光电测试技术读书报告

光电测试技术读书报告题目：激光外差干涉技术在振动测量

方面的应用院（系）专业学生学号2012年10月激光外差干涉技术在振动测量方面的应用1=.|=='ML一、激光外差测振的发展背景1.1引言对于振动量值的计量，不仅仅是计量科学中一个非常重要的方面，而且在我们日常的科研和应用方面起着至关重要的作用。在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度、振动频率。常用的测振技术是接触式测量，但接触式测量在精度和工作环境方面有一定的局限性，比如测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差;而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。因此设计和开发新型的非接触式、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任务。由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性，使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中，尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面。其中由于外差干涉具有高灵敏度，高信噪比，极好的滤波能力且检测稳定可靠等优点，已成为纳米测量技术的重要手段。将激光技术和外差干涉测量相结合，在振动测量领域表现出独特的优势。1.2激光干涉测振的发展及现状激光干涉测振主要的方法有:时间平均全息方法、激光散斑干涉技术、激光多普勒测振技术等。时间平均全息方法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板上曝光，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板上。其重现象由反映节线和等振幅线组成的干涉条纹来表示振幅分布。该方法的实验过程简单，节线清晰,可以检测形状复杂的透光物体或反射物体以及漫散射体，因此在振动分析中广泛使用。不足之处是测量范围小(仅儿十微米左右)，对记录信息过多，对记录介质的分辨率要求过高,故限制了应用范围。激光散斑干涉技术激光散斑干涉是指被测物体表面的散射光产生的散斑与另一参考光相干涉,当物体表面发生变化时，如位移或变形等，干涉条纹也发生变化。通过对这些干涉条纹的处理，可以得到物体表面的振动情况。散斑法光路简单,不但可以非接触测量，无损检测,而且可以遥感测量。不仅用来研究物体的状态,而且可对物体作振动分析。散斑用于侧振时，条纹与位移之间的关系较为简单，但接收信号的强度由于物体的振动使散斑对比度变得很差，往往需要进一步对信号进行加工处理。激光多普勒测振技术激光多普勒技术利用被测物体运动引起的多普勒效应测量振动参数。具有测量精度高,空间分辨力高，动态响应快，非接触测量的特点，适用于高温、高压、高速、放射等特殊环境中，应用范围广泛。但也存在一定的缺陷，受被测体表面情况影响较大，另外光学测量头的性能也会影响测量精度。二、激光外差测振的原理及特点振动测量主要是测量物体振动的振动速度和位移。激光外差测振属于激光干涉测振方法，利用多普勒效应测振动频率，同时利用干涉测长的方法测量位移。2.1多普勒测速原理激光多普勒测速的原理是利用光学多普勒效应，即当激光照射运动着的物体或流体时，激光的反射光或散射光将产生多普勒频移，它和入射激光的频率之差称为多普差或多普勒拍频。这个频差正比于流速，所以测出多普勒频差，就测得了物体或流体的速度。以流体例子为例，如图1所示，设两束相干的激光，其波矢量分别为K］和K2,照射到随流体以速度V运动的粒子Q上，产生的散射光分别为昭和四条光线与粒子运动速度V夹角分别为a1、a2、。1、620从而得到两散射激光与入射激光的多普勒频差分别为：Vfdl=云炳-K1)Z71Vfd2=K(K4—K2)Zti然后可以得到两束激光的多普勒频差为：Vfd=\fd2-/dll=It(cosa2+cosP1-cosa1-cosp2)|AQ图1特殊的，当设被测流速V的方向垂直于两入射光线夹角的平分线时，设两入射光线之间的夹角为8,多普勒频差为：2Ve

fd=—smy上式即为多普勒频差的数学表达式，由干涉条纹间距可以计算得到多普勒频差fd，带入式中就可以得到粒子运动速度V。2.2激光外差干涉测长原理激光测长分单频测长和双频测长两种，和单频测长相比双频测长将被测信号以调频方式携载在激光拍频上，而单频测长中信号光线和参考光线的相位差是固定的。下面就简要介绍双频激光外差测长原理。外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。常见方法是利用一支单频激光器置于一个轴向磁场内，由于塞曼效应，轴向磁场会将激光器的谱线分裂成两个旋转方向相反的圆偏振光，两者的频差Av=l~2Mhz。图2是双频测长的原理图，双频激光经过分光器Ml,反射光经检偏器1把两束旋向相反的圆偏振光变成偏振方向相同的两束线偏振光，他们在VD1上发生干涉，其干涉场强度11。h=Iqcos[2n(y1—V2>)t]而透过分光器Ml的光到达分光器M2,分光后分别经过1/4波片，产生偏振方向相互垂直的两束光，这两束光分别经各自的角锥棱镜反射后，重新会聚在一起，经过检偏器2变成偏振方向相同的两束线偏振光，他们在VD2上发生干涉，其干涉场强度12。=I。C0S[?.Tl(y1—V2+加)1]

双倾激光独双倾激光独Rf\检倡福n丰F5吼*与土检偏器I枳分器图2是由于活动角锥棱镜移动产生的多普勒频移，根据之前研究的多普勒测速原理，可由频移计算出被测物体运动速度V,经推导可得:L=土N—=±—[Awdf2 2J。三、激光外差测振的发展趋势5.1引言众所周知外差干涉己经在微米和亚微米测量中发挥了重要作用，必将在今后的纳米测量中发挥重要作用。目前看来，限制其在纳米测量中应用的主要因素有:5.2环境因素的影响环境对测量的影响主要来自温度、振动、空气的抖动。目前主要有两种方法解决这个问题:一是采用共模抑制技术即共光程技术;另一是采用共模补偿技术，即利用双波长同时在一个干涉仪中进行干涉，利用这两个光波间的关联关系对环境因素进行补偿。如何更有效地抑制环境因素对测量准确度的影响是一个重要的课题，尤其是对今后的纳米测量。5.2激光波长与光电信号细分激光波长是米传递的标准，就目前可应用的激光波长不可能无限减小。主要有两种方法解决这个问题：一方面研究短波长干涉仪，德国PTB科学家H.Kunzmann报导IX光干涉仪，为解决该问题提供了一条新的途径;另一方面进一步提高光电信号细分能力。参考文献吕宏诗，刘彬.激光多普勒测振技术的最新进展[J].激光技术，2005,4：176-179.曹勇，熊伟.激光干涉原理在振动测量中的应用[J].工控技术，2009(21)：209-212.郝峰，王卫辉.浅析激光振动测量技术[J].计算机工程应用技术，Vol.6,No.2January2010,462・463。赵洋，