激光多普勒测振法

激光多普勒测振法是目前能够获取最佳位移和速度分辨率的振动测量方法,已被广泛用于基础科学领域。它能实现飞米级的振幅分辨率,线性度高,在极高频率范围内(当前已超过 1GHz)仍能确保振幅的一致性。这些特性不受测量距离影响,因此,无论是近距离的显微测试还是超远距离测试,该原理均适用。系统采用激光作为探测手段,完全无附加质量影响,具有非侵入性,从而能够在极小和极轻质的结构上进行测量。这种无与伦比的技术优势加上坚固的设计,无论是实验室还是户外均能得到很好的应用。

Vibrometry typology

Basic principles of Laser Doppler Vibrometry

 多普勒效应

如果波被运动物体反射并被仪器检测到(正如 LDV),则所测量到的频移可以描述为:
fD = 2· v/λ
其中,v 是物体速度,λ 是入射波波长。反过来,为了能确定对象速度,需要在已知波长的情况下测量(多普勒)频移,这正是通过 LDV 中的激光干涉仪来完成。


干涉法

激光多普勒测振仪以光学干涉为基础,即,本质上要求两个相干光束进行叠加,其各自的光强分别为 I1  和I2。两个光束的总强度不是简单的单个强度的求和,而是根据下列公式得出:
Itot = I1 + I2 + 2 √(I1 I2) cos [2π(r1 - r2)/λ]。

该干涉项与两个光束之间的路径差相关。如果该差值是光波长的整数倍,则总强度是单个光强的四倍。


光学设置

上图显示了这种物理定律在 LDV 中如何实现技术上的使用。

光束分离器 (BS 1) 将激光束分成参考光束和测量光束。在通过第二个光束分离器 (BS2) 后,测量光束聚焦到样本上,并进行反射。该反射光束由 BS 2 向下偏转(见图),然后与参考光束合并到检测器上。

由于参考光束的光路为常数 (r2 = const.)(除干涉仪上可忽略的热效应之外),样本移动 (r1 = r(t))会在检测器上产生亮/暗条纹,这是一种典型的干涉法。检测器上的一个完整的亮/暗周期条纹正好与所用激光的半个波长的位移量相对应。这在激光测振仪经常使用的氦氖激光的情况下,对应于 316nm 的位移。

每单位时间的光程改变表现为测量光束的多普勒频移。在计量方面,意味着多普勒频移直接与样本振动速度成正比。由于远离干涉仪的物体运动所产生的明暗条纹(和调制频率)与物体朝向干涉仪移动所产生的相同,因此仅这种设置无法明确物体移动的方向。鉴于此,将光频移典型值为 40MHz 的声光调制器(布拉格盒)放置在参考光束中(出于比较目的,激光频率为4.74 · 1014 Hz)。当样本处于静态时,将产生 40 MHz 的典型干涉调制频率。因此,当样本朝干涉仪移动时,调制频率会增加;当样本远离干涉仪移动时,则检测器接收到的频率则小于 40MHz。这意味着,如今不仅能精确检测光程长度,还能检测出运动方向。


位移或速度

原理上, 除可以直接测量出振动速度外,LDV还可直接测量出位移量。不过不是通过对速度进行积分,而是通过对LDV检测器上的亮/暗条纹进行计数来得出位移量。使用合适的插值技术,Polytec 激光测振仪的位移分辨率可达 2 nm ,而在采用数字解调技术后,位移分辨率可达pm级。这种位移解调技术尤其适用于低频测量(在亚 Hz 范围内)。速度解调更适用于高频场合,因为谐波振动的最大振幅可以表示如下:
v = 2π • f • s
随着频率的增加,振动速度增加,振动位移则减小。

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