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外差式激光测振仪上升时间和延迟的测量评价

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  0 引言

  激光测振仪是一种基础性工程测量仪器,其基本测量原理是基于激光光束打到运动物体表面,获得的反射光会因多普勒效应而产生频移,反射光与入射光 相干涉后,经过光电探测器,产生频率随激光与物体的相对运动速度成线性关系的FM(调频)电信号,该FM信号经过激光测振仪后续信号处理电路解调获得的信 号波形,即是速度随时间变化的波形。

  激光测振仪主要用于速度量值的直接测量,经过积分或微分环节,也可以相应获得位移或加速度的测量功能。因而,其激励信号通常是物体表面运动速度,也可以是变化过程中的位移量值。

  在其信号处理电路输入端口,可以直接引入FM信号激励,以获得FM信号的调制波形为实际物理量的激励波形时激光测振仪的响应特性(假设光电探头的影响可忽略)。

  上升时间或称为阶跃响应过渡过程,是动态测量仪器设备的基本特征参数,也是激光测振仪的基本特征参数。评价激光测振仪的上升时间一般可采取两种 方式:1)给其加载系统性物理量激励,如速度阶跃信号或位移阶跃信号,以获得系统的阶跃响应上升时间;2)给其FM信号处理电路的输入端加载调制规律为方 波的FM信号波形,以获得全系统除光电探头以外部分的阶跃响应上升时间。

  本文所述内容,主要讨论后一种情况下,激光测振仪电路参数特性中上升时间的测量评价。包括其原理、方法和其中存在的问题。

  1 测量原理

  如图1所示接线,选取一合适的FM信号源,使其工作在外部信号调制的状态下,其正弦载波频率f,调制频偏为Δf。选取一上升时间和下降时间皆足 够小的方波作为FM信号源的外调制信号,其频率为Ω,幅度在FM信号源要求的范围内,两者连接后产生了调制规律具有阶跃信息的方波调制FM信号,将此FM 信号接入激光测振仪信号处理电路的输入端,经过其进行解调处理,输出含有阶跃响应特性的方波波形。将该方波波形用数字存储示波器进行测量,获得其上升时间 tr3。将方波信号源的输出波形直接用数字存储示波器进行测量,获得其上升时间tr1。将FM波形直接用数字存储示波器进行测量,然后使用软件解调算法获 得等效的激光测振仪瞬态激励波形(方波)[1],获得其上升时间tr2。

  

  忽略掉软件解调对上升时间带来的影响,可以认为,激光测振仪全系统除光电探头以外部分的阶跃响应上升时间tr为:

 

  同时忽略掉软件解调对上升时间带来的影响和FM信号源调制过程对调制信号波形上升时间带来的影响,可以认为,激光测振仪全系统除光电探头以外部分的阶跃响应上升时间tr为:

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