一种新型便携式二维激光测振仪研究

张深逢， 刘杰坤, 马修水， 宋云峰， 叶 岗

(1.宁波舜宇智能测量仪器有限公司，浙江 宁波 315400;2.浙江大学 宁波理工学院,浙江 宁波 315100;3.太原科技大学 机械工程学院,太原 030041)



一种新型便携式二维激光测振仪研究

张深逢1， 刘杰坤2,3, 马修水2， 宋云峰1， 叶 岗1

(1.宁波舜宇智能测量仪器有限公司，浙江 宁波 315400;2.浙江大学 宁波理工学院,浙江 宁波 315100;3.太原科技大学 机械工程学院,太原 030041)

介绍了一种新型便携式二维激光测振仪。该激光测振仪基于激光多普勒效应原理，采用激光自混合技术，能够实现对振动物体二维面内振动测量，具有出色的频率和相位响应,满足高精度和高速测量需求。介绍了该测振仪的工作原理，针对测振仪实际运用过程中两激光束间夹角易变等问题，提出了一种两激光束间夹角的校正方法，并通过大量的实验数据，证明此校正方法的有效性和准确性。

激光测振仪；多普勒效应；激光自混合；二维面内振动；非接触式测量

振动是物体的重要特性，振动测量在军事、工业、农业、科学研究、健康医疗等方面广泛应用[1-4]。振动的测量分为接触式测量和非接触式测量，非接触式测量，不会影响振动的原有状态，测量结果更为准确可靠[5]，是振动测量的发展方向。目前，非接触式振动测量技术中，较为成熟的是激光多普勒技术[6]，激光测振技术是一种非接触的测量振动的技术，该测振技术具有抗干扰、高分辨率、高精度、非接触的振动测量特性，激光多普勒测振仪属于非接触式的测量方法，可以应用在许多其他接触式测振方式无法测量的任务中，出色的频率和相位响应，可准确地对各种物体的振动、位移、速度及加速度等进行测量，在满足高精度、高速测量需求的同时，还可以弥补接触式测量方法无法测量大幅度振动的缺陷[7-8]。激光多普勒技术分为零差式结构和外差式结构，因零差式结构不能区分物体的振动方向，所以一般的激光多普勒测振仪采用外差式结构[9]，但外差式结构需要激光光源，声光移频器，探测器，分束器、合束器等，所需光电器件较多，系统体积较大，成本高[10]。

近年来，激光自混合测振技术开始崭露头角。激光自混合技术是以激光自混合干涉效应为基础的，激光自混合干涉效应是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后,其中一部分光被反馈回激光器的谐振腔,与腔内光相混合后,形成激光自混合信号调制激光器的输出功率，由封装在激光器后部的光电二极管探测其功率的技术。该技术理论是建立在发布里-铂罗(F-P)腔模型、注入锁定模型等常用模型，并逐步应用于激光回馈应用方面，如加速度、位移等的测量[11]。

因反馈光信号携带了物体的振动信息，则探测自混合信号并解调该信号便可得到被测物体的振动信息。激光自混合干涉的光路结构较为简单，只需要激光器，准直透镜和光电探测器即可组成测振系统[12]。为了丰富测量维度信息，本文采用两组件组合的方式对物体进行振动测量，实现对振动物体二维平面内振动的精确测量。

虽然激光自混合技术对所采用的激光器没有特殊的要求[13]，但在实际应用中，它要求采用的半导体激光器为单纵模运行，线宽小于10 MHz，输出功率为几毫瓦。满足上述条件的可见光激光器不仅数量少，而且价格昂贵，量产价格便宜的通信用半导体激光器普遍在红外波段，这种激光光束是不可见的，这给设备的实际应用带来了不便。综合两者利弊，本系统采用红外半导体激光器，配合可见光波段的指示光源对物体进行振动测量，实验测量结果证明可以满足测量要求。

1 测量原理

激光自混合二维激光测振仪系统是在激光自混合一维测振光路的基础上，采用两组激光自混合测振组件，每组激光自混合测振组件包括激光器、探测自混合光信号的探测器，两组激光自混合测振组件共用一个光束聚焦系统，两个激光器的出射光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体的同一点，则该点的振动形态分解到了两组测振组件的入射光方向上，每个激光器可测得该激光束方向上物体的振动信息，然后根据两个方向上测得的实时位移量，结合两光束的夹角，即可得到各个时刻点的面内总位移，实现面内振动测量。

如图1激光自混合二维激光测振仪系统结构及工作原理图所示，该系统采用工作方式完全相同的两组激光自混合测振组件，激光自混合测振组件1包括激光器11、探测器12，激光自混合测振组件2包括激光器21、探测器22。两个测振组件共一个光束聚焦系统31。激光器11在恒流驱动下出射激光由光束聚焦系统31聚焦到振动物体5上，散射光束经聚焦系统31反馈回到激光器11形成自混合干涉，探测器12探测自混合光信号，可以解调出振动物体5沿光束41的投影分量，从而获取物体5沿光束41的位移量。同样，组件2可以通过测量振动物体5沿光束42的投影分量，获得物体5沿光束42的位移量。通过两个投影分量及光束41，42的交叉角度，可以解调出振动物体5在光束41、42交叉平面内的振动信息，实现二维测量。

图1 系统的结构及工作原理图Fig.1 Schematic diagram of the structure and working principle of the system

为了降低成本，采用红外半导体激光器和可见光半导体激光器组成激光测振组件，其中，红外半导体激光器的出射光束用于振动测量，可见光半导体激光器的出射光束进行光路指示。则光路上作了如下改变，如图2所示，系统主要组成部分为：自混合测量组件包括红外光波段测量激光器11、21，可见光波段的指示光源15、25，探测器12、22与合束器14、24。

图2 采用红外半导体激光器与可见光半导体激光器的系统结构图Fig.2 Schematic diagram of the structure of the infrared diode laser and the visible diodelaser

位移量的计算如图4所示，两个激光器的出射光通过光束聚焦系统能够聚焦到振动物体5的同一点，两个测量组件实时测量的位移分别为S41、S42,两光束的夹角为θ，光束聚焦系统31的焦距为f，则根据几何关系,则沿光束41与42的振动投影分量由下式给出：

s41=szcos(θ/2)-sxsin(θ/2)

(1)

s42=szcos(θ/2)+sxsin(θ/2)

(2)

式中:Sx、Sz分别为振动物体的沿X、Z坐标轴的振动分量，S41、S42已知，θ可通过焦距值f与光束间隔求得：

θ=2arctan(h/2f)

(3)

则有:

sz=(s41+s42)/cos(θ/2)

(4)

sx=(s42-s41)/sin(θ/2)

(5)

从而可以计算出物体5在交叉面内的总位移量。

图3 位移量计算示意图Fig.3 Diagram of displacement calculation

对于采用自动变焦或者手动变焦的光束聚焦系统，焦距值f是可变的，因而光束41与42的夹角θ也是可变的。即便是采用定焦光束聚焦系统，由于系统安装及使用过程中的光束间距h的变化，也将引起光束41与42间夹角的不确定，因而对于高精度振动测量的需求，要求对光束夹角θ进行校准。

图4 两光束夹角的校正方法示意图Fig.4 Diagram of correction method of the angle between two beams

为了弥补上述缺陷，本文提出一种对两光束间夹角的校正方法，其工作原理如图5所示，采用第三组自混合激光测量组件10，其产生的激光束40，第三组激光测振组件测量Z轴方向上的振动信息S40，即Sz=S40，则校准的两激光束间夹角θ由式(1)可得：

θ=2arccos((s41+s42)/2s40)

(6)

经校准后，得到振动物体沿坐标轴X、Z方向的二维振动分量分别为

Sz=S40

(7)

sx=(s42-s41)/(2sin(θ/2))

(8)

则校正后的物体二维振动可由式(7)～(8)获得。

对比式(7),(8)，式中的Sz与Sx都是基于两激光束间夹角θ求得的，夹角θ是通过给定的h,f计算的，而h,f的值则是通过测量给出，并且在设备安装过程中易被改变；而式中的Sz是直接测得的，Sx是基于两激光束间夹角θ的，但此时的θ是通过已测得的Sz得出的，受人为因素影响较小，Sz的精度较Sx的高。

2 实验结果与分析

2.1 实验系统

振动源采用标准振动源JX-3B型振动传感器校准仪作为振动源。该校准仪内部可产生10、20、40、80、160、320、640及1 280 Hz等八种频率的正弦信号，所输出的加速度、速度及位移三种振动信号的幅值可通过电位器调节，并有数字显示。

聚焦系统：透镜的外径为300 mm，焦距为f=500 mm。透镜安装在一个可以移动的夹槽内，通过更换不同的透镜可以实现对不同距离上振动物体的测量。

上下两激光束间距：h=274 mm。激光自混合测振组件：本实验旨在验证该二维测振方法的实用性，实验中未采用不可见光半导体激光器，红外半导体激光器和可见光半导体激光器组成激光测振组件，而是采用He-Ne激光器作为激光光源，图5激光自混合二维激光测振仪系统实验现场图

智能控制箱： LDV智能控制箱内置有信号放大、滤波、信号解调等电路，对多普勒信号进行预处理，方便软件对信号的提取，计算和分析。

处理软件：信号处理软件能通过DAQ信号采集卡将信号采集到计算机中，可以直观地进行滤波，加窗等参数的设置，方便地对信号进行时域、频域的处理和分析，得到振动信号的加速度、速度、位移等参数。

图5 实验系统图Fig.5

2.2 实验结果

实验中对X轴和Z轴的混合振动进行了实验，实验方法：标准振动源JX-3B型作为振动源，发出特定频率和特定幅值的信号，三维激光测振仪(采用激光自混合技术研制)发出光束，经过聚焦透镜汇聚在振动源上，振动信号输出给智能控制箱，智能控制箱对信号做预处理，而后数据采集系统通过数据采集卡同步采集数据，并将采集到的数据传送给计算机软件的二维测振模块(测振软件可以测量一维、二维和三维振动信息)，最后得到X、Z轴频率测量实验结果如表1、表2所示。

表1 X轴振动实验结果

表2 Z轴振动实验结果

表3 位移测量结果

混合位移方面测试10组数据，并分别记录了θ校正前和θ校正后的数值分别计算与实际值(真值)的相对误差，测量结果如表3所示。

实验说明：实验所述三维激光测振仪器精度能达到0.008 nm，表2中测量数据单位是mm，精度是小数点后9位，正好是0.001 nm的级别，但分辨率是0.008 nm，并不是0.001 nm。

2.3 实验分析

由表1和表2可见，该设备对于频率的测量精度很高，相对误差最大为0.712 5%，最小仅为0.000 25%，对于速度的测量幅值精度较差一些，不过也都控制在-3.587 93%～2.192 362%以内，测量效果良好，满足实际测量要求。

造成频率测量精确度高，而位移测量精度稍差的原因主要是频率测量在每一个测量角度测量得到的结果都有很高的一致性，但位移测量会由于振动台的振动平面与激光束的交叉面不完全重合，导致系统测量的位移仅仅是物体实际振动位移的一部分，使测量结果产生误差，而频率测量则不会受到这些因素的影响。

3 结 论

本文以激光自混合技术为基础，采用多组件的方式构成二维激光测振仪，对物体二维面内振动测量，通过设计第三组激光测振组件的的方式对θ值进行校正，校正结果使测量的相对误差平均提高0.644 683%。目前，以激光自混合技术为基础的激光测振技术已经衍生了许多技术、许多模型，如激光干涉测振在位移、速度、加速度、表面变形、角度测量、转速测量等诸多领域，与船东的测振技术相比，激光测振系统结构简单、紧凑、抗干扰、精度高，成本低，能够实现测振仪的小型化，便携化，具有良好的应用和发展前景,此外，以激光为通信的非接触传感器代替传统的接触式传感，已经是大势所趋，应用前景相当广阔。

[1] 王学勤.激光微多普勒效应的仿真与实验研究[D].烟台:烟台大学,2007.

[2] ZHU Shaoli, ZHOU Wei, SONG Yunfeng. Detecting oscillation amplitude and defects of hard disk rotating in high speed by laser Doppler technique[J]. Measurement, 2012,45(1):74-78.

[3] 崔笛,张文,应义斌.激光多普勒测振技术在农产品品质检测中的应用[J].农业机械学报，2013,44(7):160-164.

CUI Di,ZHANG Wen,YING Yibin. Laser doppler vibration technology in the application of the agricultural product quality detection[J].Transaction of the Chinese Society for Agricultural Machiner,2013,44(7):160-164.

[4] HOLLAND A J A, WARD W, HEI E R I,et al.Laser Doppler Line Scan Burn Imager (LDLS-BI): Sideways move or a step ahead? Burns:(2013),http://dx.doi.org/10.1016/j.burns.2013.05.008.Journal of the International Society for Burn Injuries,2013,40(1):113-119.

[5] STEVE J V,GUILLAUME V P. Acoustic source identification using a scanning laser doppler vibrometer[J].Optics and Lasers in Engineering, 2007, 45: 742-749.

[6] CASTELLINI P, MARTARELLI M, TOMASINI E P. Laser doppler vibrometry: development of advanced solutions answering to technology’s needs[J].Mechanical Systems and Signal Processing, 2006, 20(6): 1265-1285.

[7] 张书练. 激光回馈技术及发展[J]. 激光与光电子学进展, 2007, 44(11): 65-76.

ZHANG Shulian. Optical feedback technology and its development[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2007, 44(11):65-76.

[8] 禹延光, 郭常盈, 叶会英. 基于适度光反馈自混合干涉技术的振动测量[J]. 光学学报, 2007, 8(27):1430-1434.

YU Yanguang, GUO Changying, YE Huiying. Vibration measurement based on moderate optical feedback self-mixing interference [J]. Acta Optica Sinica, 2007, 8(27): 1430-1434.

[9] 孟雪. 激光多普勒干涉振动测量技术的研究[D].长春:长春理工大学,2012.

[10] 宁波舜宇智能测量仪器有限公司.一种新型激光外差干涉实验仪[P].实用新型专利，2013200479695. 2013-01-29.

[11] 姬静毅. 激光自混合干涉位移测量系统的设计[D].郑州:郑州大学,2011.

[12] 夏巍，张小元，岳邦强,等.一种基于电流调制和DSP解调的激光自混合干涉测振仪[J].激光与光电子学进展，2010,47(4):041201-1.

XIA Wei,ZHANG Xiaoyuan, YUE Bangqiang, et al.A Kind of mixed interferencevibrometerbased on current modulation and DSP demodulation[J].Laser & Optoelectronics Progress,2010,47(4):041201-1.

[13] 马军山，孙晓明，禹延光,等. 激光自混合干涉测量技术综述[J].宇航计测技术，1997,17(6):1-7.

MA Junshan,SUN Xiaoming,YU Yanguang,et al. Laser mixed interferometry technology review[J]. Journal of Astronautic Metrology and Measurement,1997,17(6):1-7.

A new type of portable 2D laser vibrometer

ZHANG Shenfeng1， LIU Jiekun2,3, MA Xiushui2， SONG Yunfeng1， YE Gang1

(1.Ningbo Sunny Advanced Instruments CO.LTD, Ningbo 315400, China;2. Ningbo Institute of Technology，Zhejiang University, Ningbo 315400, China;3. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030041, China)

Here,a new type of portable 2D laser vibrometer was introduced. Based on laser Doppler effect, using laser self-mixing technology, the two-dimensional in-plane vibration measurement of a vibration object was realized with, excellent frequency and phase response, to meet demands of high precision and high speed measurement. The working principle of the vibrometer was presented. Aiming at the problem that the angle between two laser beams is easy to vary in practical applications of the vibrometer, a modifring method for the angle between two laser beams was proposed, and many test results showed that the modifring method is feasible and correct.

laser vibrometer; Doppler effect; laser self mixing; two-dimensional in-plane vibration; non-contact measurement

国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ470765)；宁波市科技创新团队(2013B82005;2012B82002)

2015-08-07 修改稿收到日期：2015-09-22

张深逢 男，硕士生，工程师，1988年4月生

宋云峰 男，博士，研究员，1965年3月生

E-mail：yfsong@sunnyoptical.com

TH741

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.19.033