Wibrometr laserowy

Wibrometr laserowa jest bezstykowy drgań pomiaru czujnika . Składa się z monochromatycznego źródła światła ( lasera ) i interferometru (interferometr Mach-Zehndera ), umożliwiających pomiar efektu Dopplera spowodowanego drganiami między emitowanym a odbitym sygnałem. Z tej interferometrii między dwoma sygnałami można wywnioskować częstotliwość i fazę drgań.

Wibrometr laserowy (lub LDV: Laser Doppler Vibrometer ) wykorzystuje zasadę efektu Dopplera i działa bezkontaktowo. Dlatego jest szczególnie przydatny do pomiaru drgań, gdzie alternatywne metody ( akcelerometry ) osiągają swoje granice lub po prostu nie można ich zastosować. Na przykład pomiary drgań na powierzchni materiałów płynnych, na bardzo małych ( MEMS ) lub lekkich strukturach (membrany głośników) są zatem bardzo łatwe do wykonania za pomocą wibrometru laserowego do GHz. Ponadto kalibrację akcelerometrów można przeprowadzić za pomocą wibrometru laserowego.

Zasada

Efekt Dopplera

Zasada efektu Dopplera , ukryta za wibrometrem laserowym, zdążyli się już zetknąć, gdy np. Ton pojazdu zmienia się podczas przejeżdżania przed obserwatorem znajdującym się na skraju autostrady. Odczuwana częstotliwość ( wysokość ) zmienia się wtedy i mamy wrażenie, że przeskakujemy z wysokiego na niższy. Analogicznie, jeżeli fala akustyczna odbija się od wibrującego obiektu i jest wykrywana przez system pomiarowy stanowiący wibrometr laserowy, to przesunięcie częstotliwości (lub częstotliwość Dopplera) fali można opisać następująco:

{\ Displaystyle f_ {D} = {\ Frac {2v} {\ lambda}}}

gdzie v jest prędkością drgającego obiektu, a \ lambda jest długością emitowanej fali .

Interferometr

Laserowy wibrometr Dopplera działa na zasadzie interferencji optycznej, wymagając dwóch spójnych wiązek światła i ich odpowiednich interferencji natężenia światła I1 i I2. Wynikowa intensywność jest nie tylko sumą dwóch intensywności, ale jest modulowana zgodnie ze wzorem:

{\ Displaystyle I_ {t} = I_ {1} + I_ {2} + 2 {\ sqrt {I_ {1} I_ {2}}} \ cos \ left ({\ Frac {2 \ pi (r_ {1} -r_ {2})} {\ lambda}} \ right)}

Termin interferencja, występujący we wzorze, odnosi się do różnicy długości między drogami światła dwóch wiązek. Jeśli ta różnica jest całkowitą wielokrotnością długości fali lasera, całkowita intensywność jest równa czterokrotności natężenia I1. Podobnie, całkowite natężenie wynosi zero, jeśli dwie wiązki mają różnicę w długości ścieżki optycznej równą połowie długości fali. Skutkuje to konstruktywną lub destrukcyjną interferencją. Rysunek 1 pokazuje, jak wykorzystuje się prawo fizyczne w wibrometrze laserowym.

Wiązka o hel - neon laserowego oddziela się przez rozdzielacz wiązki BS1, w wiązki odniesienia i belki pomiarowe. Po przejściu przez drugi separator BS2 wiązka pomiarowa trafia do badanego wibrującego obiektu, który następnie ją odbija. Odbita wiązka jest teraz odchylana przez rozdzielacz BS2, następnie łączona z wiązką odniesienia przez trzeci rozdzielacz BS3 i ostatecznie kierowana w kierunku detektora. Biorąc pod uwagę, że długość ścieżki optycznej jest stała w czasie (poza pomijalnymi efektami termicznymi na interferometrze): r2 = stała, ruch badanego obiektu (r1 = r (t)) będzie generował interferencję „światło - ciemność” prążki na poziomie detektora: typowy schemat interferometru. Pełny cykl „ciemnego światła” na detektorze odpowiada przesunięciu dokładnie połowy długości fali użytego światła. W przypadku lampy laserowej helowo-neonowej, używanej prawie wyłącznie w wibrometrach, odpowiada to przemieszczeniu 316 nm. Dlatego modulacja częstotliwości wyznaczonego wzoru interferencji jest wprost proporcjonalna do prędkości obiektu. Należy jednak wziąć pod uwagę, że drgania skierowane w kierunku interferometru generują dokładnie takie same wzorce interferencji, jak drgania z dala od interferometru. Ta konfiguracja nie może zatem określać kierunku drgań; Na tej właśnie przyczyny opto-akustyczny modulatora ( Bragga komórek ) jest umieszczony na poziomie wiązki odniesienia, który z kolei moduluje 40 MHz fali światła (w stosunku do częstotliwości światła laserowego 4.74e14 Hz). W ten sposób generuje modulację prążków interferencyjnych 40 MHz , gdy obiekt jest w spoczynku. Jeśli obiekt porusza się w kierunku interferometru, modulacja częstotliwości jest zmniejszona; i odwrotnie, jeśli obiekt oddala się od wibrometru, detektor odbiera częstotliwość większą niż 40 MHz. Oznacza to, że można teraz nie tylko wykryć amplitudę ruchu, ale także precyzyjnie określić kierunek tej wibracji.

Przemieszczenie czy prędkość?

Zasadniczo LDV może bezpośrednio mierzyć przemieszczenie, a także prędkość drgań. W przypadku przemieszczenia częstotliwość Dopplera nie jest przekształcana na napięcie wprost proporcjonalne do prędkości; zamiast tego LDV zlicza prążki interferencyjne „ciemnego światła” na detektorze. Dzięki zastosowaniu tej techniki interpolacji i demodulacji cyfrowej niektóre wibrometry laserowe mogą osiągnąć rozdzielczość niższą niż pikometr! Demodulacja ruchoma jest bardziej odpowiednia do pomiarów niskich częstotliwości, a demodulacja prędkości jest preferowana w przypadku wysokich częstotliwości. Rzeczywiście, gdy ich częstotliwość wzrasta, pewne wibracje generują wyższe prędkości dla mniejszych przemieszczeń:

{\ displaystyle v = 2fs}

Przykłady zastosowań

Laserowe wibrometry dopplerowskie [LDV] są używane w wielu zastosowaniach naukowych, przemysłowych i medycznych. Poniżej przedstawiono kilka przykładów:

Lotnicza / nieniszcząca inspekcja elementów statków powietrznych.
Akustyka / konstrukcja głośników, diagnostyka wykonania instrumentu muzycznego.
Motoryzacja /, dynamiczne testy strukturalne, analiza modalna tarcz hamulcowych, kwantyfikacja NVH (twardość hałasu i wibracji ) ...
Biologia / diagnostyka błony bębenkowej słuchu, analiza systemów komunikacji owadów ...
Kalibracja akcelerometrów.
Diagnostyka i wykrywanie uszkodzeń dysku twardego, pozycjonowanie głowic odczytujących.
Wykrywanie min. Technika wykorzystująca akustyczne źródło wzbudzenia gruntu i LDV do pomiaru odpowiedzi w drganiach.

Dowiedz się więcej

Bibliografia

Polytec France
Kilpatrick, James M. i Markov, Vladimir, „Matrix laser vibrometer for transient modal imaging and rapid nondestructive”, 8th International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques , SPIE 7098, Ancona , Włochy (2008)
Bissinger, George. and Oliver, David, „3D Laser Vibrometry on Legendary Old Italian Violins”, Sound and Vibration , lipiec 2007
http://www.polytec.com/usa/158_2081.asp
Huber, Alexander M, „Evaluation of Eardrum Laser Doppler Interferometry as a Diagnostic Tool”, Journal of Comparative Physiology A 111 (3): 501-507, marzec 2001
Fonseca, PJ i Popov, AV, „Promieniowanie dźwięku w cykadzie: rola różnych struktur”, tom 175, numer 3, wrzesień 1994, str. 349-361
Sutton, CM, Accelerometer Calibration by Dynamic Position Measurement Using Heterodyne Laser Interferometry, Metrologia 27, 133-138, 1990
Mamun, AA et al, Hard Disk Drive: Mechatronics and Control , ( ISBN 0-8493-7253-4 ) , 2007
Xiang, Ning i Sabatier, James M., „Pomiary wykrywania min lądowych za pomocą sprzężenia akustyczno-sejsmicznego”, SPIE Vol. 4038 Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V, str.645-655 (2000).
Burgett, Richard D. i in., „Mobilny laserowy zestaw wibrometru Dopplera do akustycznej detekcji min lądowych”, SPIE Vol. 5089 Technologie wykrywania i naprawiania min i celów podobnych do min VIII (2003).
Lal, Amit K. i in., „Zaawansowane instrumenty LDV do wykrywania podziemnych min lądowych”, SPIE Vol. 6217 Technologie wykrywania i naprawiania min i celów podobnych do min XI (2006).

Powiązane artykuły