徐子軒，盧金，羅熠，潘建安，王慶祥，吳茜，林振淼

中汽檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東廣州 510530)

0 引言

隨著激光技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，激光測(cè)振儀具有能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離非接觸式測(cè)量、速度快、精度高、量程大、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)制造、兵器船舶等行業(yè)得到迅速的推廣應(yīng)用。

目前我國(guó)汽車(chē)行業(yè)處于高速發(fā)展階段，中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在自主創(chuàng)新方面大步邁進(jìn)，取得了突出成就，自主創(chuàng)新已成為眾多車(chē)企的共識(shí)，但缺少對(duì)核心部件測(cè)試技術(shù)的關(guān)注，自主創(chuàng)新的核心技術(shù)還亟待突破，因此開(kāi)展激光測(cè)振儀在汽車(chē)電氣部件測(cè)試上的應(yīng)用研究十分重要。

本文作者根據(jù)激光測(cè)振儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以常見(jiàn)的汽車(chē)用電喇叭為例，提出相應(yīng)的測(cè)試方法，從而提高試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性，保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

1 激光測(cè)振儀工作原理和特點(diǎn)

1.1 激光測(cè)振儀的特點(diǎn)

激光測(cè)振儀相比傳統(tǒng)接觸式傳感器具有特點(diǎn)如下：(1)無(wú)接觸式高精度測(cè)量被測(cè)物體的振動(dòng)頻率和幅值。(2)可以對(duì)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行速度采集。(3)不受限于材質(zhì)和材料狀態(tài)(高溫)。(4)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體和困難位置的單方向振動(dòng)測(cè)試。(5)可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的測(cè)量。(6)甚至可以測(cè)試液體表面的振動(dòng)以及很小很輕的物體。

1.2 激光測(cè)振儀工作原理

激光測(cè)振儀是由激光多普勒干涉儀、信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，激光器發(fā)出具有一定頻率的偏振光，由分光鏡分成兩路，一路作為測(cè)量，一路作為參考，測(cè)量光通過(guò)聲光調(diào)制器后具有一定頻移，被聚焦到被測(cè)物體表面，被測(cè)物體振動(dòng)引起頻移，系統(tǒng)收集反射光與參考光匯聚在傳感器上，此兩束光產(chǎn)生干涉后，信號(hào)處理器將頻移信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)加速度、速度、頻率、振動(dòng)幅值的精密測(cè)量。

1.3 多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)存在每個(gè)人身邊，例如在高速上行駛時(shí)，當(dāng)快速行駛的車(chē)輛經(jīng)過(guò)行人時(shí)，鳴笛的音調(diào)就會(huì)發(fā)生變化。圖1描述了一個(gè)移動(dòng)聲源的多普勒效應(yīng)。

圖1 一個(gè)移動(dòng)聲源的多普勒效應(yīng)

圖1表示了一個(gè)汽車(chē)電喇叭的3種狀態(tài)：靜止?fàn)顟B(tài)，向右移動(dòng)和向左移動(dòng)。從喇叭起源的曲線代表在某一個(gè)觀察時(shí)刻的振動(dòng)強(qiáng)度。喇叭右邊的一個(gè)觀察者聽(tīng)到的頻率是喇叭本身產(chǎn)生的頻率；在圖(b)所示的情況下，喇叭向著觀察者移動(dòng)(v>0)，聲波被壓縮，結(jié)果聽(tīng)到的頻率比喇叭本身產(chǎn)生的頻率高；相應(yīng)在圖(c)所示的情況下，聽(tīng)到的頻率比喇叭本身產(chǎn)生的頻率低。如果波被一個(gè)移動(dòng)物體反射回來(lái)被測(cè)試系統(tǒng)接收(激光測(cè)振儀的工作原理就是上述情況)，波的頻移可以表示為

fD=2×v/λ

其中：v是物體移動(dòng)速度；λ是聲源產(chǎn)生的波長(zhǎng)。為了得到物體的速度，先計(jì)算多普勒頻移，在激光測(cè)振儀中通過(guò)激光干涉儀實(shí)現(xiàn)的。

1.4 激光干涉儀

如圖2所示：基于光學(xué)干涉基本原理，從光源發(fā)出的激光被分光鏡(BS1)分成參考光和測(cè)量光；測(cè)量光經(jīng)過(guò)分光棱鏡(BS2)后聚焦到被測(cè)物體。從被測(cè)物體反射回來(lái)的光被BS2反射到BS3，與參考光在這里重合后傳輸?shù)教綔y(cè)器。由于參考光的光程是固定的，所以被測(cè)物體移動(dòng)就在探測(cè)器上形成明暗條紋，一個(gè)完整的明暗條紋對(duì)應(yīng)著物體移動(dòng)了激光的半個(gè)波長(zhǎng)。單位時(shí)間內(nèi)光程的改變意味著多普勒頻移，所以干涉條紋的調(diào)制頻率與被測(cè)物體的移動(dòng)速度成正比。當(dāng)物體遠(yuǎn)離干涉儀時(shí)產(chǎn)生的條紋與物體靠近干涉儀時(shí)產(chǎn)生的條紋是一樣的，則不能決定物體的運(yùn)動(dòng)方向，所以在參考光路中放置一個(gè)聲光調(diào)制器，將光的頻率調(diào)成40 MHz。當(dāng)物體靜止時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)40 MHz的干涉條紋。如果物體向著干涉儀移動(dòng)，條紋頻率就降低。如果物體遠(yuǎn)離干涉儀運(yùn)動(dòng)，條紋頻率就大于40 MHz，則可以確定被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)方向。從原理上可以看出，激光測(cè)振儀既可以測(cè)量速度也可以測(cè)量位移。測(cè)量位移時(shí)，不是把多普勒頻移轉(zhuǎn)變?yōu)榕c速度成正比的電壓，而是在數(shù)探測(cè)器上形成明暗條紋，故位移解調(diào)更適合低頻運(yùn)動(dòng)，速度解調(diào)適合高頻運(yùn)動(dòng)，所以振動(dòng)的最大幅值可以表達(dá)為

v=2π×f×s

由上述公式可以看出，當(dāng)頻率很大時(shí)，很小的位移也可以產(chǎn)生很大的速度。

圖2 激光測(cè)振儀原理

1.5 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建

采用德國(guó)Polytec公司的PDV-100激光測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)試，在被試件測(cè)試部位貼一層反光膜，將激光測(cè)振儀一束激光投射到被試件的反光膜上，通過(guò)收集反射回來(lái)的激光，利用多普勒效應(yīng)原理，經(jīng)干涉產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量目標(biāo)的表面速度的頻移信號(hào)，信號(hào)處理器將頻移信號(hào)轉(zhuǎn)為位移、振動(dòng)速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)表面振動(dòng)的非接觸測(cè)量。

試驗(yàn)采用ECON AVANT系列4通道便攜式數(shù)據(jù)采集儀，每個(gè)通道同步采樣頻率為204.8 kHz，通道具備微積分功能，測(cè)試精度高，抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境下，能采集到高精度數(shù)據(jù)。

2 汽車(chē)用電子機(jī)械喇叭振動(dòng)測(cè)試

由于電喇叭通電運(yùn)行時(shí)振動(dòng)頻率高，表面溫度也會(huì)迅速升高，傳統(tǒng)的加速度傳感器很難固定在電喇叭表面上，很容易脫落，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不精確，故采用激光測(cè)振儀非接觸式方法對(duì)電喇叭進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，將電喇叭固定在支架上，激光測(cè)振儀連接數(shù)據(jù)采集儀放置在電喇叭正前方，調(diào)節(jié)相對(duì)位置，使激光測(cè)振儀信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最佳后，將電喇叭通電，光學(xué)頭采集電喇叭速度信號(hào)，采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由軟件進(jìn)行處理，得出電喇叭基頻結(jié)果。

由圖3可以得出電喇叭的基頻測(cè)試值為490 Hz，電喇叭基頻為500 Hz，相對(duì)誤差為2%，說(shuō)明激光測(cè)振儀能夠較好地測(cè)量電喇叭的基頻。

圖3 測(cè)試軟件示意

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)踐測(cè)試，采用激光測(cè)振儀測(cè)試電喇叭的基頻，測(cè)量準(zhǔn)確度高，相比于傳統(tǒng)加速度傳感器貼在被測(cè)物體表面上，更加方便、實(shí)用，不改變物體狀態(tài)且無(wú)附加質(zhì)量在被測(cè)物體上，可靠性更強(qiáng)。