激光多普勒测振技术的最新进展

引　言

自1960年以来,激光多普勒技术由于在测量中具有高的空间和时间分辨率,不接触测量物体,不扰动测量对象,能测量原有测速技术难以测量的对象而引人注目。1964年,YEH和CUMMIUS发表了第1篇关于激光多普勒技术测速的论文后,此项技术立即受到各方面的重视并进行了大量的理论分析和试验研究,取得了显著的成果。70年代后,国外厂商已经开始向市场提供比较完备的产品并在不断更新。激光多普勒测振技术现在成为科学技术及许多行业中不可少的检测方法,己经从流体和固体的速度测量发展到了振动测量领域。

振动测量因为能反映物体的动态特性,特别是高速运动的物体,在工程技术中十分重要。激光多普勒测振仪从1983年南安普敦大学的光振研究所的发明开始,从单光束、交叉光束测量发展到了多光束测量。激光振动测量最开始是利用差动式激光多普勒测速仪进行扭转振动测量,随后激光扭转振动仪的理论开始独立发展,已经取得了很大的成果。世界著名的生产激光多普勒测振仪的厂家B&K公司研究并制造出商品型号为2523的激光扭振仪。该产品中使用了单个激光干涉仪。而同样知名的德国Polytec公司4000系列中的产品中包含了两个激光干涉仪,测量效果得到了进一步的提高。国内天津大学、西安交通大学等研究部门也进行了相应的研究。

结合国内外激光多普勒测振技术的研究成果,简要介绍勒激光多普勒测振技术的发展,着重讲述了激光多普勒测振技术的最新进展,并从光路结构出发,分析了各种结构的优缺点。

1　激光多普勒测振技术的原理和进展

1. 1　激光多普勒测速技术(LDV)

激光多普勒测振技术最早是从激光测速技术发展来的。其物理原理在于探测从运动物体散射回来的反射光的多普勒频移[1]。图1为单光束测速光路结构。

由激光器发出的频率为f激光束经分光镜入射到被测表面,由于测量表面的运动,反射光将产生多普勒频移fD:

式中,v为表面运动速度,λ为激光的波长。频率为f+fr的参考光束和频率为f+fD反射光混合并投射到光电探测器上产生了拍频信号,经过电子信号处理系统,最后得到频率为fD-fr的拍频的电信号,对其进行分析和处理就可得到所需的振动信号。由于混合了参考光束,这种光路结构能够分辨出被测表面的运动方向。

1. 2　差动多普勒技术测振技术

虽然参考光方法十分有用,而且特别适用于实验室里测量来自固体表面散射光的情况,但是大多数使用的装置并不含参考光,而是将两束等强度的光聚焦并相交在测量点处[2]。差动多普勒测振仪提供了一种测量转轴切向速度的方法,不需要表面接触就可得到扭转振动速度,如图2所示。在这种光学结构中,光电探测器输出的多普勒拍频fD为: