激光机械振动

2024-05-06

激光机械振动（精选三篇）

激光机械振动篇1

振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。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。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器,利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量[1]。如果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[2]。

1 激光干涉测振原理

激光干涉测振技术[3]是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术,测试灵敏度和准确度高,绝大部分都是非接触式的。激光干涉原理如图1所示。

光源S处发出的频率为f、波长为λ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。其中:

$\begin{array}{l} E_{1} = A_{1} \cos (2 π f t + σ_{1}) (1) \\ E_{2} = A_{2} \cos (2 π f t + σ_{2}) (2) \end{array}$

式中:A1和 A2分别为光波的振幅;σ1和σ2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E为:

$E = E_{1} + E_{2} = A_{1} \cos (2 π f t + σ_{1}) + A_{2} \cos (2 π f t + σ_{2}) (3)$

光强分布I为:

$\begin{array}{l} Ι = | E |^{2} = A_{1}^{2} \cos^{2} (2 π f t + σ_{1}) + A_{2}^{2} \cos^{2} (2 π f t + σ_{2}) + \\ 2 A_{1} A_{2} \cos (2 π f t + σ_{1}) \cos (2 π f t + σ_{2}) \\ = A_{1}^{2} \cos^{2} (2 π f t + σ_{1}) + A_{2}^{2} \cos^{2} (2 π f t + σ_{2}) + \\ A_{1} A_{2} \cos (4 π f t + σ_{1} + σ_{2}) + A_{1} A_{2} \cos (σ_{1} - σ_{2}) (4) \end{array}$

式(4)的四项中前三项均为高频分量,只有第四项为低频分量,且与物体表面的状态有关。第四项的含义是σ2代表的物体表面与σ1代表的参考面之间的相对变化量。因此通过处理和分析物体表面与参考在变形前后的位相变化、光强变化等,从而得到被测物体振动速度、位移等关系式[4]。

2 激光干涉测振方法分析

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。

2.1 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。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像的光强度按零阶贝塞尔函数的平方分布[3]。

$Ι = Κ J_{0}^{2} (2 π / λ) V (x, y) (\cos θ_{1} + \cos θ_{2}) (5)$

式中:J0为零阶贝塞尔函数;V(x,y)为物体上某点的位移;θ1为振动方向和照明方向的夹角;θ2为振动方向和观察方向的夹角。

因此,由式(5)通过分析光强I的变化确定V(x,y)的量值,实现振动位移测量,如图2所示。

应当说明,如果物体振动的规律不同,条纹的强度分布规律也不同,但计算方法是类似的。时间平均全息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(仅几十微米左右),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[5]。

2.2 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[6]。

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,已经提出了多种测振方案,如时间平均法、频闪法、双脉冲电子散斑干涉(ESPI)法等。

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,通常采用光学傅里叶变换滤波法,从混合的散斑图像中提取信息,最后将处理过的散斑图纸片放在线性衍射仪中进行滤波,产生一组清晰的条纹[7]。

2.3 激光多普勒测振技术

如果一定频率的声波、无线电波或光波在传播过程中,对于接收器有相对运动时,接收器接收到的反射波的频率会随相对运动的速度变化,这种现象叫做多普勒频移效应[8,9]。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移ΔfD,进而确定该测点的振动速度V。利用激光多普勒效应,不仅能测量固体的振动速度,而且也能测量流体的流动速度。

如图3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的运动物体,且能反射光波,当波源和接收器保持相对静止时,假设n是沿从光源到接收者光路上的波数或周期数,则由图3可知,在无限小的时间间隔δt中,假定P移动到P′的距离为Vδt,则在光程中周期数将减少为:

$- δ n = \frac{Ρ Ν}{λ} + \frac{Ρ Ν^{'}}{λ^{″}} (6)$

式中:PN和PN′分别是向SP和PO作的垂线;PP′为无限小;λ和λ″是散射前后的波长。式(6)可表示为:

$- δ n = \frac{V δ t c o s θ_{1}}{λ} + \frac{V δ t c o s θ_{2}}{λ^{″}} (7)$

由于fλ=f″λ″=c,并且:

$Δ f_{D} = f^{″} - f = - d n / d t (8)$

则: $Δ f_{D} = \frac{V f c o s θ_{1}}{c} + \frac{V f^{″} c o s θ_{2}}{c} (9)$

在一般情况下,不需要区分λ和λ″,这样就得到一级近似的多普勒频移:

$Δ f_{D} = \frac{V f}{c} (\cos θ_{1} + \cos θ_{2}) (10)$

接收器接收到的光波频率为f+ΔfD,频率偏移量为ΔfD,也称多普勒频率。由式(10)中被测物体速度V和多普勒频移ΔfD的关系式,并通过测量ΔfD可以得到振动速度V的量值。

激光多普勒技术具有测量精度高,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[10]。

3 改善激光测振精度的关键问题

在激光测振的过程中,对测量精度造成影响的外界因素有:激光束汇聚点离焦;测量系统的机械稳定性;激光束本身的强度分布;被测物体的表面效应等[11]。

面对振动测量的低频、高精度测量要求,必须提高激光测振仪的测量精度。改善激光测振精度的关键问题主要有以下几个方面:

(1) 稳定激光的工作环境。保证系统有一个好的工作环境,特别是从保证激光频率稳定角度出发,要保证系统工作环境的温度相对稳定。

(2) 光路的设计、安装、调试。良好的光路设计、可以提高测量的精度,减少因光引起的测量误差。通过正确的安装、调试,减少因此引起的校准误差。

(3) 光电转换接收。通过对光电倍增管频响的分析,对接收到的干涉条纹产生的电信号进行处理,降低对光电信号的影响和电路系统的噪声,提高计数的准确性。

(4) 良好的隔振措施。在分析外界振动对系统影响的基础上,对系统进行适当的隔振,以降低外界振动对测量精度的影响。

(5) 研究新的测量方法,研究多种技术的综合应用,降低成本,实现仪器化测振系统,开拓新的应用领域。

4 结语

通过在激光测振技术研究的工作中发现,目前激光测振技术理论上的方法虽多,但在工程应用中较少,主要原因是干涉条纹计数的精确度、隔振系统性能、被测物体表面效应、光的漫反射等影响。因此,使用电子分频和光学细分等方法对干涉条纹进行细分;研究设计精确的隔振系统;运用快速发展的信号处理技术和光学仪器技术提高光电转换的信噪比,克服表面效应和漫反射效应的影响是今后的主要研究方向。

参考文献

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高三物理教案：机械振动与机械波篇2

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本文题目：高三物理教案：机械振动与机械波

机械振动

1、判断简谐振动的方法

简谐运动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动。特征是：F=-kx,a=-kx/m.要判定一个物体的运动是简谐运动，首先要判定这个物体的运动是机械振动，即看这个物体是不是做的往复运动;看这个物体在运动过程中有没有平衡位置;看当物体离开平衡位置时，会不会受到指向平衡位置的回复力作用，物体在运动中受到的阻力是不是足够小。然后再找出平衡位置并以平衡位置为原点建立坐标系，再让物体沿着x轴的正方向偏离平衡位置，求出物体所受回复力的大小，若回复力为F=-kx,则该物体的运动是简谐运动。

2、简谐运动中各物理量的变化特点

简谐运动涉及到的物理量较多，但都与简谐运动物体相对平衡位置的位移x存在直接或间接关系：

如果弄清了上述关系，就很容易判断各物理量的变化情况

3、简谐运动的对称性

简谐运动的对称性是指振子经过关于平衡位置对称的两位置时，振子的位移、回复力、加速度、动能、势能、速度、动量等均是等大的(位移、回复力、加速度的方向相反，速度动量的方向不确定)。运动时间也具有对称性，即在平衡位置对称两段位移间运动的时间相等。

理解好对称性这一点对解决有关问题很有帮助。

4、简谐运动的周期性

5、简谐运动图象

简谐运动图象能够反映简谐运动的运动规律，因此将简谐运动图象跟具体运动过程联系起来是讨论简谐运动的一种好方法。

6、受迫振动与共振

(1)、受迫振动：物体在周期性驱动力作用下的振动，其振动频率和固有频率无关，等于驱动力的频率;受迫振动是等幅振动，振动物体因克服摩擦或其它阻力做功而消耗振动能量刚好由周期性的驱动力做功给予补充，维持其做等幅振动。

(2)、共振：○1共振现象：在受迫振动中，驱动力的频率和物体的固有频率相等时，振幅最大，这种现象称为共振。○2产生共振的条件：驱动力频率等于物体固有频率。○3共振的应用：转速计、共振筛。

(3)理解共振曲线的意义

单摆考点分析：

一、周期公式的理解

1、周期与质量、振幅无关

2、等效摆长

3、等效重力加速度

二、摆钟快慢问题

三、利用周期公式求重力加速度，进而求高度

四、单摆与其他力学知识的综合机械波

二、考点分析:

①.波的波速、波长、频率、周期和介质的关系： ②.判定波的传播方向与质点的振动方向

方法一：同侧原理波的传播方向与质点的振动方向均位于波形的同侧。

方法二：逆描波形法用笔沿波形逆着波的传播方向描，笔势向上该处质点振动方向即向

③、已知波的图象，求某质点的坐标,波速,振动图象等

④已知波速V和波形，作出再经t时间后的波形图

方法

一、平移法：先算出经t时间波传播的距离x=Vt，再把波形沿波的传播方向平移x即可。因为波动图象的重复性，若已知波长，则波形平移n个时波形不变，当x=n+x时，可采取去n留零x的方法，只需平移x即可。

方法

二、特殊点法：在波形上找两特殊点，如过平衡位置的点和与它相邻的峰(谷)点，先确定这两点的振动方向，再看t=nT+t,由于经nT波形不变，所以也采取去整nT留零t的方法，分别作出两特殊点经t后的位置，然后按正弦规律画出新波形。

⑤已知某质点的振动图象和某时刻的波动图象进行分析计算

⑥已知某两质点的振动图象进行分析计算

激光机械振动篇3

激光干涉测量技术具有非接触、高分辨力和高精度等优点,克服了现有微小振动测量仪的不足成为主要研究方向[1,2,3,4]。但是由于测量精度受诸多因素的影响,使得理论与实践之间还存在较大的差距。因此,它的设计和研究成为非常活跃的领域,出现了不同的测量原理和方案。常见的高精度激光干涉测量法包括:零差激光干涉法、外差激光干涉法。其中相位载波(PGC)零差检测方案由于其高灵敏度、大动态范围和好的线性度而得到广泛应用。

利用模拟电路进行PGC解调已有成功报道[5],数字式相位载波检测方案也有一定的进展[6,7]。例如基于数字信号处理芯片DSP[8],基于大规模可编程逻辑门阵列FPGA[9]等,这些方案都属于专用信号处理平台,实现起来较为复杂。对此我们提出了一种基于通用平台的方案,易于实现,缩短了研发周期。

本文在数字式PGC方案的基础上提出了基于PC平台的DPGC检测方案,用24位的高精度AD配合64位的PC处理器构建了硬件系统,分析了Lab VIEW构建DPGC算法的关键问题,给出了模拟仿真结果,最后在激光振动测量系统中实现了该方案,并与模拟仿真结果进行对比得以验证。

1 激光振动测量系统

激光振动测量系统由四部分组成,如图1所示,每个虚线框代表一个部分。前置放大电路部分又分为光电转换部分和信号调理部分,信号调理电路由放大电路、带通滤波电路和抗混叠滤波电路组成;数据采集卡的主要功能是发生载波和同步采集数据;PC端的LabVIEW程序主要完成载波信号的发生和数据同步采集的控制,及PGC解调和数据的存储。

系统光路采用改进型Michelson干涉仪结构,如图2所示,该干涉仪由激光器、准直仪、非偏振分光棱镜、固定有角锥镜的PZT、透镜和测量反射镜组成。由光源发出的单频激光经准直仪投射到分光棱镜上,经分光棱镜将入射光线分成两束:一束进入测量臂,通过透镜照射到置于透镜焦点处的测量反射镜上。此光束再由测量反射镜反射,经过透镜后,以与原入射光束平行的方向返回到分光棱镜上;另一束参考光被装有信号调制压电陶瓷的角锥棱镜反射,由此角锥棱镜反射回到分光棱镜上。这样两束光经测量反射镜和角锥棱镜反射后,分别照射到分光棱镜上重新会合,同时照射到光电探测器上形成干涉。

2 PGC信号调制解调原理

干涉后的光信号经过光电转换后可以写成下式[10]:

式中:A、B、C可视为常量,且B=kA,k<1为条纹可见度,A正比于激光器的输出光功率。这时引入的相位差为Ccos(ω0t)+ϕ(t),其中C为载波引起的相位调制幅度,ω0是载波信号的角频率。ϕ(t)=Dcos(ωst)+ϕ0(t)是待检测信号与环境噪声共同引起的相位变化。

信号采用PGC解调,将式(1)以Bessel函数形式展开,得到

其中:Jk(C)为第一类k阶Bessel函数。

从式(2)可以看出,经过调制后的干涉信号包括调制信号频率ω0和ω0的无穷项高次频率。为减小光强波动对信号检测的影响,一般取ω0和2ω0项进行检测。

将式(2)分别乘以Gcosω0t和Hcos2ω0t,并经过低通滤波后得到:

上两式中均含有外部环境的干扰,还不能直接从中直接提取待检测信号。为了克服待测信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象,采用微分交叉相乘(DCM)技术。

式(3)、(4)经微分后分别为

式(4)×式(5)-式(3)×式(6)得:

至此,已经把外界环境的干扰降低到了最低限度,将式(7)积分并经高通滤波,滤去低频干扰噪声后得到:

其中:GHB2J1(C)J2(C)是常数,Dcos(ωst)为位相信号。

3 DPGC的实现

DPGC目前有两种实现方案,一种是基于专门的数字信号处理芯片例如DSP或是大规模可编程逻辑门阵列FPGA;另外一种是基于PC,由高精度A/D转换器采集数据,送PC用上位机软件处理。我们采取第二种方案来实现DPGC解调。

3.1 硬件实现

采用美国NI公司的动态数据采集卡PCI4461,它集24位A/D转换器、24位D/A转换器、2路模拟输入通道、2路模拟输出通道一体,支持DMA方式和双缓冲区模式,保证了实时信号不间断采集与存储。其输入最高采样率200 ks/s。干涉仪输出的干涉光场经过光电转换和信号调理之后,用数据采集卡采入微机,由LabVIEW编写的程序进行信号解调。PC处理器采用Intel64位双核处理芯片。

3.2 软件设计

在由LabVIEW所设计的软件中,主要完成三个功能,数据采集,载波发生和PGC算法的实现。根据模块化设计思想,参考图3所示的PGC解调原理,激光干涉振动测量信号解调系统软件主要由以下几个模块组成:数据采集、载波发生、相乘混频、低通滤波、差分、高通滤波、积分、FFT以及数据存储。载波发生和数据采集初始化完毕之后,由硬件发生一个同步触发信号,此时载波发生任务和数据采集任务同时开始,另外一个线程上的DPGC解调任务也开始启动,等待采集来的数据并进行解调运算。

需要注意的是,载波的发生和数据采集必须同步,否则会在混频的时候引入随机的相差,导致信号解调幅度失真。在程序中,我们利用多线程技术,将数据采集、载波发生和PGC解调分为并行的三个线程,有效的利用了CPU,使系统的鲁棒性更好,并且强化了多处理器计算机的性能,确保了信号的高效实时处理。程序流程框图如图4所示。

4 仿真与实验研究

4.1 模拟调相波解调实验

我们用Lab VIEW的函数波形发生模块模拟出调相波,并用PCI4461动态数据采集卡进行调相波输出,然后用数据采集卡进行同步采集,用LabVIEW编写的DPGC信号解调程序进行解调。根据式(1),令A=0,B=1,C=2.37,载波频率10 kHz,设置采样率为100 k,采样点数10 000,分别对10 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz正弦信号进行了模拟调相波输出,图5所示的是D=1时调相波的PGC解调组图。

仿真实验验证了基于PC的DPGC方案是可行的,拥有很强的解调能力,理想情况下拥有高达110 dB的信噪比。图6所示的是各频段最大可解调信号幅度随频率变化图,和倪明等人所做的理论分析一致[11]。

4.2 振动信号测量实验

我们将该系统用于实际振动信号测量,实验装置图如图7所示。系统光源采用中心波长为632.8 nm稳定度为10-9氦氖激光器,其出射光功率为0.8 mW。用气浮式隔振平台有效的去除了低频振动噪声。使用分辨力为1 nm,动态范围为10µm的纳米台作为待测振动信号仿真源。用数据采集卡采集干涉仪输出的信号。

实验中,在频率为100 Hz振幅为25 nm的周期振动信号的作用下,对系统输出进行了观察,信号解调结果如图8所示。

由实验结果可知,信号通过解调系统后能够得到稳定的信号图和高信噪比的频谱图。由于此干涉仪的信号处理电路是对连续采集的数字信号进行分析处理,测量干涉仪分辨力由数据采集卡的精度、数字处理器的位数以及系统噪声决定。由信号频谱图可知,干涉仪信噪比为45 dB,此干涉仪分辨力可达到0.14 nm。

5 结论

本文介绍了一种基于PC的激光干涉振动测量系统,利用模块化的设计方法实现了DPGC算法,便于在线实时调试,降低了系统的开发成本,缩短了系统的开发周期,通过不断的仿真和实验,优化了程序和算法。试验结果表明,该系统消除了传统的模拟电路解调方案中由于电路阻抗不匹配、电路不对称等引入的噪声,具有较高的信噪比,对于10∼200 Hz的信号,干涉仪测量分辨力优于0.14 nm,动态范围达到120dB。如果采用更小线宽的激光器,更优化的光学元件,并对整个系统采取振动隔离、恒温、声隔离、电磁隔离等手段,便可实现更高的测量精度。

参考文献

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