THz干涉测量用于障碍物后振动传感的研究

　　0　引言

　　振动检测对于工业设备的正常运行和维护、建筑桥梁的结构设计等具有重要意义.在振动检测中,常常需要对塑料、纸板等光学不透明物遮挡下的目标如马达、扬声器、汽车轴承和风扇等运行时产生的振动进行测量,为设备运行状态的诊断提供数据,此时若采用传统的接触传感方式或非接触的光学干涉传感方式都无法进行有效检测.太赫兹辐射由于其结合了电磁波的波动性和对非极性材料的良好透射性,为障碍物后振动传感提供了一种全新的解决思路.

　　太赫兹辐射是指频率在0.1~10 THz(相应的波长为30μm~3 mm)范围内的电磁波,由于其在长波段与毫米波相重合,在短波段与远红外光相重合,因而兼具了微波和光波的特点,形成了其独特的性质,使得太赫兹技术在诸如材料特性检测、生物医学、安全检查与反恐、无损检测、宽带通讯等等领域获得了世界范围的广泛关注[1-5].利用THz辐射的波动性开展诸如振动检测应用方面的研究则非常少,目前国内还未见报道,国外也只有麻省理工的Jerry C. Chen[6]等于2007年利用基于工作波长488μm返波管源的太赫兹传感器对纸板、塑料、木材和棉布等遮挡下的扬声器振动信号进行了干涉测量的原理性实验,获得了几个固定频率下振动的最大位移和速度等参量,实验结果与商业测振仪相比具有较好的一致性.Jerry C. Chen等搭建的太赫兹传感器虽然获得了障碍物后目标的振动信息,但其实验是在事先已知的固定振动频率下进行的,与实际测试中可能面临的复杂频率情况有一定区别;另外在数据处理方面,他们采用的是基于快速傅里叶变换的商业频谱分析仪,只能给出整个时间段内的信号频谱整体分布情况,无法描述不同时刻的信号频谱,也无法得到振动位移随时间的变化(即振动时程),而后者是描述振动特性的主要参量;最后,其测量用的太赫兹波长达488μm,这虽然保证了对障碍物的透射性能,但由于波长较长,其位移测量准确度必然要受到影响.

　　为进一步探索太赫兹干涉测量技术用于障碍物后目标振动检测的可行性,本文利用工作波长214.58μm的CO2激光器器泵浦气体太赫兹源搭建了一套基于迈克尔逊干涉仪结构的THz干涉测量装置,对薄纸板遮挡后敲击目标镜产生的微小振动进行了实验研究.由于干涉仪波长采用的是214.58μm,这样就在保证THz辐射对障碍物透射性能的前提下提高了测量准确度;另外,实验中没有采用固定频率的振动作为测试对像,而是将激振方式改为敲击目标镜来产生振动,从而使得实验状态更加接近真实情况;最后,在数据处理方面,采用相位分析和频谱分析相结合的方法对干涉信号进行处理,获得了振动时程及不同时段振动频率的分布情况,从而丰富了振动检测的测量信息.