基于光纤干涉仪的振动测量技术

　　引 言

　　光学干涉测量技术是以光波干涉原理为基础的一门技术，在测量领域中获得了广泛应用，它比一般的光学测量方法具有更高的灵敏度和精度。采用激光光源和计算机数据采集与处理系统的光纤干涉测量技术，进一步提高了测量精度和分辨力，扩大了测量范围，提高了测量速度，实现了干涉条纹的实时自动分析[1]。任何物理量，只要能够转换成光纤的光程差变化，都可以用光纤干涉仪来测量[2]，如位移、应变、振动、压力、温度等。因此光纤干涉测量技术成为一个重要的研究领域。

　　本文利用光纤干涉仪实现振动的测量，用线阵 CCD 测量条纹动态位移，通过计算机进行数据采集与处理并对位移进行频谱分析，给出了实现方案，分析了影响条纹最大允许移动速度的因素，给出了振动测量的实验结果。对微弱振动信号的测量具有重要意义。

　　1 系统硬件构成及测量原理

　　测量系统由激光光源、光纤 Mach-Zehnder 干涉仪、线阵 CCD 摄像机、图像采集卡以及计算机组成，其具体结构如图1 所示。

　　由激光光源发出的激光束，经透镜1 分别耦合进参考臂光纤和传感臂光纤，两根光纤均为保偏光纤，且偏振轴相互平行。传感臂用来感受振动信号，参考臂用来对传感臂的位相提供参考值，两光纤的输出端紧并在一起，两出射光束产生干涉，干涉条纹由透镜2 成像于CCD 光敏面上，并被转换为电信号，通过图像采集卡采集后将数据送入计算机进行处理，得到干涉条纹的位移数据，利用频谱分析方法得到被测振动信号的频率。

　　本系统采用德国 BALSER 公司的线阵 CCD L101k-1k，它按预先设定的线扫频率自动重复扫描，直接输出8 位或 10 位的数字信号，输出信号采用LVDS 模式。L101k 采用 Camera Link 标准，Camera Link 技术采用了高速数据传输方法——Channel Link 技术，主要用于数字图像数据的高速传输。CCD 输出图像数据以串行方式传送到图像采集板[3]。

　　图像采集卡是美国 EPIX 公司的 PIXCI@CL1，它符合 Camera Link Base 接口规范，采用 PCI 总线接口，每行最大 4096 像素，每帧最大 65535 行，能进行连续图像采集，可在微秒到分钟之间选择曝光时间，132兆字节/秒脉冲传输，32 位 PCI 总线主控。

　　2 干涉条纹图像处理

　　图像处理软件由图像采集卡函数库及 VC++共同开发。它主要包括图像采集、图像预处理、确定条纹中心、计算条纹位移量及频谱分析等。主要流程如图2 所示。

　　2.1 连续采集

　　图像采集是通过调用 EPIX CL1 图像采集卡驱动程序中的图像卡读取函数来完成。该图像卡是基于 PCI总线的彩色/黑白图像采集卡，能实现实时传送数字视频信号到显示存贮器或系统存储器，数据的传送过程是由图像卡控制的，无需 CPU 参与,瞬时传输速度可达 132Mb/s。其实现连续采集程序流程如图3 所示。采集的其中一帧图像的部分如图4 所示，每帧图像处理流程见图5。