Лазерный доплеровский виброметр

Прибор для измерения микроскопических вибраций поверхности.

Основные компоненты лазерного доплеровского виброметра

Лазерный доплеровский виброметр ( ЛДВ ) — это научный прибор, который используется для бесконтактных измерений вибрации поверхности. Лазерный луч из LDV направляется на интересующую поверхность, а амплитуда и частота вибрации извлекаются из доплеровского сдвига частоты отраженного лазерного луча из-за движения поверхности. Выходной сигнал LDV обычно представляет собой непрерывное аналоговое напряжение , которое прямо пропорционально компоненту скорости цели вдоль направления лазерного луча.

Некоторые преимущества LDV по сравнению с аналогичными измерительными устройствами, такими как акселерометр , заключаются в том, что LDV можно направить на цели, к которым трудно получить доступ или которые могут быть слишком маленькими или слишком горячими для прикрепления физического преобразователя . Кроме того, LDV производит измерение вибрации без нагрузки на мишень, что особенно важно для MEMS- устройств.

Принципы работы

Виброметр обычно представляет собой двухлучевой лазерный интерферометр , который измеряет разность частот (или фаз) между внутренним опорным лучом и тестовым лучом. Наиболее распространенным типом лазера в LDV является гелий-неоновый лазер , хотя также используются лазерные диоды , волоконные лазеры и Nd:YAG-лазеры . Тестовый луч направляется на мишень, а рассеянный от мишени свет собирается и интерферируется с опорным лучом на фотодетекторе , обычно фотодиоде . Большинство коммерческих виброметров работают в гетеродинном режиме, добавляя к одному из лучей известный сдвиг частоты (обычно 30–40 МГц). Этот сдвиг частоты обычно создается ячейкой Брэгга или акустооптическим модулятором. ^[1]

Схема типичного лазерного виброметра показана выше. Луч лазера, имеющий частоту f _o , разделяется светоделителем на опорный луч и тестовый луч . Затем тестовый луч проходит через ячейку Брэгга, что добавляет сдвиг частоты f _b . Этот сдвинутый по частоте луч затем направляется на цель. Движение цели добавляет доплеровский сдвиг к лучу, определяемый выражением f _d = 2*v(t)*cos(α)/λ, где v(t) — скорость цели как функция времени, α — угол между лазерным лучом и вектором скорости, а λ — длина волны света.

Свет рассеивается от мишени во всех направлениях, но некоторая часть света собирается ЛДВ и отражается светоделителем на фотодетектор. Этот свет имеет частоту, равную f _o + f _b + f _d . Этот рассеянный свет объединяется с опорным лучом на фотодетекторе. Начальная частота лазера очень высока (> 10 ¹⁴ Гц), что превышает отклик детектора. Однако детектор реагирует на частоту биений между двумя лучами, которая составляет f _b + f _d (обычно в диапазоне десятков МГц).

Выход фотодетектора представляет собой стандартный частотно-модулированный (ЧМ) сигнал, в котором частота ячейки Брэгга является несущей частотой , а доплеровский сдвиг — частотой модуляции. Этот сигнал можно демодулировать для определения зависимости скорости вибрирующей цели от времени.

Приложения

LDV используются в самых разных научных, промышленных и медицинских целях. Некоторые примеры приведены ниже:

• Аэрокосмическая промышленность. LDV используются в качестве инструментов неразрушающего контроля компонентов самолетов. ^[2]
• Акустика. LDV являются стандартными инструментами для проектирования динамиков, а также используются для диагностики характеристик музыкальных инструментов. ^[3]
• Архитектура. LDV используются для испытаний на вибрацию мостов и конструкций. ^[4]
• Автомобильная промышленность. LDV широко используются во многих автомобильных приложениях, таких как структурная динамика, диагностика тормозов, количественная оценка шума, вибрации и жесткости (NVH), измерение точной скорости. ^[5]
• Биологические – LDV использовались для различных целей, таких как диагностика барабанной перепонки ^[6] и общение с насекомыми. ^[7]
• Калибровка. Поскольку LDV измеряют движение, которое можно откалибровать непосредственно по длине волны света, их часто используют для калибровки датчиков других типов. ^[8]
• Диагностика жесткого диска. LDV широко используются при анализе жестких дисков, особенно в области позиционирования головок. ^[9]
• Стоматологические устройства. LDV используются в стоматологической промышленности для измерения вибрационной характеристики стоматологических инструментов для удаления зубного камня с целью улучшения качества вибрации. ^[10]
• Обнаружение наземных мин. LDV показали большие перспективы в обнаружении закопанных наземных мин. В этом методе используется источник звука, такой как громкоговоритель, для возбуждения земли, вызывающий очень небольшую вибрацию земли с помощью LDV, используемого для измерения амплитуды колебаний земли . Области над закопанной шахтой демонстрируют повышенную скорость грунта на резонансной частоте системы шахта-почва. Было продемонстрировано обнаружение мин с помощью однолучевых сканирующих ЛДВ ^[11] , массива ЛДВ ^[12] и многолучевых ЛДВ ^{[13] .}
• Безопасность. Лазерные доплеровские виброметры (ЛДВ) как бесконтактные датчики вибрации имеют возможность удаленного распознавания голоса. С помощью визуального датчика (камеры) различные цели в среде, где происходит звуковое событие, могут быть выбраны в качестве отражающих поверхностей для сбора акустических сигналов ЛДВ. Производительность ЛДВ во многом зависит от вибрационных характеристик выбранных целей (поверхностей) в сцене, на которые падает лазерный луч и от которых он возвращается. ^[14]
• Исследование материалов. Благодаря бесконтактному методу лазерные виброметры, особенно лазерные сканирующие виброметры, могут измерять поверхностные вибрации современных материалов, таких как углеродные пластины. Информация о вибрации может помочь выявить и изучить дефекты, поскольку материалы с дефектами демонстрируют другой профиль вибрации по сравнению с материалами без дефектов. ^[15]

Типы

• Одноточечные виброметры – это наиболее распространенный тип ЛДВ. ^[16] Он может измерять движение вне плоскости в одном направлении. ^[17]
• Сканирующие виброметры . Сканирующий LDV добавляет набор сканирующих зеркал XY, позволяющих перемещать одиночный лазерный луч по интересующей поверхности.
• Голографическая лазерная допплеровская виброметрия (HLDV) — LDV с расширенным освещением, в котором используется цифровая голография для рендеринга изображений, позволяющая одновременно фиксировать движение поверхности во многих точках. ^{[18] [19]}

голографическая виброметрия консолей музыкальной шкатулки методом частотного мультиплексирования ^{[18] [19]}

• Трехмерные виброметры. Стандартный LDV измеряет скорость цели в направлении лазерного луча. Чтобы измерить все три компонента скорости цели, трехмерный виброметр измеряет местоположение с помощью трех независимых лучей, которые поражают цель с трех разных направлений. Это позволяет определить полную скорость цели в плоскости и вне плоскости. ^[20]
• Ротационные виброметры. Вращательный LDV используется для измерения вращательной или угловой скорости.
• Дифференциальные виброметры. Дифференциальный LDV измеряет разницу скоростей вне плоскости между двумя точками на цели.
• Многолучевые виброметры. Многолучевой LDV измеряет скорость цели в нескольких местах одновременно.
• Самосмешивающиеся виброметры – простая конфигурация LDV со сверхкомпактной оптической головкой. ^[21] Обычно они основаны на лазерном диоде со встроенным фотодетектором. ^{[22] [23]}
• Лазерная допплеровская виброметрия с непрерывным сканированием (CSLDV) – модифицированный LDV, который непрерывно проводит лазером по поверхности испытуемого образца, чтобы фиксировать движение поверхности во многих точках одновременно.

Смотрите также

• Волоконно-оптический гироскоп
• Лазерная допплерография
• Лазерная допплеровская велосиметрия
• Лазерный микрофон
• Лазерная сканирующая виброметрия
• Лазерный проигрыватель
• Оптическое гетеродинное обнаружение

Рекомендации

1. Луцманн, Питер; Гёлер, Бенджамин; Хилл, Крис А.; Путтен, Франк ван (2016). «Лазерное измерение вибрации в Fraunhofer IOSB: обзор и применение». Оптическая инженерия . 56 (3): 031215. Бибкод : 2017OptEn..56c1215L. дои :10.1117/1.OE.56.3.031215. ISSN  0091-3286. S2CID  125618909.
2. Килпатрик, Джеймс М.; Марков, Владимир (2008). «<title>Матричный лазерный виброметр для визуализации переходных мод и быстрого неразрушающего контроля</title>». В Томасини, Энрико П. (ред.). Восьмая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения» . Восьмая международная конференция по измерениям вибрации лазерными методами: достижения и применения. Том. 7098. с. 709809. дои : 10.1117/12.802929. S2CID  109520649.
3. Биссинджер, Джордж; Оливер, Дэвид (июль 2007 г.). «3-D Лазерная виброметрия легендарных старых итальянских скрипок» (PDF) . Звук и вибрация . Проверено 24 января 2013 г.
4. GmbH, Политек. "Гражданское строительство". www.polytec.com .
5. Бальдини, Франческо; Мойр, Кристофер И.; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (2009). «Миниатюрные лазерные доплеровские системы измерения скорости». В Бальдини, Франческо; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (ред.). Оптические датчики 2009 . Оптические датчики 2009. Том. 7356. стр. 73560I–73560I–12. дои : 10.1117/12.819324. S2CID  123294042.
6. Хубер, Александр М; Шваб, К; Линдер, Т; Стокли, С.Дж.; Ферраццини, М; Дилье, Н.; Фиш, Ю (2001). «Оценка лазерной допплеровской интерферометрии барабанной перепонки как диагностического инструмента» (PDF) . Ларингоскоп . 111 (3): 501–7. дои : 10.1097/00005537-200103000-00022. PMID  11224783. S2CID  8296563.
7. Фонсека, П.Дж.; Попов, А.В. (1994). «Звуковое излучение у цикады: роль разных структур». Журнал сравнительной физиологии А. 175 (3). дои : 10.1007/BF00192994. S2CID  22549133.
8. Саттон, CM (1990). «Калибровка акселерометра путем измерения динамического положения с использованием гетеродинной лазерной интерферометрии». Метрология . 27 (3): 133–138. Бибкод : 1990Метро..27..133С. дои : 10.1088/0026-1394/27/3/004. S2CID  250757084.
9. Абдулла Аль Мамун; ГоСяо Го; Чао Би (2007). Жесткий диск: мехатроника и управление. ЦРК Пресс . ISBN 978-0-8493-7253-7. Проверено 24 января 2013 г.
10. "Vibrations Inc. - Лазерные доплеровские виброметры" . www.vibrationsinc.com .
11. Сян, Нин; Сабатье, Джеймс М. (2000). «<title>Измерения обнаружения наземных мин с использованием акусто-сейсмической связи</title>». В Дубее — Абинаш С; Харви, Джеймс Ф; Броуч, Дж. Томас; и другие. (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей V . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей V. Vol. 4038. с. 645. дои : 10.1117/12.396292. S2CID  12131129.
12. Бергетт, Ричард Д.; Брэдли, Маршалл Р.; Дункан, Майкл; Мелтон, Джейсон; Лал, Амит К.; Аранчук Вячеслав; Хесс, Сесил Ф.; Сабатье, Джеймс М.; Сян, Нин (2003). «Мобильный лазерный доплеровский виброметр для акустического обнаружения мин». В Хармоне, Рассел С.; Холлоуэй-младший, Джон Х; Броуч, Дж. Т. (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей VIII . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей VIII. Том. 5089. с. 665. дои : 10.1117/12.487186. S2CID  62559102.
13. Лал, Амит; Аранчук, Слава; Душкина, Валентина; Уртадо, Эрнесто; Хесс, Сесил; Килпатрик, Джим; л'Эсперанс, Дрю; Луо, Нан; Марков, Владимир (2006). «<title>Усовершенствованные приборы LDV для обнаружения заглубленных мин</title>». В Броаче, Дж. Томас; Хармон, Рассел С; Холлоуэй-младший, Джон Х (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей XI . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей XI. Том. 6217. с. 621715. дои : 10.1117/12.668927. S2CID  62566351.
14. Руй Ли; Тао Ван; Чжиган Чжу; Вэнь Сяо (2011). «Вибрационные характеристики различных поверхностей при использовании LDV для приема голоса на большие расстояния». Журнал датчиков IEEE . 11 (6): 1415. Бибкод : 2011ISenJ..11.1415L. дои : 10.1109/JSEN.2010.2093125. S2CID  37916336.
15. Политек, ГмбХ. «Материальные исследования». www.polytec.com .
16. Лаура Родригес, Измерение высокотемпературной поверхности с помощью лазерного виброметра Aries, VELA . Оригинальный доклад представлен на конференции AIVELA 2012. Июнь 2012 г.
17. «Одноточечные виброметры».
18. Верье, Николас и Атлан, Майкл. Письма об оптике 5 (2013); https://doi.org/10.1364/ol.38.000739; https://arxiv.org/abs/1211.5328
19. Франсуа Бруно, Жером Лоран, Даниэль Ройер и Майкл Атлан. Прил. Физ. Летт. 104, 083504 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4866390; https://arxiv.org/abs/1401.5344
20. Хорхе Фернандес Хередеро, 3D-измерение вибрации с использованием LSV . Оригинальный доклад представлен на AdMet 2012. Февраль 2012 г.
21. «OMS - Лазерные доплеровские виброметры» . www.omscorporation.com .
22. Скализ, Лоренцо; Паоне, Никола (2000). «Самосмешивающий лазерный доплеровский виброметр». В Томасини, Энрико П. (ред.). Четвертая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения» . Четвертая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения». Том. 4072. стр. 25–36. дои : 10.1117/12.386763. S2CID  119778488.
23. Гетеродинный лазерный диодный виброметр с автосмешиванием - патент США 5838439. Архивировано 12 июня 2011 г. в Wayback Machine . Выпущено 17 ноября 1998 г. Patentstorm.us. Проверено 17 июня 2013 г.

Внешние ссылки

• Принцип измерения лазерных доплеровских виброметров и обычно используемые лазерные источники
• Введение в лазерные доплеровские виброметры и физические принципы
• Видео об основных принципах лазерной допплеровской виброметрии