摘要:介绍了一种基于光三角法的激光非接触测振仪,对激光测振仪的结构参数的优化设计进行了分析。研制的激光测振仪的主要技术参数为工作距离40mm～2m,测量范围2～50mm,测量分辨力2～20μm,频率响应0～3kHz。
引 言
随着工业的迅速发展,对振动测量提出了更高的要求。目前,工程中振动测量主要依靠加速度计,由于现场的恶劣环境会影响加速度计的正常工作,另外加速度计的附加质量也会改变实际结构的振动行为,使测量结果失真。在振动测量的光学方法中,全息法[1]、散斑法[2]、云纹干涉法[3]是用暗室照相的方式操作,对测试环境有较高的要求,不便于一般工作环境下物体振动的测量;离焦法[4]、外差干涉法[5]由于测头与被测物体工作距离近(几毫米至几十毫米)、成本高等使应用受到限制。为此,本文基于光三角法测量原理,开发出一种工作距离40mm～2m,测量范围2～50mm,测量分辨力2～20μm,频率响应0-3kHz的激光非接触测振仪。
1 测量原理
图1示出了光三角法的振动位移测量原理。半导体激光器LD发出的激光经发射透镜L1汇聚于被测物体表面的O处形成入射光点,该光点在空间的部分散射光通过接收透镜L2汇聚到光电探测器E上形成象光点O′。当入射光点与该光学结构发生相对于入射光轴方向的振动位移z时,引起象光点在E的感光面上发生位移z′,从而引起光电探测器输出电信号的变化。通过检测该信号的变化即可求得z′,则z为
式中参数如图1所示。当入射光点通过接收透镜所成的象光点在光电探测器E上的中点时,此入射光点称为测振仪基准点。角Φ的选定是为了满足恒聚焦条件。所用光电探测器可为线阵CCD器件或PSD(Position Sensi-tive Detector)器件。PSD是一种新型半导体位置探测器,它将光点在其光敏面上的强度及位置转换成两路电流信号输出。设PSD的两个电极输出的光电流分别为I1,I2,则z′为
式中KP是PSD的光电转换效率,PS是接收透镜接收到的光功率。测量系统的信号处理框图如图2所示。首先通过I/V电流电压转换,将来自PSD两电极的电流信号转换为电压信号,随后将两路电压信号进行加运算ADD,减运算SUB,进而送入除法器DIV进行除法运算。为了去除噪声,在除法器输出端连接一个低通滤波器LP,经滤波器滤波而得到与PSD上光点位移成正比的电压输出。由于PSD具有分辨力较高、后续处理电路简单、频率响应高等特点,故本激光测振仪采用PSD为光电探测器。
2 激光测振仪结构优化设计分析
激光测振仪的结构尺寸是根据测量分辨力、测量范围、工作距离等要求和PSD器件的工作特点进行优化设计的。图1中,接收透镜L2的物、象关系可由下式表示:
式中f为接收透镜的焦距。
2.1 象距b,焦距f及夹角β的确定
由于测振仪的测量范围相对较小,可使Φ=90°,代入(1)式且对其求导数可得
由(6)式可知,测振仪的输入输出间有近似的线性关系,其最大测量范围zmax与PSD感光面的尺寸z′max成正比。在PSD分辨力一定的情况下,较大的b值可提高测量分辨力,但却相应地减小了测振仪的测量范围,并增大了其尺寸。
以激光测振仪的最大工作距离2m,测量范围±25mm,测量分辨力20μm为例进行计算。选用PSD的分辨力为0.1μm,感光面长度为±1.5mm。由(5)式可知,当z′=-1.5mm,即入射光点取向测量范围负边缘,测振仪分辨力最低,将已知参数代入式(5)应可得
2.2 接收透镜通光口径的确定
设激光测振仪所测目标物为漫散射体,若被测物为非理想漫散射体时,可直接测量或者可以在被测点处贴一小块具有氧化镁涂层的纸片作为靶标,这并不影响被测点的振动状态,但却使该处成为漫散射表面。根据朗伯定律,漫散射表面的光分布与入射角θ无关,仅由散射面法线在空间的方向决定,其散射光的分布可表示为
式中参数如图3所示。对于无吸收的非透明物质,散射场总功率应等于入射光的总功率。根据漫散射表面的光分布模型,可以求得图1中位置敏感探测器所获得光功率PS:
3 激光测振仪的性能实验
3.1 振动信号振幅和频率的测量实验
使激光测振仪入射光垂直照射于距其2m左右放置的起振器靶面上,使起振器以振幅大于20μm,振动频率低于3kHz的正弦波起振。采用示波器实时监测起振器的振幅和频率值,为便于分析,可通过高速A/D采集卡将振动信号实时采集,存入计算机,进行频谱分析。图4示出了起振器振动时所采集的波形。若振动波形稳定,可直接从所采集的波形中读出振幅和频率值。如果受环境干扰,数据有波动,可先将信号进行傅里叶变换,从频谱图中滤除低频干扰成份,通过频谱图中信号的峰值频率获得振动的频率值,然后再经逆傅里叶变换恢复信号波形,测得振幅值。图5为图4的频谱图,由图中可知,所测振动的振幅为32μm,频率为500Hz。
3.2 分辨力实验
由起振器给出正弦波振动,利用外差干涉式测振仪于近处校准起振器振幅及频率。采集测振仪输出,调节起振器的振幅和频率,使得输出为振幅20μm,频率3kHz的正弦振动。以所研制的激光测振仪代换外差干涉式测振仪测量起振器靶面,使被测靶面在测振仪测量范围的负边缘点、基准点、正边缘点。观察采集值,有3kHz的正弦信号,因此该测振仪的振动位移测量分辨力为20μm。
3.3 频率响应特性
使起振器振动频率从0Hz至3kHz每100Hz变化一次,并用外差干涉式测振仪校准,使起振器在各个频率的振幅均为40μm。如3.2节所述,用激光测振仪在各个频率点测量起振器的幅值。图6示出校准修正的频率响应曲线。为了精确测量在0Hz至3kHz各频率点的振幅,可将该频率段分成若干等分,各等分点以外差干涉式测振仪校准其测量值,非等分点处频率可用线性插值法校准。
4 结 论
本文基于光三角法测量原理,研制出一种激光非接触测振仪。对测头结构的优化设计进行的分析及性能实验的部分结果可知,该测振仪具有工作距离大、分辨力高、可测振动位移范围大以及可测频率范围宽的特点,同时仪器成本较低、使用简便,便于推广应用。
参考文献:
[1]ToNIn R,Bies D A. Analysis of 3-D vibration from time-averaged holograms [J]. Appl.Opt,1965,6(6):1593-1602.
[2]Archbold E,Ennos A E. Two dimensional vibration analyzed by speckle photography [J]. Opt.andLaser Tech,1975,7(1):17-21.
[3]Asundi A,Cheung M T. Moire interferometry for vibration analysis of plates [J]. Exp.Mech,1987,18(4):238-241.
[4]庄葆华等.采用全息光学元件的非接触光学测头[J].计量学报,1992,13(1):19-23.
[5]汤俊雄等.微振动振幅的测量[J].光学学报,1989,9(8):1092-1097.
基金项目:天津市自然科学基金资助项目(941407010)
作者简介:张文伟(1967-),男,陕西西安人,博士,主要从事光电检测技术、智能化仪器、神经网络及其光学实现的研究;庄葆华,(1937-),女,安徽人,天津大学教授,博导,主要从事光电检测技术、全息、新型传感技术的研究。
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