Лазерный доплеровский виброметр

Прибор для обнаружения микроскопических колебаний поверхности

Основные компоненты лазерного доплеровского виброметра

Лазерный доплеровский виброметр ( LDV ) — это научный прибор, который используется для проведения бесконтактных измерений вибрации поверхности. Лазерный луч от 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 направлять на цели, к которым трудно получить доступ, или которые могут быть слишком маленькими или слишком горячими для присоединения физического преобразователя . Кроме того, LDV производит измерение вибрации без нагрузки массой на цель, что особенно важно для устройств MEMS .

Принципы работы

Виброметр обычно представляет собой двухлучевой лазерный интерферометр , который измеряет разницу 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 лазеры Nd:YAG . Тестовый луч направляется на цель, а рассеянный свет от цели собирается и интерферирует с опорным лучом на фотодетекторе , обычно фотодиоде . Большинство коммерческих виброметров работают в гетеродинном режиме, добавляя известный сдвиг частоты (обычно 30–40 МГц) к одному из лучей. Этот сдвиг частоты обычно генерируется ячейкой Брэгга или акустооптическим модулятором. ^[1]

Схема типичного лазерного виброметра показана выше. Луч от лазера, имеющий частоту f _o , разделяется на опорный луч и тестовый луч с помощью светоделителя . Затем тестовый луч проходит через ячейку Брэгга, которая добавляет сдвиг частоты f _b . Этот смещенный по частоте луч затем направляется на цель. Движение цели добавляет доплеровский сдвиг к лучу, заданному как 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 цели во всех направлениях, но некоторая часть света собирается LDV 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 выше отклика детектора. Однако детектор реагирует на частоту биений между двумя лучами, которая составляет f _b + f _d (обычно в диапазоне десятков МГц).

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

Приложения

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

• Авиакосмическая промышленность – LDV используются в качестве инструментов неразрушающего контроля компонентов самолетов. ^[2]
• Акустика – LDV являются стандартными инструментами для проектирования динамиков, а также используются для диагностики производительности музыкальных инструментов. ^[3]
• Архитектура – ​​LDV используются для испытаний мостов и конструкций на вибрацию. ^[4]
• Автомобильная промышленность – LDV широко используются во многих автомобильных приложениях, таких как структурная динамика, диагностика тормозов, количественная оценка шума, вибрации и жесткости (NVH), а также точное измерение скорости. ^[5]
• Биологические – LDV использовались для различных целей, таких как диагностика барабанной перепонки ^[6] и коммуникация насекомых. ^[7]
• Калибровка – поскольку ЛДВ измеряют движение, которое можно откалибровать непосредственно по длине волны света, их часто используют для калибровки других типов преобразователей. ^[8]
• Диагностика жестких дисков – LDV широко использовались при анализе жестких дисков, особенно в области позиционирования головки. ^[9]
• Стоматологические приборы - LDV используются в стоматологической отрасли для измерения вибрационной сигнатуры стоматологических скалеров с целью улучшения качества вибрации. ^[10]
• Обнаружение мин – LDV показали большие перспективы в обнаружении зарытых мин. Метод использует источник звука, такой как громкоговоритель, для возбуждения земли, заставляя землю вибрировать очень мало, а LDV используется для измерения амплитуды колебаний земли . Области над зарытой миной показывают повышенную скорость земли на резонансной частоте системы мина-грунт. Было продемонстрировано обнаружение мин с помощью однолучевых сканирующих LDV, ^[11] массива LDV, ^[12] и многолучевых LDV ^{[13] .}
• Безопасность – Лазерные доплеровские виброметры (ЛДВ) как бесконтактные датчики вибрации обладают способностью дистанционного голосового захвата. С помощью визуального датчика (камеры) различные цели в среде, где происходит аудиособытие, могут быть выбраны в качестве отражающих поверхностей для сбора акустических сигналов ЛДВ. Производительность ЛДВ в значительной степени 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 колебания современных материалов, таких как углеродные пластины. Информация о вибрации может помочь идентифицировать и изучать дефекты, поскольку материалы с дефектами будут демонстрировать другой профиль вибрации по сравнению с материалами без дефектов. ^[15]

Типы

• Одноточечные виброметры – это наиболее распространенный тип LDV. ^[16] Он может измерять однонаправленное движение вне плоскости. ^[17]
• Сканирующие виброметры – сканирующий LDV добавляет набор сканирующих зеркал XY, что позволяет перемещать один лазерный луч по интересующей поверхности.
• Голографическая лазерная доплеровская виброметрия (HLDV) – лазерная доплеровская виброметрия с расширенным освещением, которая использует цифровую голографию для визуализации изображения, чтобы захватить движение поверхности во многих точках одновременно. ^{[18] [19]}

Голографическая виброметрия консолей музыкальной шкатулки методом частотного разделения каналов ^{[18] [19]}

• 3-D виброметры – стандартный LDV измеряет скорость цели вдоль направления лазерного луча. Для измерения всех трех компонентов скорости цели 3-D виброметр измеряет местоположение тремя независимыми лучами, которые попадают на цель с трех разных направлений. Это позволяет определить полную скорость цели в плоскости и вне плоскости. ^[20]
• Ротационные виброметры – Ротационный виброметр используется для измерения вращательной или угловой скорости.
• Дифференциальные виброметры – Дифференциальный виброметр измеряет разницу скоростей вне плоскости между двумя точками на цели.
• Многолучевые виброметры – Многолучевой виброметр измеряет скорость цели в нескольких местах одновременно.
• Самосмешивающиеся виброметры – Простая конфигурация LDV с ультракомпактной оптической головкой. ^[21] Они, как правило, основаны на лазерном диоде со встроенным фотодетектором. ^{[22] [23]}
• Непрерывная сканирующая лазерная доплеровская виброметрия (CSLDV) – модифицированная лазерная доплеровская виброметрия, которая непрерывно перемещает лазер по поверхности испытуемого образца для захвата движения поверхности во многих точках одновременно.

Смотрите также

• Волоконно-оптический гироскоп
• Лазерная допплерография
• Лазерная допплеровская велосиметрия
• Лазерный микрофон
• Лазерная сканирующая виброметрия
• Лазерный поворотный стол
• Оптическое гетеродинное детектирование

Ссылки

1. Лутцманн, Питер; Гёлер, Бенджамин; Хилл, Крис А.; Путтен, Франк ван (2016). «Лазерное измерение вибрации в институте Фраунгофера IOSB: обзор и применение». Optical Engineering . 56 (3): 031215. Bibcode :2017OptEn..56c1215L. doi :10.1117/1.OE.56.3.031215. ISSN  0091-3286. S2CID  125618909.
2. Kilpatrick, James M.; Markov, Vladimir (2008). "<title>Матричный лазерный виброметр для получения переходных модальных изображений и быстрого неразрушающего контроля</title>". В Tomasini, Enrico P (ред.). Восьмая международная конференция по измерениям вибрации с помощью лазерных технологий: достижения и приложения . Том 7098. стр. 709809. doi :10.1117/12.802929. S2CID  109520649.
3. Биссинджер, Джордж.; Оливер, Дэвид (июль 2007 г.). "3-D лазерная виброметрия на легендарных старинных итальянских скрипках" (PDF) . Звук и вибрация . Получено 24.01.2013 .
4. GmbH, Polytec. "Гражданское строительство". www.polytec.com .
5. Балдини, Франческо; Мойр, Кристофер И.; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (2009). «Миниатюрные лазерные доплеровские системы измерения скорости». В Балдини, Франческо; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (ред.). Оптические датчики 2009. Том 7356. стр. 73560I–73560I–12. doi :10.1117/12.819324. S2CID  123294042.
6. Huber, Alexander M; Schwab, C; Linder, T; Stoeckli, SJ; Ferrazzini, M; Dillier, N; Fisch, U (2001). «Оценка лазерной допплеровской интерферометрии барабанной перепонки как диагностического инструмента» (PDF) . The Laryngoscope . 111 (3): 501–7. doi :10.1097/00005537-200103000-00022. PMID  11224783. S2CID  8296563.
7. Фонсека, П. Дж.; Попов, А. В. (1994). «Звуковое излучение у цикады: роль различных структур». Журнал сравнительной физиологии A. 175 ( 3). doi :10.1007/BF00192994. S2CID  22549133.
8. Sutton, CM (1990). «Калибровка акселерометра путем измерения динамического положения с использованием гетеродинной лазерной интерферометрии». Metrologia . 27 (3): 133–138. Bibcode : 1990Metro..27..133S. doi : 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. Получено 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 акустической и сейсмической связи</title>". В Dubey, Abinash C; Harvey, James F; Broach, J. Thomas; et al. (ред.). Технологии обнаружения и устранения мин и миноподобных целей V . Том 4038. стр. 645. doi :10.1117/12.396292. S2CID  12131129.
12. Бергетт, Ричард Д.; Брэдли, Маршалл Р.; Дункан, Майкл; Мелтон, Джейсон; Лал, Амит К.; Аранчук, Вячеслав; Гесс, Сесил Ф.; Сабатье, Джеймс М.; Сян, Нин (2003). «Мобильная монтируемая лазерная доплеровская виброметрическая решетка для акустического обнаружения мин». В Harmon, Russell S; Holloway, Jr, John H; Broach, J. T (ред.). Технологии обнаружения и устранения мин и миноподобных целей VIII . Том 5089. стр. 665. doi :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 зарытых наземных мин</title>". В Broach, J. Thomas; Harmon, Russell S; Holloway, Jr, John H (ред.). Технологии обнаружения и устранения мин и миноподобных целей XI . Том 6217. стр. 621715. doi :10.1117/12.668927. S2CID  62566351.
14. Руй Ли; Тао Ван; Чжиган Чжу; Вэнь Сяо (2011). «Характеристики вибрации различных поверхностей с использованием LDV для получения голоса на большом расстоянии». Журнал датчиков IEEE . 11 (6): 1415. Bibcode : 2011ISenJ..11.1415L. doi : 10.1109/JSEN.2010.2093125. S2CID  37916336.
15. Polytec, GmbH. «Исследование материалов». www.polytec.com .
16. Лаура Родригес, Измерение высокотемпературной поверхности с помощью лазерного виброметра Aries, VELA . Оригинальная статья, представленная на конференции AIVELA 2012. Июнь 2012 г.
17. «Одноточечные виброметры».
18. Верье, Николас и Атлан, Майкл. Optics Letters 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 Эредеро, 3D измерение вибрации с использованием LSV . Оригинальная статья, представленная на AdMet 2012. Февраль 2012.
21. «OMS - Лазерные доплеровские виброметры» . www.omscorporation.com .
22. Scalise, Lorenzo; Paone, Nicola (2000). «Самосмешивающий лазерный доплеровский виброметр». В Tomasini, Enrico P (ред.). Четвертая международная конференция по измерениям вибрации лазерными методами: достижения и приложения . Том 4072. стр. 25–36. doi :10.1117/12.386763. S2CID  119778488.
23. Гетеродинированный самосмешивающий лазерный диодный виброметр – Патент США 5838439 Архивировано 12 июня 2011 г. на Wayback Machine . Выдано 17 ноября 1998 г. Patentstorm.us. Получено 17 июня 2013 г.

Внешние ссылки

• Введение в лазерные доплеровские виброметры и физические принципы
• Видеоролик об основных принципах лазерной допплеровской виброметрии