漫反射式零差正交激光测振仪

刘爱东，于梅

(中国计量科学研究院，北京100029)

漫反射式零差正交激光测振仪

刘爱东，于梅

(中国计量科学研究院，北京100029)

漫反射式零差正交激光测振仪是在零差正交激光测振仪的基础上研制的，测量光的传输采用透镜组方式代替传统的直接反射形式，即测量光聚焦在振动物体表面形成漫反射光，通过透镜组汇聚与参考光形成干涉。该测量方法克服了传统零差正交激光测振仪难调整，干涉效果长期稳定差，对实验环境要求高的缺点，在20 Hz～4 kHz频率范围内实现了0.1100 m/s2的振动激光绝对法测量。同时相比外差激光测振仪，该方法还具有可降低硬件成本的优点。

漫反射;零差正交;激光测振仪;激光绝对法;正弦逼近法

在直线振动激光绝对法测量中，传统的零差正交激光测振仪测量精度高，但是对光路和测量环境要求比较严格，测量光的返回通常是靠平面镜或者立体棱镜的反射实现的。由于光路必须严格的按原路返回，才能保证良好的干涉效果，因此安装调试困难，被测振动物体如有较大的横向运动，或位置发生变动，测量时都会出现光路干涉效果不佳或者不能干涉的情况，导致测量结果不稳定乃至测量不能进行。同时在外差激光测振仪中，声光调制器部分制作成本较高，且由于外差激光测振仪输出信号频率较高，对于数据采集设备的速率也有较高的要求。漫反射式零差正交激光测振仪的研制解决了以上问题。

1 传统零差正交激光测振仪的问题

漫反射式零差正交激光测振仪是在传统的零差正交激光测振仪基础上进行研制的，在传统的零差正交激光测振仪中，测量光的返回是通过平面镜或者立体棱镜实现(见图1和图2)。

图1为平面镜反射测量光的光路结构，在振动物体表面粘贴一个平面镜，测量光照射在平面镜上［1］，通过平面镜将测量光反射回干涉仪与参考光进行干涉。此种结构具有良好的干涉效果，但当振动物体具有较大的横向振动时，干涉效果会变差。并且每次做实验都需要在物体表面上黏贴平面镜，如果黏贴的不够牢固，在振动频率较高的时候，测量结果将受到影响。图2为立体棱镜反射测量光的光路结构［2］。在振动物体表面安装一个立体棱镜，测量光照射在立体棱镜上反射，与原光束平移一段距离射出，反射测量光进入干涉仪中的平面镜，并再次反射回立体棱镜，按原光路返回。此种方法相比平面镜反射结构有了极大的改善，当振动物体含有横向运动时，立体棱镜反射结构比平面镜结构更稳定。不管是平面镜结构还是棱镜结构对测量光的返回光路要求比较严格，而且给振动物体增加了附加质量，当振动频率稍高时，会增大测量误差。

图1 反射镜为平面镜Fig.1 Using flatmirror as reflector

2 漫反射式零差正交激光测振仪

针对传统零差正交激光测振仪存在的问题，研制了漫反射式零差正交激光测振仪。在测量光路中利用透镜组合改变激光高斯光束束腰的位置和大小，使得激光光束照射在振动物体表面聚焦成一个小光斑，形成漫反射，通过透镜把漫反射形成的测量光汇聚到一起，返回到干涉仪内部和参考光进行干涉(见图3)。

图3 漫反射式零差正交激光测振仪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确定或者束腰位置不在激光器光腔外而在激光器光腔内，使得薄透镜的焦点不能精确落在高斯光束的束腰位置，并且振动测量要求激光光斑能够在较宽的范围内实现连续聚焦，则需要使用多透镜对高斯光束进行聚焦，第一个透镜确定高斯光束束腰的位置，入射光束束腰越接近透镜焦点，则光束新的远场发散角越小，反之亦然，根据透镜激光高斯光束透镜变换规律以及分析［3－4］，做了相关的实验，选取第一透镜焦距为10 mm，第二透镜焦距为50 mm。改变图3中第二个透镜与第一个透镜变换后的高斯光束束腰位置之间的距离，来实现高斯光束经第二个透镜后远场发散角的连续变化，能够使得高斯光束的束腰在较大范围内移动，实现在振动物体表面聚焦。同时能够对漫反射的返回测量光进行聚焦，与参考光进行干涉后，经过偏振分光镜可将相互垂直偏振的两个光束在空间上分开，并且由两个光电接收器分别完成对按余弦和正弦函数变化的两路光电信号的接收和转换。

因为光电接收器接收的是漫反射光，中间包含其他频率成分的杂散光，经光电接收器转化成电信号以后，信号中掺杂了大量的高频成分。由于振动产生的激光多普勒信号频率在1 MHz以内，为了在不影响振动信息的情况下能够有效地去除杂频干扰，本文设计了截止频率为2.5 MHz的9阶低通椭圆滤波器，滤波电路(见图4)。在进行数据采集之前需要对信号进行调零和放大，电路(见图5)，把信号调整到以零点为中心，形成适当幅度的类正弦干涉信号。

图4 9阶低通椭圆滤波电路Fig.4 9thorder low pass elliptic filter

图5 调零和放大电路Fig.5 Zero adjustment and amplifier circuit

3 正交干涉信号的数据解算

对两路正交信号进行数据采集u1(ti)和u2(ti)［5－6］，可计算调相值序列{φMod(ti)}:

使用最小二乘法，通过解算具有A、B、C三个未知参数构成的方程组，逼近(4)式求得的调相值序列

利用(2)式介绍的正弦逼近法可以计算被校传感器的输出幅值和初相位:

式中:Au=u cosφu;Bu=sinφu;Cu为常数;为传感器输出信号幅值;φu为加速度计输出信号的初相位角。

利用正弦逼近法可求的参数Au和Bu，计算加速度输出的信号幅值和初相位φu:

利用式(5)和式(8)求得值，可计算出被校传感器的幅值灵敏度，利用式(6)和式(9)可求出相移:

4 实验结果

分别使用漫反射式零差正交激光测振仪和外差激光测振仪在国家中频振动基准上做传感器的校准实验，被校准对象为B＆K生产的8305传感器和2650电荷放大器组成的振动标准套组，实验结果见表1、图6、图7。从校准结果可以看出，两组实验数据吻合程度比较好。实验证明，在20 Hz～4 kHz频率范围内，漫反射式零差正交激光测振仪能够实现振动的精确测量和校准。

表1 实验数据结果Tab.1 Test data result

图6 传感器灵敏度曲线Fig.6 Sensor sensitivityfigure

图7 传感器相移曲线Fig.7 Sensor phase shiftfigure

由于漫反射式零差正交激光测振仪是测量光以漫反射光的形式与参考光进行干涉，在低于20 Hz振动频率测量时，随着位移的变大，漫反射光的强度会发生改变，导致干涉效果不佳。对于20 Hz以下漫反射式零差正交激光测振仪的应用，还需要进一步研究和改进。

5 结论

漫反射式零差正交激光测振仪在传统的零差正交激光测振仪的基础上，使用透镜组合的方式，改变以往测量光的传输方式，实现测量光以漫反射形式的接收和干涉，克服了传统零差激光测振仪的难调整，干涉效果长期稳定性不够，对实验环境要求高的难点。同比外差激光测振仪减少了声光调制器等硬件部分，并且输出信号频率低，降低了数据采集的速率，极大降低了硬件成本。该方法可应用于计量技术机构的直线振动和角振动激光绝对法计量校准装置，以及地震、航空、航天、建筑、电力等行业的高精度振动测量。

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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

刘爱东男，副研，1977年生

于梅女，研究员，1956年生