超低频激光干涉法振动幅相特性测量技术的研究

　　低频和超低频振动计量广泛应用于机械制造、车辆船舶、航空航天、建筑工程、电信电力、地震预报及防震减灾、地球物理、地质物探、海洋科学、生物医学、核工程以及军事科学等几乎所有的科研和工程领域，是众多学科解决结构动力学设计、设备安全运行、新产品研发、环境保护及生命科学等研究不可缺少的试验手段。

　　随着我国现代化建设的飞速发展，大型工程结构如高层建筑和大跨度桥梁自振频率越来越低( 多数低于 0. 1 Hz) ，其健康监测和故障诊断已成为工程界研究的热点; 城市轨道交通网的兴建，也使振敏型精密仪器环境振动的测量和评估方法的研究成为社会广泛关注的焦点。而用于地震预报和观测研究用仪器要求具有良好的超低频( 甚至零频) 特性。生物动力学研究、地质勘探、新能源的开发也都与低频和超低频振动密切相关，核爆炸的监测更属超低频振动测量的范畴( 下限达 0. 003 Hz) 。而我国现有的国家低频振动基准频率下限为 0. 1 Hz，最大振幅为40 mm，其测量能力不能满足上述领域对超低频振动计量器具量值溯源的迫切需求，因此研究建立超低频振动幅相特性国家基准装置意义重大[1 -4]。

　　由中国计量科学研究院和浙江大学研发的超低频( 0. 002 Hz) 、大位移( 1 m( p - p)水平) 、大负载( 30 kg) 和低失真( 加速度波形失真度( 1%) 的振动幅值和相位国家基准装置 2009 年已通过专家鉴定。本文重点介绍装置中激光绝对法测振系统的构成、解决的技术关键和实验数据等。

　　1 超低频激光测振系统构成和主要技术指标

　　超低频激光测振系统由改进型零差正交激光干涉仪和超低频数据采集处理系统两部分组成，可实现超低频振动传感器幅频和相频特性的精确测量。改进型零差正交激光干涉仪采用直流耦合输出模式，可测量的动态光程大于 1 m。数据采集处理系统基于零差正弦逼近法[5]和虚拟仪器技术构建，以 PXI 接口的 16 位 4 通道数据采集卡作为数据采集处理及控制硬件，采用动态相位连续展开( Dynamic successivephase unwrapping) 算法( 以下简称为动态 SPU 算法)[6]和自主提出的自适应动态分解算法，利用 LabView 图形化软件平台编制数据采集处理程序。系统的主要技术指标: 频率 0. 002 Hz ～ 2 kHz; 加速度( 2 ×10- 5～ 100) m / s2; 速度 0. 2 m/s; 位移 > 1 m( p - p) ; 加速度复灵敏度测量的不确定度( k = 2) 为0. 3% ，0. 3°( 参考点) 。

　　2 超低频零差正交激光干涉仪

　　在低频大振幅下，激光干涉仪输出高质量的干涉信号是激光精确测振的基础。但是，大型机械系统与复杂电子系统的耦合、振动台长导轨加工精度和应力变形等因素，均会使激光干涉仪在动态超低频、大振幅情况下，激光干涉跟踪测量性能变差、精确测量困难。研制的大光程、DC 输出的零差正交 Michelson 激光干涉仪，解决了超低频( 低至 0. 002 Hz) 大振幅( 1 m) 的激光跟踪精确测量问题。