Vibrométrie laser Doppler
La vibrométrie laser Doppler est actuellement le procédé disposant de la plus haute résolution de déplacement et de vitesse, elle est utilisée dans de nombreux domaines des sciences fondamentales. Elle permet d'obtenir une résolution de l'amplitude du fentomètre, linéaire, fiable, jusqu'à des fréquences très hautes, actuellement supérieures à 8 GHz. Ces propriétés sont indépendantes de la distance de mesure, ce principe est utilisé aussi bien sur de petites distances que sur de très longues distances. Le laser utilisé comme capteur de mesure n'a aucune incidence sur l'objet mesuré, elle ne présente donc aucune rétroaction, ce qui permet d'effectuer des mesures sur les structures les plus petites et les plus légères. Grâce aux propriétés jusque-là inégalées, Polytec a su parfaitement adapter le procédé aux laboratoires et aux environnements extérieurs.
La vibrométrie laser au service des détails les plus fins
Vibrométrie laser Doppler avec interférométrie QTec® à trajets multiples
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The Doppler effect
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 suivante :
fD = 2· v/λ
La valeur v représente la vitesse et λ la longueur de l'onde émise. Afin de 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.
Construction optique du vibromètre laser Doppler
La figure ci-dessus indique 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 décalage de fréquence Doppler
Changing the optical path length per unit of time manifests itself as the measurement beam’s Doppler frequency shift. In metrological terms, this means that the modulation frequency of the interference signal determined is directly proportional to the velocity of the sample. As object movement away from the interferometer generates the same modulation pattern (and modulation frequencies) as object movement towards the interferometer, this set-up alone cannot unambiguously determine the direction the object is moving in. For this purpose, an acousto-optic modulator (Bragg cell) that typically shifts the light frequency by 40 MHz is placed in the reference beam (for comparison purposes, the laser light’s frequency is 4.74 · 1014 Hz). This generates a typical interference signal modulation frequency of 40 MHz when the sample is at a standstill. If the object then moves towards the interferometer, this modulation frequency is increased, and if it moves away from the interferometer, the detector receives a frequency less than 40 MHz. This means that it is now possible to not only clearly detect the path length, but also the direction of movement too.
Displacement or velocity of vibrations
En principe, le LDV permet de mesurer à la fois des vitesses et des déplacements. Dans ce cas, la fréquence Doppler n'est pas convertie en une 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.