Principes de la vibrométrie laser

Basic Principles of Vibrometry

Au coeur de chaque vibromètre laser à (effet Doppler) Polytec, il y a un transducteur optique qui permet de déterminer la vitesse et le déplacement des vibrations émises par un point fixe. La technologie est basée sur l'effet Doppler ; détection du déplacement de fréquence de la lumière retour dispersée sur une surface en mouvement.

L'effet Doppler

Si l'onde émise par une structure en mouvement est détectée par le système de mesure (comme cela est le cas pour LDV), la fréquence mesurée (déplacement) est caractérisée par la formule ci-après:

             fD = 2· v/λ

La valeur v correspond à la vitesse et la valeur λ à la longueur d'onde émise. Pour déterminer la vitesse des vibrations émises par la structure, le déplacement de la fréquence doit être mesuré à une longueur d'onde connue. La mesure peut notamment être réalisée avec le LDV basé sur la technologie d'interférométrie laser.

Interferométrie

Les vibromètres Laser à effet Doppler utilisent la technologie de l'interférométrie optique. Ils intègrent deux faisceaux lumineux, dont les intensités respectives sont I1 et I2. L'intensité résultante n'est pas seulement la somme des deux intensités, mais elle est modulée selon la formule:

      Itot = I1 + I2 + 2 √(I1 I2 cos [2π(r1 - r2)/λ]

avec un soi-disant terme de « interférence ». Ce terme d'interférence se rapporte à la différence de longueur de trajet entre les deux faisceaux. Si cette différence est un multiple de nombre entier de la longueur d'onde de laser, l'intensité globale est quatre fois plus intense. Et l'intensité sera égale à zéro si les deux faisceaux ont une différence de longueur de trajet de moitié d'une longueur d'onde.

Cas pratique

L'image ci-après explique comment se comporte l'interféromètre laser avec la solution LDV (Laser Doppler Vibrometry).

Le faisceau laser hélium-néon est dédoublé par un beamsplitter (BS 1) dans un faisceau de référence et un faisceau de mesure. A l'aide d'un deuxième beamsplitter (BS 2), les faisceaux de mesure sont focalisés sur l'objet à caractériser, qui le reflète. Ce faisceau reflété est maintenant braqué vers le bas par les BS 2 (voir le chiffre), est alors fusionné avec le faisceau de référence par le troisième séparateur de faisceau (les BS 3) et sont alors dirigés sur le détecteur.

Car la longueur de trajet du faisceau de référence est constante au fil du temps (excepté des effets thermiques négligeables sur l'interféromètre) (r2 = const.), un mouvement de l'objet à l'étude (r1 = r (t)) produit d'un modèle foncé et lumineux (de frange) typique de l'interférométrie sur le détecteur. Un cycle complet de darkbright sur le détecteur correspond à un déplacement d'objet exactement de la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Dans le cas du laser hélium-néon utilisé presque exclusivement pour des vibromètres, ceci correspond à un déplacement de 316 nanomètre !

Le changement de la longueur de trajet optique par unité de temps se manifeste comme déplacement Doppler-Fizeau Du faisceau de mesure. Ceci signifie que la fréquence de modulation du modèle d'interféromètre déterminé est directement proportionnelle à la vitesse de l'objet. Pendant que le mouvement d'objet à partir de l'interféromètre produit du même modèle d'interférence (et du déplacement de fréquence) que le mouvement d'objet vers l'interféromètre, cette installation ne peut pas déterminer la direction que l'objet se déplace dedans. À cet effet, un modulateur acousto-optique (cellule de Bragg) est placé dans le faisceau de référence, qui décale la fréquence légère par 40 mégahertz (par comparaison, la fréquence de la lumière laser est 4,74 · 1014 hertz). Ceci produit d'une fréquence de modulation du modèle de frange de 40 mégahertz quand l'objet est au repos. Si l'objet se déplace alors vers l'interféromètre, cette fréquence de modulation est réduite et si elle s'éloigne du vibromètre, le détecteur reçoit des que 40 mégahertz une fréquence plus élevés. Ceci signifie qu'il est maintenant possible non seulement de détecter l'amplitude de mouvement mais de définir également clairement la direction du mouvement.

Déplacement ou vitesse?

En principe le LDV peut directement mesurer un déplacement ou une vitesse. Dans ce cas, la fréquence Doppler n'est pas transformée en tension proportionnelle à la vitesse ; au lieu de cela le LDV compte les franges lumineux-foncées sur le détecteur. Utilisant des techniques appropriées d'interpolation, les vibromètres de Polytec atteignent une résolution de 2 nanomètre, et avec des techniques numériques de démodulation même vers le bas à la gamme de P.M. ! La démodulation de déplacement approprié mieux aux mesures basses fréquences et la démodulation de vitesse est meilleure pour de plus hautes fréquences, parce que les amplitudes maximum de vibrations harmoniques peuvent être exprimées comme suit :

          v = 2π • f • s

À mesure que sa fréquence augmente, une certaine vibration produit des vitesses plus élevées aux amplitudes inférieures de déplacement.