纳秒激光超声测试系统设计及其应用毕业论文(编辑修改稿)

纳秒激光超声测试系统设计及其应用毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

34） 同理 ,光束照射点 B处的轴表面速度在 X 方向上的分量 第 14 页 共 37 页 （ 35） 式中 RA,α A及 RB, α B的几何意义可在图 ，分别为矢径和夹角。 两反射光经光具组会聚在同意光电二极管上，迭加后的合成光强为： （ 36） 上式中 2ω d/λ即为多普勒拍频。 光强变化频率直正比于转轴角速度ω，并与轴的刚体平动速度毫无关系。 这正好可以避免平动的干扰。 3 外差多普勒测量技术 为了解决参考光测量技术的特点 ,1976 年起美国 NASA(美国宇航局 )发展了外差多普勒测量技术。 其原理是通过光频调制器将参考光作一频移。 如图 所示。 由激光器发生频率为 f0的激光束经分光镜入射到被测表面 ,由于测量表面的运动 ,反射光将产生多普勒频移 fD: （ 37） 式中 v 为表面运动速度 ,λ为激光的波长。 频率为 f0+fs 的参考光束和频率为 f0+fD的反射光束混合并投射到光电探测器上产生拍频信号 ,经电子信号处理系统得到频率为fDfs 的拍频信号 ,对其进行分析和处理就可得到所需的振动信号。 这种光路结构能分辨出被测表面的运动方向。 第 15 页 共 37 页 图 外差多普勒测量光路图 对激光频率进行调制以产生两个频率稳定、带宽满足要求的相干双频的光频调制方法有很多。 比较常用的两种方法为 :声光调制和磁光调制 (塞曼效应 )。 [20] （ 1） 磁光调制法 1986 年塞曼发现了在外磁场的作用下光的频率有微弱的变化。 光源发出的光在磁场的作用下 ,由于分裂成有一定频率差的左旋偏振光和右旋偏振光。 利用塞曼效应制作的双频激光器加上轴向磁场 ,可以获得频率相差大约在 的两束相干光。 图 所示为一双频激光干涉仪的光路图。 在氦氖激光器上沿轴向施加磁场 ,由于塞曼效应激光被分裂成有一定频率差的左旋偏振光 f1和右旋偏振光 f2(常用的双频激光干涉仪把这一频差设计成 )。 通过 1/4 波片后 ,f1和 f2变成相互垂直的线偏振光 vl和 v2,又被半透半反镜 (PBS)Bl分成两束。 其中一束光反射到通过偏振方向与两线偏振光偏振方向 45176。 的检偏镜 Pl上 ,产生拍频信号。 光电探测器 Dl 对两倍光频的和频信号没有响应 ,接收到的只是频率为△ v 的参考差频信号。 另一束光透过半透半反镜 B1 向前传播 ,进入偏振分光棱镜 B2后 ,偏振方向垂直纸面的 vl被完全反射 ,偏振方向在纸面内的 v2完全透射。 再经由参考反射镜 M1和测量反射镜 M2反射回来合束 ,通过功能类似检偏镜 P1,的检偏镜 P2,产生的拍频信号被广电探测器 D2接收。 由于测量反射镜 M2以速度 V 运动 , 第 16 页 共 37 页 光的多普勒效应使由 M2 返回的光的频率产生多普勒频移 177。 △ v。 (正负号取决于测量反射镜的运动方向 ),D2接收到的测量信号频率为△ v177。 △ vD。 将测量信号与参考信号进行同步相减 ,得到多普勒频移 177。 △ vD。 多普勒频移对测量时间积分 ,也就是说进行累计计数就可以测出测量反射镜的位移量。 图 双频激光干涉仪的光路图 （ 2） 声光调制法 声光调制原理源于介质的声光效应。 声波是弹性波 ,它会使介质发生弹性应变。 于是介质的折射率相应发生改变 ,这就是当光波平行于声波波阵面入射时 ,即可观察到发生衍射产生的对称近似等间距排列的多极衍射光 ,从而实现对激光进行调制的目的。 图 声光调制测量系统光路图 图 为利用声光调制测量系统进行位移测量的原理图。 从稳频激光器输出的单频 第 17 页 共 37 页 激光经声光调制器 (AOM)产生 0 级及 +1 级衍射光。 0 级光经扩束准直镜扩束准直后进入棱镜 M 作为测量光。 1 级光经反射镜反射后 ,在合光棱镜处与测量光相遇形成拍频。 当棱镜 M移动时 ,由于多普勒效应而产生频率变化△ f。 由光电探测器 D接收并进行处理而获得位移信息。 [21] 小结 根据以上几种激光测振技术的比较 ,可以看出激光多普勒技术的优越性 ,所以在本文所研究的激光测振仪采用多普勒技术对风扇叶片振动进行检测。 4 激光多普勒测量叶片振动频率 多普勒频移效应 多普勒频移效应是为了纪念克里斯琴178。 多普勒178。 约翰而命名的，他于 1842 年提出这一理论，主要内容为：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。 在运动的波源前面，波被 压缩，波长变得较短，频率变得较高。 在运动的波源后面，波被拉长，波长变得较长，频率变得较低。 波源的速度越高，产生的频移效应越大。 多普勒效应是速度测量中所用到的最主要的物理效应。 假设一个固定波源发出频率为 fs的单频波，波的传播速度为 c，波长为 λ ，观测者相对于波源的运动速度为 v，观测者接收到的波频率为 f ，产生的频移量为 △ f。 [22]下面我们做一个简单的推导： 如果波源和观测者都不动，那么时间 t 内观测者接收到 tfs 个波长。 如果观测者相对于波源以速度 v 运动（向波源方向运动为正，相反为负），那么相当于在时间 t内，观测者多接收到了 vt/λ 个波长。 （ 41） 因为 ，整理以后得： （ 42） 多普勒频移△ f： 第 18 页 共 37 页 （ 43） 观测者相对于波源的运动，等同于波源相对于观测者的运动，于是我们可以得出一个常用的多普勒频移测速公式： （ 44） 式中θ为物体运动方向（观测者的运动方向）与波束之间的夹角。 当θ =0 时，即波束与物体运动方向平行，可以用来测量物体的运动速度，间接得到物体的振动频率。 振动的测量可以通过测量物体相对于平衡位置（理想稳定状态）的位移的幅度（位移量 s ）、相对于固定参考系的振动速度（速度量 v）以及物体由于振动而产生的加速度（加 速度量 a ）三种方式来实现。 由数学关系：， ,。 三者又可以相互转换，通过测量物体振动的位移、速度、加速度中的一个参数，就可以得到物体的振动频率。 因此，可以利用激光多普勒技术测量叶片的瞬时振动位移、速度来得到叶片的振动频率。 目前基于多普勒频移原理的测速方法有：超声波多普勒测速、微波多普勒测速和激光多普勒测速。 超声波多普勒测速在日常生活中常见的应用包括：自动门开关、防盗报警、交警对超速车辆的监查、气象雷达等。 [23]微波多普勒测速主要包括：微波雷达枪、微波测速传感器控制自动门、防盗报警器、汽车防撞雷达等。 激光多 普勒测速主要包括：激光测速枪、激光测振仪、激光多普勒测流速等。 确定测量叶片振动的方法 激光干涉法测量叶片振动位移 1 光路图如下 图 激光干涉法测位移光路图一 第 19 页 共 37 页 图 激光干涉法测位移光路图二 2 测量原理 （ 1）光的干涉：干涉现象是光的波动性独有的特性，两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，称之为光的干涉现象。 明与暗的间隔为半个波长，即λ /2。 干涉产生的条件：只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致（光具有偏振现象）的相干光源，才能产生光的干涉。 （ 2）利用光的干涉测量位移的原理：如图 和 ，如果被测物体位置改变时，反射光路的长度发生变化，干涉时相位会发生改变，反映在干涉条纹上的现象是，明暗交替的干涉条纹会沿着一个方向运动。 通过光探测器来检测通过某个点的光强变化，可以“数”出条纹的移动距离，来推算出物体的移动距离。 如图 ，一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。 另一个角锥反射镜相对于分光镜移动 ， 形成变化长度测量光线。 从激光头射出的 激光光束具有稳定的单一频率 ， 当此光束到达偏振分光镜时 ， 被分成两束 光 —— 反射光束和透射光束。 两束光被传送到各自的角锥反射镜中 ， 然后反射回分光镜 中 ， 在探测器中形成干涉光束。 如果两光光程差不变化 ， 探测器将在相长干涉和 相消干 涉 的两 端 之间 的 某 第 20 页 共 37 页 个位 置 观察 到 一个 稳 定的信 号 （即 干 涉条 纹 不动 ）。 如果两光程差发生变化 ，每次光路变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两 端之间的信号变化 ， 这些条纹被数出来 ， 用于计算光程差的变化 ， 测量的长度等 于条纹数乘以激光波长的一半，即。 图 的光路，与图 ，因为接收器的位置与激光器相差 90度，因 此角锥反射镜可被反射镜代替，但系统占用空间较大。 激光器 、 半透半反镀银分光镜 PBS、 反射 镜（或角锥反射镜 ）、 光敏二极 管（或 光电倍增管 ）、示波器（或信号处理与采集系统） 低频大振幅或高频小振幅的振动情况。 由于多普勒频移的存在，使得测量结 果受到一定影响，如果振动速度不大，对于测量平均位移来说仍有较高的精度。 激光多普勒测量叶片振动（频率混叠法） 图 激光多普勒振动速度测试原理 ：如图 ，此种测试方法基于迈克尔逊干涉原理。 由激光器发射出一束稳定的频率为 fs的单频激光 ， 经过一个半透半反 分 光镜 后被分成两束。 其中一条光束作为测量光束经过另一个半透镜后射向被测物体表 面 ， 另一束光 第 21 页 共 37 页 线作为参考光束经过反射后射向图下方的半透镜 ， 然后和测量光束 一起射向光电倍增管。 测量光束经过测量物体的漫反射（或贴反光膜反射）后， 频率发生改变 fsf， 与参考光束一起进入光电倍增管进行混频。 反射光由于 物体的振动而发生的多普勒频移即为： （ 45） 式中： v物体的振动速度 C光速 也就是说，如果振动速度 ， ，那么多普勒频移。 如何将多普勒频移量解调出来有两种方法 ， 一种是利用光电倍增管测量光的差拍 ，间接解调出多普勒频移量。 一种是利用光谱仪直接分析混合后的光谱 ， 可 利用法布里—— 珀罗干涉仪来实现。 （ 1） 光学差拍 光学差拍技术是两个光束的外差或依赖于时间的干涉。 外差是无线电中熟悉的技术，它由两个信号相加再通过一个非线性电路元件或“检测器”。 “混合”后的输出包含了和频、差频及谐波，而频率较低的差频可以用低通滤波器分离出来。 第 22 页 共 37 页 图 差拍示意图 如图 ，输入频率为 f1和 f2的两个信号（ a）和（ b）相加后得到的结果为（ c），这是由两个信号交替的相长和相消干涉（或差拍）形成的一个振幅以（ f1f2）调制的波形。 将（ c）整流或检测后产生输出（ d），其中包含了一个直流分量和以拍频（ f1f2）变化的输出。 同样的原理可以应用于光学。 将两束不同频率的光同时照射在光学检测器上，可以观察到差拍，光检测器的输出与入射光的光强成正比，所以这两个光场在检测器上相加产生了包含差频的输出。 （ 2）利用光电倍增管（或光敏二极管）测量多普勒频移 由于测量光束在经过被测振动物体反射后，其频率和参考光束存在一个差频△ f，两束不同频率的光直接照射在光探测器上，产生了不稳定的干涉，即两束光由于干涉而产生的强度随时间的变化可以用对应的电场强度随时间的改变来描述。 假设没有发生多普勒频移的光束所对应的电场强度随时间 t 的改变表 示为： （ 46） 式中： Es电场幅度 第 23 页 共 37 页 Fx激光频率 发生多普勒频移后的广场强度为： （ 47） 式中：△ f多普勒频移 对一个系统来说，电场的幅度 Es 是一个常数，光电倍增管处测量的光的电场强度 I（ t）是两者的叠加，可以表示为： （ 48） 经过三角函数变换后： （ 49） 因为多普勒频移△ f 远远小于光波本身的频率 fs ，实际上测量的得到电场强度的幅值被余弦函数 cos(2π△ ft)调制。 光电倍增管（或光敏二极管）所测量的是正与比电场强度平方的光强度，光传感器的输出实际上是频率为 △ f 的交流电信号，只要测量出交变信号的频率即可推算出物体的振动速度。 由于交变信号的频率也可以精确测量，所以速度测量的精度很高，而激光多普勒振动测量的精度主要受系统的噪声所限制。