劉愛(ài)東，于梅

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029)

漫反射式零差正交激光測(cè)振儀

劉愛(ài)東，于梅

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029)

漫反射式零差正交激光測(cè)振儀是在零差正交激光測(cè)振儀的基礎(chǔ)上研制的，測(cè)量光的傳輸采用透鏡組方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直接反射形式，即測(cè)量光聚焦在振動(dòng)物體表面形成漫反射光，通過(guò)透鏡組匯聚與參考光形成干涉。該測(cè)量方法克服了傳統(tǒng)零差正交激光測(cè)振儀難調(diào)整，干涉效果長(zhǎng)期穩(wěn)定差，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高的缺點(diǎn)，在20 Hz～4 kHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0.1100 m/s2的振動(dòng)激光絕對(duì)法測(cè)量。同時(shí)相比外差激光測(cè)振儀，該方法還具有可降低硬件成本的優(yōu)點(diǎn)。

漫反射;零差正交;激光測(cè)振儀;激光絕對(duì)法;正弦逼近法

在直線振動(dòng)激光絕對(duì)法測(cè)量中，傳統(tǒng)的零差正交激光測(cè)振儀測(cè)量精度高，但是對(duì)光路和測(cè)量環(huán)境要求比較嚴(yán)格，測(cè)量光的返回通常是靠平面鏡或者立體棱鏡的反射實(shí)現(xiàn)的。由于光路必須嚴(yán)格的按原路返回，才能保證良好的干涉效果，因此安裝調(diào)試?yán)щy，被測(cè)振動(dòng)物體如有較大的橫向運(yùn)動(dòng)，或位置發(fā)生變動(dòng)，測(cè)量時(shí)都會(huì)出現(xiàn)光路干涉效果不佳或者不能干涉的情況，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定乃至測(cè)量不能進(jìn)行。同時(shí)在外差激光測(cè)振儀中，聲光調(diào)制器部分制作成本較高，且由于外差激光測(cè)振儀輸出信號(hào)頻率較高，對(duì)于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的速率也有較高的要求。漫反射式零差正交激光測(cè)振儀的研制解決了以上問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)零差正交激光測(cè)振儀的問(wèn)題

漫反射式零差正交激光測(cè)振儀是在傳統(tǒng)的零差正交激光測(cè)振儀基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的，在傳統(tǒng)的零差正交激光測(cè)振儀中，測(cè)量光的返回是通過(guò)平面鏡或者立體棱鏡實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖1和圖2)。

圖1為平面鏡反射測(cè)量光的光路結(jié)構(gòu)，在振動(dòng)物體表面粘貼一個(gè)平面鏡，測(cè)量光照射在平面鏡上［1］，通過(guò)平面鏡將測(cè)量光反射回干涉儀與參考光進(jìn)行干涉。此種結(jié)構(gòu)具有良好的干涉效果，但當(dāng)振動(dòng)物體具有較大的橫向振動(dòng)時(shí)，干涉效果會(huì)變差。并且每次做實(shí)驗(yàn)都需要在物體表面上黏貼平面鏡，如果黏貼的不夠牢固，在振動(dòng)頻率較高的時(shí)候，測(cè)量結(jié)果將受到影響。圖2為立體棱鏡反射測(cè)量光的光路結(jié)構(gòu)［2］。在振動(dòng)物體表面安裝一個(gè)立體棱鏡，測(cè)量光照射在立體棱鏡上反射，與原光束平移一段距離射出，反射測(cè)量光進(jìn)入干涉儀中的平面鏡，并再次反射回立體棱鏡，按原光路返回。此種方法相比平面鏡反射結(jié)構(gòu)有了極大的改善，當(dāng)振動(dòng)物體含有橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，立體棱鏡反射結(jié)構(gòu)比平面鏡結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。不管是平面鏡結(jié)構(gòu)還是棱鏡結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量光的返回光路要求比較嚴(yán)格，而且給振動(dòng)物體增加了附加質(zhì)量，當(dāng)振動(dòng)頻率稍高時(shí)，會(huì)增大測(cè)量誤差。

圖1 反射鏡為平面鏡Fig.1 Using flatmirror as reflector

2 漫反射式零差正交激光測(cè)振儀

針對(duì)傳統(tǒng)零差正交激光測(cè)振儀存在的問(wèn)題，研制了漫反射式零差正交激光測(cè)振儀。在測(cè)量光路中利用透鏡組合改變激光高斯光束束腰的位置和大小，使得激光光束照射在振動(dòng)物體表面聚焦成一個(gè)小光斑，形成漫反射，通過(guò)透鏡把漫反射形成的測(cè)量光匯聚到一起，返回到干涉儀內(nèi)部和參考光進(jìn)行干涉(見(jiàn)圖3)。

圖3 漫反射式零差正交激光測(cè)振儀Fig.3 Diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometer

由于激光器出射光是高斯光束，但高斯光束束腰位置的不確定或者束腰位置不在激光器光腔外而在激光器光腔內(nèi)，使得薄透鏡的焦點(diǎn)不能精確落在高斯光束的束腰位置，并且振動(dòng)測(cè)量要求激光光斑能夠在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)聚焦，則需要使用多透鏡對(duì)高斯光束進(jìn)行聚焦，第一個(gè)透鏡確定高斯光束束腰的位置，入射光束束腰越接近透鏡焦點(diǎn)，則光束新的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角越小，反之亦然，根據(jù)透鏡激光高斯光束透鏡變換規(guī)律以及分析［3－4］，做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，選取第一透鏡焦距為10 mm，第二透鏡焦距為50 mm。改變圖3中第二個(gè)透鏡與第一個(gè)透鏡變換后的高斯光束束腰位置之間的距離，來(lái)實(shí)現(xiàn)高斯光束經(jīng)第二個(gè)透鏡后遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的連續(xù)變化，能夠使得高斯光束的束腰在較大范圍內(nèi)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在振動(dòng)物體表面聚焦。同時(shí)能夠?qū)β瓷涞姆祷販y(cè)量光進(jìn)行聚焦，與參考光進(jìn)行干涉后，經(jīng)過(guò)偏振分光鏡可將相互垂直偏振的兩個(gè)光束在空間上分開(kāi)，并且由兩個(gè)光電接收器分別完成對(duì)按余弦和正弦函數(shù)變化的兩路光電信號(hào)的接收和轉(zhuǎn)換。

因?yàn)楣怆娊邮掌鹘邮盏氖锹瓷涔猓虚g包含其他頻率成分的雜散光，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)以后，信號(hào)中摻雜了大量的高頻成分。由于振動(dòng)產(chǎn)生的激光多普勒信號(hào)頻率在1 MHz以內(nèi)，為了在不影響振動(dòng)信息的情況下能夠有效地去除雜頻干擾，本文設(shè)計(jì)了截止頻率為2.5 MHz的9階低通橢圓濾波器，濾波電路(見(jiàn)圖4)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)零和放大，電路(見(jiàn)圖5)，把信號(hào)調(diào)整到以零點(diǎn)為中心，形成適當(dāng)幅度的類正弦干涉信號(hào)。

圖4 9階低通橢圓濾波電路Fig.4 9thorder low pass elliptic filter

圖5 調(diào)零和放大電路Fig.5 Zero adjustment and amplifier circuit

3 正交干涉信號(hào)的數(shù)據(jù)解算

對(duì)兩路正交信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集u1(ti)和u2(ti)［5－6］，可計(jì)算調(diào)相值序列{φMod(ti)}:

使用最小二乘法，通過(guò)解算具有A、B、C三個(gè)未知參數(shù)構(gòu)成的方程組，逼近(4)式求得的調(diào)相值序列

利用(2)式介紹的正弦逼近法可以計(jì)算被校傳感器的輸出幅值和初相位:

式中:Au=u cosφu;Bu=sinφu;Cu為常數(shù);為傳感器輸出信號(hào)幅值;φu為加速度計(jì)輸出信號(hào)的初相位角。

利用正弦逼近法可求的參數(shù)Au和Bu，計(jì)算加速度輸出的信號(hào)幅值和初相位φu:

利用式(5)和式(8)求得值，可計(jì)算出被校傳感器的幅值靈敏度，利用式(6)和式(9)可求出相移:

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別使用漫反射式零差正交激光測(cè)振儀和外差激光測(cè)振儀在國(guó)家中頻振動(dòng)基準(zhǔn)上做傳感器的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，被校準(zhǔn)對(duì)象為B＆K生產(chǎn)的8305傳感器和2650電荷放大器組成的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、圖6、圖7。從校準(zhǔn)結(jié)果可以看出，兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度比較好。實(shí)驗(yàn)證明，在20 Hz～4 kHz頻率范圍內(nèi)，漫反射式零差正交激光測(cè)振儀能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)的精確測(cè)量和校準(zhǔn)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Test data result

圖6 傳感器靈敏度曲線Fig.6 Sensor sensitivityfigure

圖7 傳感器相移曲線Fig.7 Sensor phase shiftfigure

由于漫反射式零差正交激光測(cè)振儀是測(cè)量光以漫反射光的形式與參考光進(jìn)行干涉，在低于20 Hz振動(dòng)頻率測(cè)量時(shí)，隨著位移的變大，漫反射光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致干涉效果不佳。對(duì)于20 Hz以下漫反射式零差正交激光測(cè)振儀的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

5 結(jié)論

漫反射式零差正交激光測(cè)振儀在傳統(tǒng)的零差正交激光測(cè)振儀的基礎(chǔ)上，使用透鏡組合的方式，改變以往測(cè)量光的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)測(cè)量光以漫反射形式的接收和干涉，克服了傳統(tǒng)零差激光測(cè)振儀的難調(diào)整，干涉效果長(zhǎng)期穩(wěn)定性不夠，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高的難點(diǎn)。同比外差激光測(cè)振儀減少了聲光調(diào)制器等硬件部分，并且輸出信號(hào)頻率低，降低了數(shù)據(jù)采集的速率，極大降低了硬件成本。該方法可應(yīng)用于計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的直線振動(dòng)和角振動(dòng)激光絕對(duì)法計(jì)量校準(zhǔn)裝置，以及地震、航空、航天、建筑、電力等行業(yè)的高精度振動(dòng)測(cè)量。

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Diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometers

LIU Ai－dong，YU Mei
(National Institute of Metrology，Beijing 100013，China)

The development of diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometers is based on the traditional technology of homodyne quadrature laser vibrometer.It is different from the traditional vibrometer，the latter makes themeasuring light beam irradiate on a vibration body and then be reflected back directly，themeasuring light of the former passes through lens groups and is focused into a light spot on the vibration body to form diffuse reflection on the face of the vibration body.Then，the diffuse light goes through a lens to be gathered and interfere with a reference light.Through tests，itwas shwon that thismethod can realize absolute vibrationmeasurementwithin a frequency range of20～4 kHz and a amplitude range of0.1～100m/s2;thismethod can overcome the shortcomings of traditional interferometers，such as，hard to adjustment，interference effect without long term stability，and high requirement for test environment; meanwhile，compared with heterodyne laser vibrometers，the diffuse reflection type homodyne quadrature laser vibrometers can reduce hardware costs.

diffuse reflection;homodyne quadrature;laser vibrometer;laser absolute method;sine approximation method

TB936

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.037

2014－09－18修改稿收到日期:2014－12－03

劉愛(ài)東男，副研，1977年生

于梅女，研究員，1956年生