2~50kHz高频振动幅值和相位基准的研究

    1　引　言

    对于高频、纳米级小振幅的振动测量,国际标准ISO16063—11:1999“激光干涉法振动绝对校准”推荐,可使用外差式激光干涉仪实现振动传感器加速度灵敏度幅值和相移的绝对法校准[1]。正是由于计算机、激光测量和信号处理技术的飞速发展,才使得激光技术在振动绝对法测量上的应用得到了前所未有的进步。

    保存在中国计量科学研究院的高频振动国家基准始建于上世纪70年代末,自1996年停用至今已10年。它原采用的是贝塞耳函数法,只能在某些固定零值点进行振动幅值测量。在国家质检总局“新一代振动幅相特性测量系统”课题(2003~2006年)中,课题组密切跟踪国际前沿技术的发展动态,在掌握零差正交激光干涉技术的基础上,完成了外差技术的理论研究。研制了Mach-Zehnder外差激光干涉仪、宽带放大器、信号调理子系统、振动台功率放大器;设计了高频振动台基座和激光支架;构建了PXI虚拟仪器测量系统;利用LabVIEW软件开发平台编制了数据处理程序;采用改进的外差正弦逼近法和自主提出的基于波峰波谷的外差时间间隔法,在压电叠堆高频(2~50 kHz)振动台上,实现了(1~500)nm振幅范围内的纳米级振动传感器加速度灵敏度幅值和相移的精确测量,建立了高频振动幅值和相位基准。

    2　高频振动幅值和相位基准结构原理

    图1为高频振动幅值和相位基准结构原理图。它主要由高频振动激励系统、外差激光干涉仪、激光信号调理系统、数据采集处理系统组成。

    2·1　振动激励系统

    压电式高频振动台利用的是压电晶体的逆压电效应,即压电晶体片在交变电场中会产生交变的轴向形变。由于高频振动台是由压电晶体叠堆而成,因此在不同频率时表现为不同的阻抗特性。电路上可变电感箱串联,可变电容箱并联,其作用是为了使功率放大器获得较为稳定的阻抗负载,以使振动激励系统的失真度较小,驱动台体的电压较大。

    图1中信号发生器输出的正弦信号经功率放大器放大后,通过可变电感箱和可变电容箱的调节,使电路接近于谐振状态,从而在振动台台面输出加速度波形失真度较小的情况下,获得驱动压电振动台的最大的供台电压和功率。当这一交变电压施加于压电晶体片叠堆时,振动台台面将产生正弦机械振动。

    2·2　外差激光干涉仪原理

    外差式激光干涉仪采用的是普通Mach-Zehnder干涉仪(见图2),光源为波长0·632 991μm的稳频He-Ne激光器。激光器发出的光束经过1/4波片P后转换成圆偏振光,再经过偏振分光镜PBS1后被分离成偏振态相互垂直的两束线偏振光,即测量光束和参考光束。参考光束经过反射镜M1,由布拉格盒BC(Bragg cell)进行声光调制(调制频率40 MHz),实现干涉仪激光调制频率向输入布拉格盒BC的晶振频率f0的频移,再经反射镜M2,射向偏振分光镜PBS2。测量光束经过偏振分光镜PBS1、PBS2、组合透镜L聚焦后,照射在振动台台面的微珠玻璃纸上,并被反射回来,在分光镜PBS2上反射后与参考光束发生干涉,并由光电检测器D完成干涉信号的接收和检测。