激光干涉原理在振動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

0 引 言
    振動(dòng)量值的計(jì)量是計(jì)量科學(xué)中一個(gè)非常重要的方面。在現(xiàn)實(shí)中，描述振動(dòng)特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的測(cè)振技術(shù)是接觸式測(cè)量。在測(cè)量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(hào)實(shí)現(xiàn)加速度-速度-位移的相關(guān)測(cè)量。如果測(cè)量較小物體的振動(dòng)，附加的傳感器質(zhì)量往往影響被測(cè)物體的振動(dòng)，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差；而且一些工作場(chǎng)合因被測(cè)物體表面影響或是測(cè)量條件的限制往往不允許在被測(cè)物體表面安裝測(cè)振傳感器。因此設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型的非接觸式、高精度、實(shí)時(shí)性的測(cè)振技術(shù)一直是工程科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中的重要任務(wù)。
    由于激光的方向性、單色性和相干性好等特性，使激光測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種軍事目標(biāo)的測(cè)量和精密民用測(cè)量中，尤其是在測(cè)量各種微弱振動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度及其微小的變化等方面。

1 激光干涉測(cè)振原理
    激光干涉測(cè)振技術(shù)是以激光干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)試的一門(mén)技術(shù)，測(cè)試靈敏度和準(zhǔn)確度高，絕大部分都是非接觸式的。激光干涉原理如圖1所示。

    光源S處發(fā)出的頻率為f、波長(zhǎng)為λ的激光束一部分投射到記錄介質(zhì)H(比如全息干板)上，光波的復(fù)振幅記為E1，另一部分經(jīng)物體O表面反射后投射到記錄介質(zhì)H上，光波的復(fù)振幅記為E2。其中：
   
    式中：A1和A2分別為光波的振幅；σ1和σ2分別是光波的位相；當(dāng)E1和E2滿(mǎn)足相干條件時(shí)，其光波的合成復(fù)振幅E為：
   
    光強(qiáng)分布I為：
   
    式(4)的四項(xiàng)中前三項(xiàng)均為高頻分量，只有第四項(xiàng)為低頻分量，且與物體表面的狀態(tài)有關(guān)。第四項(xiàng)的含義是σ2代表的物體表面與σ1代表的參考面之間的相對(duì)變化量。因此通過(guò)處理和分析物體表面與參考在變形前后的位相變化、光強(qiáng)變化等，從而得到被測(cè)物體振動(dòng)速度、位移等關(guān)系式。

2 激光干涉測(cè)振方法分析
    激光干涉測(cè)振主要的方法有：時(shí)間平均全息方法、激光散斑干涉技術(shù)、激光多普勒測(cè)振技術(shù)等。
2．1 時(shí)間平均全息方法
    對(duì)于在某一穩(wěn)定頻率下作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的物體，用連續(xù)激光照射，并在比振動(dòng)周期長(zhǎng)得多的時(shí)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(xiàn)和等振幅線(xiàn)組成的干涉條紋來(lái)表示振幅分布。這就是時(shí)間平均全息方法的測(cè)振原理。其時(shí)間平均全息圖的重現(xiàn)像的光強(qiáng)度按零階貝塞爾函數(shù)的平方分布。
   
    式中：J0為零階貝塞爾函數(shù)；V(x，y)為物體上某點(diǎn)的位移；θ1為振動(dòng)方向和照明方向的夾角；θ2為振動(dòng)方向和觀察方向的夾角。
    因此，由式(5)通過(guò)分析光強(qiáng)I的變化確定V(x，y)的量值，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位移測(cè)量，如圖2所示。

    應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，如果物體振動(dòng)的規(guī)律不同，條紋的強(qiáng)度分布規(guī)律也不同，但計(jì)算方法是類(lèi)似的。時(shí)間平均全息方法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，節(jié)線(xiàn)清晰，可以檢測(cè)形狀復(fù)雜的透光物體或反射物體以及漫散射體，因此在振動(dòng)分析中廣泛使用。不足之處是測(cè)量范圍小(僅幾十微米左右)，對(duì)記錄信息過(guò)多，對(duì)記錄介質(zhì)的分辨率要求過(guò)高，故限制了應(yīng)用范圍。
2．2 激光散斑干涉技術(shù)
    激光散斑干涉是指被測(cè)物體表面的散射光產(chǎn)生的散斑與另一參考光相干涉，當(dāng)物體表面發(fā)生變化時(shí)，如位移或變形等，干涉條紋也發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)這些干涉條紋的處理，可以得到物體表面的振動(dòng)情況。
    散斑法光路簡(jiǎn)單，不但可以非接觸測(cè)量，無(wú)損檢測(cè)，而且可以遙感測(cè)量。不僅用來(lái)研究物體的狀態(tài)，而且可對(duì)物體作振動(dòng)分析，已經(jīng)提出了多種測(cè)振方案，如時(shí)間平均法、頻閃法、雙脈沖電子散斑干涉(ESPI)法等。散斑用于側(cè)振時(shí)，條紋與位移之間的關(guān)系較為簡(jiǎn)單，但接收信號(hào)的強(qiáng)度由于物體的振動(dòng)使散斑對(duì)比度變得很差，通常采用光學(xué)傅里葉變換濾波法，從混合的散斑圖像中提取信息，最后將處理過(guò)的散斑圖紙片放在線(xiàn)性衍射儀中進(jìn)行濾波，產(chǎn)生一組清晰的條紋。
2．3 激光多普勒測(cè)振技術(shù)
    如果一定頻率的聲波、無(wú)線(xiàn)電波或光波在傳播過(guò)程中，對(duì)于接收器有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的反射波的頻率會(huì)隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度變化，這種現(xiàn)象叫做多普勒頻移效應(yīng)。激光多普勒測(cè)振原理就是基于測(cè)量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻移△fD，進(jìn)而確定該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度V。利用激光多普勒效應(yīng)，不僅能測(cè)量固體的振動(dòng)速度，而且也能測(cè)量流體的流動(dòng)速度。
    如圖3所示，S為光源，頻率為f，光速為c，O為光波接收器件，P為速度為V的運(yùn)動(dòng)物體，且能反射光波，當(dāng)波源和接收器保持相對(duì)靜止時(shí)，假設(shè)n是沿從光源到接收者光路上的波數(shù)或周期數(shù)，則由圖3可知，在無(wú)限小的時(shí)間間隔δt中，假定P移動(dòng)到P'的距離為Vδt，則在光程中周期數(shù)將減少為：
   
式中：PN和PN'分別是向SP和PO作的垂線(xiàn)；PP'為無(wú)限??；λ和λ"是散射前后的波長(zhǎng)。式(6)可表示為：

    在一般情況下，不需要區(qū)分λ和λ"，這樣就得到一級(jí)近似的多普勒頻移：
   
    接收器接收到的光波頻率為f+△fD，頻率偏移量為△fD，也稱(chēng)多普勒頻率。由式(10)中被測(cè)物體速度V和多普勒頻移△fD的關(guān)系式，并通過(guò)測(cè)量△fD可以得到振動(dòng)速度V的量值。
    激光多普勒技術(shù)具有測(cè)量精度高，空間分辨力高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，適用于高溫、高壓、高速、放射等特殊環(huán)境中，應(yīng)用范圍廣泛。但也存在一定的缺陷，受被測(cè)體表面情況影響較大，另外光學(xué)測(cè)量頭的性能也會(huì)影響測(cè)量精度。

3 改善激光測(cè)振精度的關(guān)鍵問(wèn)題
    在激光測(cè)振的過(guò)程中，對(duì)測(cè)量精度造成影響的外界因素有：激光束匯聚點(diǎn)離焦；測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性；激光束本身的強(qiáng)度分布；被測(cè)物體的表面效應(yīng)等。面對(duì)振動(dòng)測(cè)量的低頻、高精度測(cè)量要求，必須提高激光測(cè)振儀的測(cè)量精度。改善激光測(cè)振精度的關(guān)鍵問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：
    (1)穩(wěn)定激光的工作環(huán)境。保證系統(tǒng)有一個(gè)好的工作環(huán)境，特別是從保證激光頻率穩(wěn)定角度出發(fā)，要保證系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度相對(duì)穩(wěn)定。
    (2)光路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試。良好的光路設(shè)計(jì)、可以提高測(cè)量的精度，減少因光引起的測(cè)量誤差。通過(guò)正確的安裝、調(diào)試，減少因此引起的校準(zhǔn)誤差。
    (3)光電轉(zhuǎn)換接收。通過(guò)對(duì)光電倍增管頻響的分析，對(duì)接收到的干涉條紋產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行處理，降低對(duì)光電信號(hào)的影響和電路系統(tǒng)的噪聲，提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。
    (4)良好的隔振措施。在分析外界振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母粽瘢越档屯饨缯駝?dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。
    (5)研究新的測(cè)量方法，研究多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，降低成本，實(shí)現(xiàn)儀器化測(cè)振系統(tǒng)，開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié) 語(yǔ)
    通過(guò)在激光測(cè)振技術(shù)研究的工作中發(fā)現(xiàn)，目前激光測(cè)振技術(shù)理論上的方法雖多，但在工程應(yīng)用中較少，主要原因是干涉條紋計(jì)數(shù)的精確度、隔振系統(tǒng)性能、被測(cè)物體表面效應(yīng)、光的漫反射等影響。因此，使用電子分頻和光學(xué)細(xì)分等方法對(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)分；研究設(shè)計(jì)精確的隔振系統(tǒng)；運(yùn)用快速發(fā)展的信號(hào)處理技術(shù)和光學(xué)儀器技術(shù)提高光電轉(zhuǎn)換的信噪比，克服表面效應(yīng)和漫反射效應(yīng)的影響是今后的主要研究方向。