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测试原理

从移动物体反射回来的光频率会发生变化,该频率变化取决于物体的速度(多普勒效应)。通过干涉仪测得的频移,我们可以获得物体的振动信息。

多普勒效应

波源和观察者有相对运动时,观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同,这种现象称为多普勒效应。比如救护车警报器音调的明显变化:当一辆救护车迎面驶来的时候,听到声音比原来高;而车离去的时候声音比原来低。在实际振动测试中,测试的激光波长为 λc,测得的多普勒频移 Δfc 与速度 v 成比例关系:

Δfc = 2 v/λc.

振动测量

检测被测物表面反射回来的信号可以得到频移, 从频移可推导出振动速度 v(t), 同样也可以得到振动位移 d(t) 和振动加速度 a(t)。以简谐振动为例, 频率为 f, 位移 d(t) = D sin(2πft), 则位移, 速度和加速度的幅值关系如下公式所示: 

A = 2πfV = 4 π2 f2 D.

干涉仪

变化的频率可通过 Mach-Zehnder 干涉仪转换成强度上的时间序列, 这些信号可在频域内处理。 在干涉仪内, 激光束被分成参考光束和测量光束。从探头反射的光束与参考光束干涉。光电探测器记录的光强包含了参考光束的光强 Ic, 反射光束光强 Iv 以及取决于光程差的参数 Δz。公式如下: 

 I(t) = Ic + Iv + 2(IcIv)1/2 cos(2π Δz(t)/λ).

读取外差

光强的变化与物体是否接近或远离激光测振仪无关。通过外差来消除这种模棱两可之处。参考光束的频率偏移一个固定量 fb, 振动物体的反射光与参考光的干涉导致其谐波强度也随固定频率 f变化。被测物的运动会导致该载波信号 (∝ cos(2πfb)) 出现调制。被测物运动的方向决定了光强频率是变大还是变小。

解调

被测物振动信号可通过解调光强获得。在转换成数字信号之后,信号处理器实时确定测量对象的位移和速度。解调(通常也称为解码)主要是针对速度或位移而言。


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