基于共线光外差干涉的微振动检测

程俊伟，张志伟,2，韩建宁，韩香伶，史瑞忠

(1.中北大学 信息与通信工程学院，太原 030051；2.中北大学 电子测试技术重点实验室，太原 030051)

微振动可以反映物体的多种特性参数，为了获得目标的振动信息，需对其进行精准的测量。振动测量方式一般分为接触式测量与非接触式测量两种[1]，其中非接触式测量相比接触式测量的优势在于不会对目标的振动状态产生影响。非接触式的光学测量方法有干涉法[2]、激光多普勒技术[3]、光散斑法[4]和光全息技术[5]等。激光外差干涉检测技术作为干涉法的一种，具有检测精确度高、动态响应速度快、灵敏度高以及非接触式检测等优势[6]，相比其他干涉技术应用，其更为广泛，在动力机械、精密测量、工业生产和航天科技等领域发挥着至关重要的作用。

激光外差干涉振动检测通常利用双频激光器或移频器件为基础进行设计[7]，配合光学器件偏振分光棱镜、旋光器以及1/4波片等传递目标物体的待测参数[8]，并利用光电探测器的特性准确获得待测物的振动信息。外差干涉最突出的优势在于能将微弱的振动信号加载至高频范围内进行处理，从而有效降低低频1/f噪声的干扰[9]。传统的激光外差干涉系统[10]对环境较为敏感，由于缺少参考光路的对比，易受到环境振动与环境噪声的干扰，抗干扰能力弱；使用的光学器件较多，不易调节的同时光学噪声较大[11]，稳定性也较差；测量信号的电压幅值很小，通常只有60 m左右，信噪比低，这些都非常不利于微弱振动信号的检测。

文章针对光外差干涉的特点，对传统光外差干涉系统进行改进优化，设计了一种新型共线光外差干涉微振动检测系统。该系统以光纤耦合窄频半导体激光器作为光源，消除了由大光程差引起的相位噪声影响；采用双光路对称式结构设计，极大地消除了由环境噪声引起的共模噪声，增强了系统抗干扰能力，提高了测量结果的精确度；同时在测量光路中设计了光隔离系统，消除了光程差的影响，减少了光学器件，也使得光路易于调节，更易实现精确的微振动测量。

1 试验装置及原理

1.1 共线光外差干涉微振动测量系统

改进优化后的共线光外差干涉微振动测量系统如图1所示。该系统使用光纤耦合输出的窄频半导体激光器作为光源，激光器产生的激光束经偏振分光棱镜PBS1分成两束线偏振光：一束为p光(即光矢量振动方向平行于入射面的偏振光)；另一束为s光(即光矢量振动方向垂直于入射面的偏振光)。p光通过全反射直角棱镜P1进入驱动频率为80 MHz的声光调制器AOM1，s光通过驱动频率为110.12 MHz的声光调制器AOM2后，分别产生两个0级衍射光和两个+1级衍射光。分别使用光阑ID1和ID2仅让+1级衍射光通过。AOM2的+1级衍射光经过全反射直角棱镜P2和AOM1的+1级衍射光进入偏振分光棱镜PBS2，精确调节P2与PBS2，使p光与s光完全重合。

图1 改进优化后的共线光外差干涉微振动测量系统示意

共线光束进入50…50(p光与s光的光强比为50…50)分光棱镜BS后分成一束透射光和一束反射光。通过BS的透射光在全反射直角棱镜P3上反射后经检偏器AL2在光电探测器PD2的光敏面上发生干涉，并转换成拍频为30.12 MHz的电信号，以此作为系统的参考信号；共线光束通过BS的反射光进入偏振分光棱镜PBS3，其中s光被反射并通过旋光器QWP1到全反射镜M2全反射后再一次通过QWP1变为p光，并透过PBS3和检偏器AL1入射到光电探测器PD1的光敏面上；共线光束透过PBS3的p光通过旋光器QWP2到达压电陶瓷PZT表面的全反射镜M1上被全反射，再一次通过QWP2后变为s光被PBS3反射，并通过AL1后入射到PD1的光敏面上，与之前到达PD1光敏面上的p光发生干涉，并转换成拍频为30.12 MHz的电信号，以该信号作为系统的测量信号。参考信号与测量信号进入示波器转换为数字信号，使用MATLAB软件设计解调程序对参考信号和测量信号进行数据处理，获得微振动信号的振幅、频谱信息。

与传统的光外差干涉测振系统相比，笔者所设计的共线光外差干涉测振系统有如下改进。

(1) 利用双声光调制器设计成双光路，降低了外界环境因素变化引起的共模噪声与低频噪声，并在声光调制器后各加入一个精密光阑，仅允许+1级光通过，避免了0级光与其他衍射光的干扰，提升了系统的信噪比，提高了测量精度。

(2) 共线光平均分成的测量光路与参考光路在空间上具有结构对称性，所以环境噪声引起的相位变化会同时出现在两路信号中。通过对比两路信号的相位，既消除了初始相位差，也消除了环境噪声所引起的相位变化对试验结果的影响，从而提高了系统的测量精确度。

(3) 测量光路中使用两个旋光器与两个全反射镜构成了一个光隔离系统来改变p光与s光的偏振态，也使得p光和s光具有相同的光程，消除了光程差的影响；同时这两路光也具有对称性，提升了系统的抗干扰能力；且设计既减少了光学器件，也使得光路更易于调节。

微振动测量系统实物如图2所示。

图2 微振动测量系统实物

1.2 检测原理

设p光的+1级光经过声光调制器移频之后的频率为f1，s光的+1级光经移频之后的频率为f2，则两路信号在光电探测器的光敏面上产生干涉的拍频信号频率为f2-f1，测量信号中包含由多普勒效应产生的频移±Δf。

p光的+1级光与s光的+1级光的波动方程分别为

E1=Ef1cos2πf1t

(1)

E2=Ef2cos2πf2t

(2)

式中：Ef1为p光的+1级光的振幅；Ef2为s光的+1级光的振幅；t为时间。

两束光的合成振幅为

E=E1+E2=

(3)

两束光的合成光强I可表示为

Ef1Ef2cos2π(f1-f2)t

(4)

式中含有直流项、低频项和高频项。因为光电探测器通常无法响应超过其频响范围的高频光，所以光电探测器探测到的光强Ir可表示为

(5)

同理，测量光的实际光强Im可表示为

Ef1Ef2cos2π(f1-f2±Δf)t

(6)

多普勒频移±Δf可表示为

(7)

式中：为位移；c为光速；f为光频。

对速度进行积分得

(8)

式中：u(t)为被测物体的振动信息；φ(t)为两路信号的相位差；λ为光的波长。

2 试验结果与分析

试验中光源激发装置为波长为635 nm的LR-RSP型半导体激光器，由信号发生器产生驱动信号至压电陶瓷驱动器，驱动器输出驱动电压使压电陶瓷模拟振动。使用PDA10A-EC型光电探测器探测干涉信号，其响应带宽为DC(直流)-150 MHz,可探测波段范围为200～1 100 nm。

图3 两路信号拍频图

调整光路使其达到最理想的显示效果，在示波器上可以观察到如图3所示的两路信号拍频图。通道CH1为测量信号，通道CH2为参考信号，信号波形稳定且几乎无失真。两路信号频率都与理论频率30.12 MHz一致且十分稳定，消除了传统光路的频率相对误差与不稳定对解调结果的影响。测量光路干涉信号的幅值为936 m，参考光路干涉信号的幅值为1.1 ，幅值差控制在较小范围内，相比传统的外差干涉测量信号幅值提高了15倍左右，不仅可以提高测量结果的精确性，而且使测量系统不再依赖信号放大电路，节省了试验成本，同时更易于操作。即，光路改进效果十分显著且有利于后续的振动信号处理。

利用信号发生器发出不同幅值不同频率的正弦信号控制压电陶瓷模拟连续振动，使用MATLAB软件设计解调程序对振动信号进行解调。检测结果表明，当待测频率为100 Hz～15 kHz时，共线光外差干涉测振系统具有良好的线性响应度。取振动幅值为1 ，频率为8 kHz时的解调波形与频谱如图4所示。

图4 8 kHz解调波形与频谱

从图4中可以看出解调信号波形几乎无失真，信号主频为8 kHz，干扰噪声非常微弱，证明系统的抗噪性能优越，并且对振动情况的解调还原度高。

将传统测量系统与改进系统在同一环境下测得的结果进行对比，振动幅值为1 ，频率为10 kHz时的传统与改进系统的两组解调结果如图5，6所示。

图5 传统系统测量的10 kHz解调波形与频谱

图6 改进系统测量的10 kHz解调波形与频谱

图7 压电陶瓷实际位移与标准位移对比结果

对比两组解调结果可以看出，传统测量系统测得的信号频谱上不只有主频10 kHz，还存在明显的噪声频谱，可见其抗噪性能差，信号幅值抖动明显，不利于微振动信号的分析；改进后的测量系统解调结果波形无失真，没有低频漂移现象，频谱上只有10 kHz，几乎无噪声成分，抗干扰性能大幅提高。

将试验中实际测量的压电陶瓷位移和其标准振动位移相比较，得到的对比结果如图7所示，使用最小二乘法得出系统的测量分辨率为2.1 nm。

3 结论

以传统光外差干涉系统为基础，设计了一种对称式结构的共线光外差干涉微振动检测系统。通过测量压电陶瓷振动，对该系统的可行性进行验证，试验结果表明两路探测信号的幅值分别为936 m和1.1 ，相比传统的外差干涉测量信号幅值提高15倍左右，频率都为30.12 MHz，信号波形稳定且无失真，解调频率精准且噪声很小，系统分辨率为2.1 nm。