Лазерный доплеровский виброметр

A лазерный доплеровский виброметр (LDV ) научный прибор, который используется для бесконтактных измерений вибрации поверхности. Луч лазера от LDV направляется на интересующую поверхность, а амплитуда и частота колебаний извлекаются из доплеровского смещения частоты отраженного лазерного луча из-за движения поверхность. Выходной сигнал LDV обычно представляет собой непрерывное аналоговое напряжение, которое прямо пропорционально целевой составляющей скорости вдоль направления лазерного луча.

Некоторые преимущества LDV перед аналогичными измерительными устройствами, такими как акселерометр, заключаются в том, что LDV может быть направлен на цели, к которым трудно получить доступ, или которые могут быть слишком маленькими или слишком горячими для прикрепите физический преобразователь . Кроме того, LDV производит измерение вибрации, не нагружая объект массой, что особенно важно для устройств MEMS.

• 1 Принципы работы
• 2 Приложения
• 3 Типы
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки

Виброметр обычно представляет собой двухлучевой лазерный интерферометр, который измеряет разность частот (или фаз) между внутренним эталонным лучом и тестовым лучом. Наиболее распространенным типом лазера в ЛДВ является гелий-неоновый лазер, хотя лазерные диоды, волоконные лазеры и лазеры на Nd: YAG тоже используются. Испытательный луч направляется на цель, и рассеянный свет от цели собирается и интерферирует с опорным лучом на фотодетекторе , обычно на фотодиоде . Большинство коммерческих виброметров работают в режиме гетеродина, добавляя известный сдвиг частоты (обычно 30–40 МГц) к одному из лучей. Этот сдвиг частоты обычно генерируется ячейкой Брэгга или акустооптическим модулятором.

Схема типичного лазерного виброметра показана выше. Луч лазера, который имеет частоту f o, разделяется на опорный луч и тестовый луч с помощью светоделителя . Затем испытательный луч проходит через ячейку Брэгга, которая добавляет сдвиг частоты f b. Затем этот сдвинутый по частоте луч направляется на цель. Движение цели добавляет к лучу доплеровский сдвиг, задаваемый формулой f d = 2 * v (t) * cos (α) / λ, где v (t) - скорость цели как функция времени, α - угол между лазерным лучом и вектором скорости, λ - длина волны света.

Свет рассеивается от цели во всех направлениях, но некоторая часть света собирается LDV и отражается светоделителем на фотодетектор. Этот свет имеет частоту, равную f o + f b + f d. Этот рассеянный свет объединяется с опорным лучом на фотодетекторе. Начальная частота лазера очень высока (>10 Гц), что выше отклика детектора. Однако детектор реагирует на частоту биений между двумя лучами, которая составляет f b + f d (обычно в диапазоне десятков МГц.).

Выходной сигнал фотодетектора представляет собой стандартный частотно-модулированный (FM) сигнал с частотой ячейки Брэгга в качестве несущей частоты и доплеровским сдвигом в качестве модуляции. частота. Этот сигнал может быть демодулирован для получения зависимости скорости вибрирующей цели от времени.

LDV используются в большом количестве научных, промышленных и медицинских приложений. Ниже приведены некоторые примеры:

• Аэрокосмическая промышленность - LDV используются в качестве инструментов для неразрушающего контроля компонентов самолета.
• Акустические - LDV являются стандартными инструментами для проектирования динамиков, а также используются для диагностики производительность музыкальных инструментов.
• Архитектура - LDV используются для испытаний мостов и конструкций на вибрацию.
• Автомобильная промышленность - LDV широко используются во многих автомобильных приложениях, таких как структурная динамика, диагностика тормозов, и количественное определение шума, вибрации и резкости (NVH), измерение точной скорости.
• Биологические - LDV используются для различных приложений, таких как диагностика барабанной перепонки и общение с насекомыми.
• Калибровка - поскольку LDV измеряют движение, которое можно откалибровать непосредственно по длине волны света, они часто используются для калибровки других типов преобразователей.
• Диагностика жесткого диска - LDV широко использовались в анализе жестких дисков, в частности в области позиционирования головы.
• Стоматологические устройства - LDV используются в стоматологической промышленности для измерения сигнатуры вибрации стоматологических скалеров для улучшения качества вибрации.
• Обнаружение наземных мин - LDV показали большие перспективы в обнаружении заложенных мин. В этом методе используется источник звука, такой как громкоговоритель, для возбуждения земли, заставляя землю вибрировать очень незначительно с помощью LDV, используемого для измерения амплитуды колебаний земли. Области над заглубленной шахтой показывают повышенную скорость грунта на резонансной частоте системы шахта-грунт. Было продемонстрировано обнаружение мин с помощью однолучевых сканирующих LDV, ряда LDV и многолучевых LDV.
• Безопасность - лазерные доплеровские виброметры (LDV), поскольку бесконтактные датчики вибрации имеют возможность удаленного приема голоса. С помощью визуального датчика (камеры) различные цели в окружающей среде, где происходит звуковое событие, могут быть выбраны в качестве отражающих поверхностей для сбора акустических сигналов LDV. Характеристики LDV во многом зависят от характеристик вибрации выбранных целей (поверхностей) в сцене, на которые падает лазерный луч и от которых он возвращается.
• Исследования материалов - Благодаря бесконтактному методу Лазерные виброметры, особенно лазерные сканирующие виброметры, могут измерять поверхностные колебания современных материалов, таких как угольные пластины. Информация о вибрации может помочь выявить и изучить дефекты, поскольку материалы с дефектами будут демонстрировать другой профиль вибрации по сравнению с материалами без дефектов.

• Одноточечные виброметры - это наиболее распространенный тип LDV. Он может измерять одно направление движения вне плоскости.
• Сканирующие виброметры - Сканирующий LDV добавляет набор сканирующих зеркал XY, позволяющий перемещать одиночный лазерный луч по исследуемой поверхности.
• Трехмерные виброметры - стандартный LDV измеряет скорость цели вдоль направления лазерного луча. Для измерения всех трех составляющих скорости цели трехмерный виброметр измеряет местоположение с помощью трех независимых лучей, которые поражают цель с трех разных направлений. Это позволяет определить полную скорость цели в плоскости и вне плоскости.
• Виброметры вращения - Вращательный LDV используется для измерения скорости вращения или угловой скорости.
• Дифференциальные виброметры - Дифференциальный LDV измеряет разницу скоростей вне плоскости между двумя точками на цели.
• Многолучевые виброметры - Многолучевые LDV измеряют скорость цели одновременно в нескольких точках.
• Самостоятельно. смесительные виброметры - Простая конфигурация LDV со сверхкомпактной оптической головкой. Как правило, они основаны на лазерном диоде со встроенным фотодетектором.
• Лазерная доплеровская виброметрия с непрерывным сканированием (CSLDV) - модифицированный LDV, который непрерывно перемещает лазер по поверхности исследуемого образца, чтобы фиксировать движение поверхность во многих точках одновременно
• (HLDV) - LDV с расширенным освещением, который использует цифровую голографию для рендеринга изображения для захвата движения поверхности во многих точках одновременно.

• Лазерная доплеровская визуализация
• Лазерная доплеровская велосиметрия
• Лазерный микрофон
• Лазерная сканирующая виброметрия
• Оптическое обнаружение гетеродина

• Принцип измерения лазерные доплеровские виброметры и обычно используемые лазерные источники