极短，约为几十纳秒，可以用来做全息振动测量的光源。 当波源向着接收器移动时，波源和接收器之间传递的波将发生变化，波长缩短，频率升高；反之，当波源背着接收器移动时，波源和接收器之间传递的波的波长将变长，频率会降低；称为多普勒效应。 发生多普勒效应的波可以是声波，也可以是电磁波。 利用激光多普勒效应，不仅能测量固体的振动速度，而且也能测量流体（液体和气体）的流动速度。11.3 激光多普勒效应 如图所示，S 为光源，频率为 f ，光速为c。 O为光波接收器件，P 为速度为v的物体，且能反射光波；当

6、光源和接收器保持相对静止时，假设n是沿从S到O光路上的波数或周期数，在无限小的时间间隔t中，假定P移动到P 的距离为vt。11.3.1 激光多普勒测振原理NSff + fDP 1 2NvOP 散射多普勒频移在光程中周期数将减少为PP为无限小， 和 是散射前后的波长。由几何关系由于及则NSff + fDP 1 2NvOP 散射多普勒频移在一般情况下，不需要区分 和， 这样就得到一级近似的多普勒频移 接收器接收到的光波频率为f + fD。 频率偏移量为fD, 也称多普勒频率，通常又可写成对于光波沿反向散射时，即光源和光波接收器件为一体时S=O， 1= - 2 激光多普勒效应为激光波长，当 = 0

7、时，由此可知，激光多普勒测振原理就是基于测量从物体表面微小区域反射回的相干激光光波的多普勒频率fD， 进而确定该测点的振动速度v。Sfvf + fDP 1= 2O 工程中的许多振动是三维的，即物体表面某一点的振动（速度）可被分解成两个面内分量（vx，vy ）和一个离面分量vz。11.3.2 激光三维测振原理x y光束ZX光束ZY光束ZZvz激光三维测振当进行三维激光振动测量时，需要使用三束激光照射被测点。由此解得速度分量为 在光路布置中，光束ZZ沿Z轴方向，用于测量vz ，从而可得x y光束ZX光束ZY光束ZZvz激光三维测振 由多普勒频移测量速度的最直接的方法是利用高分辨率的光谱仪分析来自振

8、动物体的散射光。 由于物体实际的振动速度比光速小得多，例如，当波长l为632810-10m/s、振动物体的速度为10m/s时，由此可得， fD =31.6MHz，而激光本身的频率f 很高（约为4.74 1014 Hz），即fD / f = 6.6710-8。因此，直接测量fD是不可能的。 当fD足够大时，可以借助于高分辨率干涉仪进行测量。在一般情况下，需要借助于光学差拍及参考光技术来测量。11.4 激光多普勒光学信息处理迈克尔逊干涉仪M光探测器激 光 器OBSXRXM 将物体表面的反射光（f + fD）。和参考光（f）相混合（相干），利用光探测器件接收相干光强，其拍频等于fD。 常用的光学干涉

9、装置为迈克尔逊干涉仪。 激光束经过分光镜BS后，被分成测量光束和参考光束，分光镜BS与参考平镜M和物体O的距离分别记为 XR和XM。相对应的光学位相分别为R =2kXR, M =2kXM。 式中k=2 /.。(t)= R - M。光探测器接收到的是与时间相干的光强信息。M光探测器激 光 器OBSXRXMIR和IM 分别为参考光束和测量光束的光强，K为合成有效系数，R为表面反射系数。迈克尔逊干涉仪 = 4L/，L为物体的振动位移，如果L连续变化，光强I(t)则呈周期性。L每变化/2， 则相应地改变2 。 的变化率正比于物体表面的振动速度。 式中包含了一个正比于总光强的直流项和一个正比于振幅 的差

10、拍频率。由于接收器得到的信号具有正弦（余弦）特征，并不能直接确定振动方向。振动方向的确定通常有两种途径：1 在激光干涉仪的一个干涉臂上引入固定的光学频移，比如利用布喇格声光器件引入附加频移，从而得到一个虚拟的速度偏移量。2 在干涉仪光路中，加入偏振元件和附加的光电接收器，这样，干涉仪就输出与原始输出相差 的新信号。在大多数情况下，人们更倾向于第一方案。第一方案通常情况下，在干涉仪中通过声光调制器，在40MHz或更高的驱动频率下引入载波信号。该信号与“物体频率”相调制后，通过运算，外差干涉仪M光探测器O信号发生器激 光 器声光调制器+BB=2fB40MHz确定出频率偏量相对于中心频率的符号和大小

11、。这种类型的干涉仪称为外差干涉仪。引入附加频率fB后，光强将变为 通过数字信号处理，可求得多普勒频移fD。外差方法的优点：只有高频的交流信号能被传输，对各种电路环节中引入的噪音、非线性效应等有很好的解决效果，同时不影响激光多普勒成分的完整性。M光探测器O信号发生器激 光 器声光调制器+BB=2fB40MHz外差干涉仪在第二种方案中，如图所示。在正交自差干涉仪（quadrature homodyne interferometer）中使用1/8波片，偏振分光器，辅助的光电探测器等。正交自差干涉仪该干涉仪的激光器发出的激光沿45偏振，参考光束臂的激光两次经过了1/8波片，这样就使得光返回分光器时成为

12、了圆偏振光，圆偏振光可以认为是两个相互垂直的线偏振光的矢量和。偏振分光器放置在光探测器1和光探测器2的前方。分别输出互相垂直的正弦和余弦信号。读者可以参考有关资料和文献了解具体的信号分析原理和处理过程。激光管声光调制干 涉 仪物体v耦 合 电 路信号分析f + fDf BS1BS2激光多普勒测振装置 Polytec公司的激光多普勒测振仪使用的是外差式干涉仪。在干涉仪的一个臂上使用了声光调制器。关于解码信号的详细内容，请参阅相关文献。11.5 激光多普勒测振仪的工程应用由于是非接触测量，激光多普勒测振仪在测量过程中对物体的振动形态不产生影响，且动态测量范围很宽。传感头较小，被放置在物体前方某一合

13、理位置，距离一般为0.04-5米，如果配备商业化的标准镜头，测量距离可以达到10米。这样可以实现高温物体振动响应的测量，而不损伤测试系统。利用激光多普勒测振仪可以进行单点振动测量。 通过自动化的扫描技术，实现大到汽车车身，小到微米尺度的微电子机械系统结构或部件表面，从单点到数千点的逐点测量。从而了解和确定物体表面全场的振动信息。11.5.1 在测试固体振动中的应用扫描激光多普勒测振仪对涡轮叶片在工作状态时的测试结果由此可知，在激光干涉测振方法中，激光全息时间平均法、激光多普勒测振方法等，都在科学研究及工程实践中得到了应用，产生了很大的社会效益和经济效益。同时，工程中的振动问题，尤其是现代电子工

14、业和信息工程中的大量问题，具有高频振动、多尺度（宏、微、纳观）、多场（温度、湿度、电、磁、辐射）联合作用等特点，也给上述方法提出了更高的技术要求。事实上，振动测量方法正在不断地改进，仪器和设备正在不断地更新。11.5.2 在测试液面振动中的应用测试流体的振动，最大的问题是无法在液面安装传感器，所以激光测试系统是一种较好的测试设备，下面以龙洗现象为例说明多普勒激光测振仪在测试液面振动中的应用。龙洗是中国的一种蕴藏着丰富科技信息的古代文物。在艺术和科技两方面都引人入胜。当激振器以137.5Hz的简谐力激励龙洗外壁时，龙洗水系统处于共振状态，振动频率也是137.5Hz。但当激振频率增至139Hz时，

15、龙洗内的水却逐渐出现以2.45Hz为主的低频大幅驻波。这种储液壳受高频激励引发液体低频波的现象是流固耦合非线性连续系统的一种非线性现象。为了研究比较简单和具有典型性，研究对象选取上面开口、下面封口的圆柱型玻璃壳，内储部分水。圆柱形玻璃壳，如图所示，内半径a=103mm，内高H=215.5mm，壁厚h=4.5mm，杨氏模量E=10.2x1010 N/m，密度 2.77x103kg/m3，泊松比0.25。玻璃壳内注入水，水的密度为1.0 x103kg/m3，水深d=135mm。实验系统如图所示。实验时将盛水圆柱形玻璃壳放置在水平实验台上，将固定在实验台上的电磁激振器的激振头对准壳壁上与水面基本同高的一点进行激励。信号发生器输出信号经过功率放大器驱动激振器。用两套Polytech激光测振仪分别测量壳壁一点和水面的振动速度，运用扫描功能测量水表面的振动速度分布。实验装置示意图当激励频率为186Hz时，壳壁的频率为186Hz，速度为6.52 mm/s。被激发的低频重力波的频率为3.05Hz的驻波，如图所示，水表面的振型幅值分布测试结果，如图所示。激发的低频(3.05Hz)重力波 水表面的