摘要：为解决超低频、微小振动的高精度测量与装调间的矛盾，提出了一种新型的激光多普勒信号检波系统。该系统通过一运动光栅的衍射，得到约 40.5%的测量光强，用另一光栅的衍射消除两束差动光间的夹角以及光波长对测量精度的影响;频移﹑混频分开进行，保证系统装调更方便准确;用 1/4 波片﹑渥拉斯顿棱镜等得到相位差 90°的正余弦信号，实现位移方向识别。实验得出，该系统振动频率和振幅测量精度均为 1%，可测频率范围可达到0.5-500Hz，可测振幅范围：1μm-5mm。
引 言
随着计量工程发展的需要，人们越来越重视对物体微小位移和微小振动的高精度测量。比如在微机械(旋转和往复式)检测和动态平衡分析中，迫切需要解决超低频微弱振动和微小位移的测试问题。但由于受环境和温度等因素的影响使得这一测试难度很大。特别是使用微机械式，磁电式，压阻式和涡流式一类检波器时影响更大。目前，包括国外 SM-24[1]，UM-2，MEMS 及现有的检波器，其动态范围小，频带窄，易受温度和其它的外界影响，而且其固有频率使得 10Hz 以下的数据丢失，远落后于高分辨率，高精度的检测要求。
激光多普勒测量具有动态响应快，频带宽，测量范围大，精度高，线性度好，非接触测量以及抗电磁干扰等优点。因此，将激光多普勒技术用于高精度的动态测量是一种具有明显优势的现代测量方法。但是，在被测物体的散射光中，多普勒信号强度，信噪比都很低，并且光源和接收器与物体运动速度之间的角度对位移测量精度的影响还较大。特别是要实现高精度测量，光路的装调常常有一定困难。为了解决这个难题，现设计一种新型的利用两个位相光栅的激光多普勒检波系统。实验结果表明其技术指标是令人满意的。
1 测量光路原理
1.1 矩形槽位相光栅及其多普勒频移和混频
如图1所示为透射型位相光栅的结构及衍射光。理论证明：当nh-h=(n-1)h=λ/2 时其零级和偶次级衍射消失，衍射光能量主要集中在±1级(40.5%)上。又由多普勒理论知：当光栅(光栅常数为 d)以速度 v 沿垂直于入射光的传播方向运动时，其各级衍射光将产生多普勒频移[2]，频移值为
如果两束频率稍不相同的光以2θ1=2λ/d 夹角入射到光栅上时，则它们相应的衍射光将重合产生光拍和混频。如图2 所示，光束1 的+1﹑-1﹑-3 级衍射光分别与光束2 的+3﹑+1﹑-1 级重合。它们混频后的频差均为F=2v/d。可见：频移和频差均只与光栅常数 d(衍射级 m)和运动速度v 有关，与两束光间的夹角和光波长无关(而一般差动法的多普勒频差[3]式中θ 为两束光间的夹角)。
1.2 光栅多普勒检波器的原理
如图3 所示为采用两个位相光栅的激光多普勒信号检波器的光学原理图。当一束频率为 f0的激光照射到以切向速度v 运动的光栅G1上时,其各级衍射光将产生多普勒频移,选取强度最大的±1 级衍射光(其夹角为 2θ1=2λ/d)作为测量光,它们经透镜L1分别成像于后焦面上光阑D 的两个圆孔处,相应的像点分别为并且又以2θ1=2λ/d 的夹角入射到光栅 G2上。于是，它们的+1﹑-1 级相互重合混频，产生差拍信号( F=2v/d)，并由透镜 L2聚焦到光电接收器 E1﹑E2上输出交流信号。为了辨别 G1的运动方向，在 D 处插入 1/4 波片，在 L2透镜后放置渥拉斯顿棱镜，这样从光电接收器E1﹑E2就能输出位相差 90o的正弦﹑余弦信号。这些信号再经放大，滤波处理及数据采集和 A/D 转换等信号处理后输入计算机就可算出不同运动方向的位移或振幅值。
2 振动测量信号
当物体作简谐振动时，其位移和速度[4]可分别写成：
式中，I1﹑I-1为± 1 级的光强。将它们送入放大器可得到放大的电压信号。显然，这种多普勒信号的波形应有疏密交替的变化，其密区对应于振动速度最大的时刻或位置，而宽疏区对应于速度为零的时刻，并且在振动的一个周期中出现两次交替疏密变化，因此，两个相邻宽区或密区间的时间间隔为振动周期的一半，物体的振幅 A0等于半个周期内对速度积分(或位移)的一半
式中N 为半个周期的拍频次数。可见：振幅测量精度只与光栅常数和半个周期的拍频数有关，而与两差动光束间的夹角和光波长无关。因此，系统具有更高的测量精度。如果再进行四细分，测量精度还可以提高。
3 实验结果
采用如图3所示的检波系统进行振动实验。所用He-Ne激光器输出功率为6mW;透射型位相光栅的光栅常数d=20μm;振动源采用丹麦产的振动设备(功放：2076;信号发生器：1027;激振器：4089);数据采集，处理是基于NI 公司的LabVIEW ， 采集卡采用DAC-PCI6023E。
振动实验所测得的频率振幅数据列于表1 中(每一个频率振幅值测 10 次取平均值)。由上表数据可知：本检波系统频率和振幅测量精度均为1%。事实上，系统可测频率范围可达到0.5-500Hz，可测振幅范围：1μm-5mm。图4 为所观察到的差拍信号，可见在一个振动周期中出现两次疏密变化区域。
4 结 论
为了解决超低频、微小振动的高精度测量与装调间的矛盾，设计如图3 所示的新型倒置式差动激光多普勒信号检波系统，并采用丹麦产的震动台和 DAC-PCI6023E 采集卡进行数据采集处理等进行震动原理性试验，得出系统指标达到了预期要求，特别是解决了 10Hz 以下振动信号的检测。与一般差动方法相比该系统还避免了两束差动光间的夹角和光波长对测量精度的影响，得到更强的信号和信噪比，此外结构紧凑，装设方便。但是，光栅常数或光栅制作质量将会限制测量精度的进一步提高。
参考文献：
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[3] 贺顺忠，刘金凤，蒋诚志，等. 远距离高精度多普勒位移测量[J]. 光电工程，2004，31(6)：56-59.HE Shun-zhong, LIU Jin-feng, JIANG Cheng-zhi，et al. Doppler displacement measurement with high accuracy in remotedistance[J]. Opto-Electronic Engineering，2004，31(6)：56-59.
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作者简介：贺顺忠(1945-)，男(汉族)，湖南邵东人，副教授，主要从事物理光学，光电子学，激光光电检测技术等研究。E-mail: hszhong.student@sina.com
