激光干涉原理在振动测量中的应用

　　0　引　言

　　振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。在现实中,描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器,利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量[1]。如果测量较小物体的振动,附加的传感器质量往往影响被测物体的振动,从而产生测量误差;而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。

　　由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性,使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中,尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面[2]。

　　1　激光干涉测振原理

　　激光干涉测振技术[3]是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术,测试灵敏度和准确度高,绝大部分都是非接触式的。激光干涉原理如图1所示。

　　光源S处发出的频率为f、波长为λ的激光束一部分投射到记录介质H(比如全息干板)上,光波的复振幅记为E1,另一部分经物体O表面反射后投射到记录介质H上,光波的复振幅记为E2。其中:

　　式中:A1和A2分别为光波的振幅;σ1和σ2分别是光波的位相;当E1和E2满足相干条件时,其光波的合成复振幅E为:

　　式(4)的四项中前三项均为高频分量,只有第四项为低频分量,且与物体表面的状态有关。第四项的含义是σ2代表的物体表面与σ1代表的参考面之间的相对变化量。因此通过处理和分析物体表面与参考在变形前后的位相变化、光强变化等,从而得到被测物体振动速度、位移等关系式[4]。

　　2　激光干涉测振方法分析

　　激光干涉测振主要的方法有:时间平均全息方法、激光散斑干涉技术、激光多普勒测振技术等。

　　2.1　时间平均全息方法

　　对于在某一稳定频率下作简谐振动的物体,用连续激光照射,并在比振动周期长得多的时间内在全息干板上曝光,可将物体表面所反射的光与未作位相调制的参考光相叠加,将两束光的干涉图记录在全息干板上。其重现象由反映节线和等振幅线组成的干涉条纹来表示振幅分布。这就是时间平均全息方法的测振原理。其时间平均全息图的重现像的光强度按零阶贝塞尔函数的平方分布[3]。

　　因此,由式(5)通过分析光强I的变化确定V(x,y)的量值,实现振动位移测量,如图2所示。