Лазерный доплеровский виброметр

Лазерный доплеровский виброметр ( ЛДВ ) — это научный прибор, который используется для бесконтактных измерений вибрации поверхности. Лазерный доплеровского луч из LDV направляется на интересующую поверхность, а амплитуда и частота вибрации извлекаются из сдвига частоты отраженного лазерного луча из-за движения поверхности. Выходной сигнал LDV обычно представляет собой непрерывное аналоговое напряжение , которое прямо пропорционально компоненту скорости цели вдоль направления лазерного луча.

Некоторые преимущества LDV по сравнению с аналогичными измерительными устройствами, такими как акселерометр, заключаются в том, что LDV можно направить на цели, к которым трудно получить доступ или которые могут быть слишком маленькими или слишком горячими для прикрепления физического преобразователя . Кроме того, LDV производит измерение вибрации без нагрузки на мишень, что особенно важно для MEMS -устройств.

Принципы работы

Виброметр обычно представляет собой двухлучевой лазерный интерферометр , который измеряет разность частот (или фаз) между внутренним опорным лучом и тестовым лучом. Наиболее распространенным типом лазера в LDV является гелий-неоновый лазер , хотя лазерные диоды , волоконные лазеры и Nd:YAG-лазеры также используются . Тестовый луч направляется на мишень, а рассеянный от мишени свет собирается и интерферируется с опорным лучом на фотодетекторе , обычно фотодиоде . Большинство коммерческих виброметров работают в гетеродинном режиме, добавляя к одному из лучей известный сдвиг частоты (обычно 30–40 МГц). Этот сдвиг частоты обычно генерируется ячейкой Брэгга или акустооптическим модулятором. ^[1]

Схема типичного лазерного виброметра показана выше. Луч лазера, имеющий частоту f _o , разделяется светоделителем на опорный луч и тестовый луч . Затем тестовый луч проходит через ячейку Брэгга, что добавляет сдвиг частоты f _b . Этот сдвинутый по частоте луч затем направляется на цель. Движение цели добавляет доплеровский сдвиг к лучу, определяемый выражением f _d = 2*v(t)*cos(α)/λ, где v(t) — скорость цели как функция времени, α — угол между лазерным лучом и вектором скорости, а λ — длина волны света.

Свет рассеивается от мишени во всех направлениях, но некоторая часть света собирается ЛДВ 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 ¹⁴ 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).

Выход фотодетектора представляет собой стандартный частотно-модулированный (FM) сигнал, в котором частота ячейки Брэгга является несущей частотой , а доплеровский сдвиг — частотой модуляции. Этот сигнал можно демодулировать для определения зависимости скорости вибрирующей цели от времени.

Приложения

LDV используются в самых разных научных, промышленных и медицинских целях. Некоторые примеры приведены ниже:

Аэрокосмическая промышленность. LDV используются в качестве инструментов неразрушающего контроля компонентов самолетов. ^[2]
Акустика. LDV являются стандартными инструментами для проектирования динамиков, а также используются для диагностики характеристик музыкальных инструментов. ^[3]
Архитектура. LDV используются для испытаний на вибрацию мостов и конструкций. ^[4]
Автомобильная промышленность. LDV широко используются во многих автомобильных приложениях, таких как структурная динамика, диагностика тормозов, количественная оценка шума, вибрации и жесткости (NVH), точное измерение скорости. ^[5]
Биологические – LDV используются для различных целей, например, для диагностики барабанной перепонки. ^[6] и общение насекомых. ^[7]
Калибровка. Поскольку LDV измеряют движение, которое можно откалибровать непосредственно по длине волны света, их часто используют для калибровки датчиков других типов. ^[8]
Диагностика жесткого диска. LDV широко используются при анализе жестких дисков, особенно в области позиционирования головок. ^[9]
Стоматологические устройства. LDV используются в стоматологической промышленности для измерения вибрационной характеристики стоматологических инструментов для удаления зубного камня с целью улучшения качества вибрации. ^[10]
Обнаружение наземных мин. LDV показали большие перспективы в обнаружении закопанных наземных мин. В этом методе используется источник звука, такой как громкоговоритель, для возбуждения земли, вызывающий очень небольшую вибрацию земли с помощью LDV, используемого для измерения амплитуды колебаний земли . Области над закопанной шахтой демонстрируют повышенную скорость грунта на резонансной частоте системы шахта-почва. Минобнаружение с помощью однолучевого сканирования ЛДВ, ^[11] массив LDV, ^[12] и многолучевые ЛДВ ^[13] было продемонстрировано.
Безопасность. Лазерные доплеровские виброметры (ЛДВ) как бесконтактные датчики вибрации имеют возможность дистанционного распознавания голоса. С помощью визуального датчика (камеры) различные цели в среде, где происходит звуковое событие, могут быть выбраны в качестве отражающих поверхностей для сбора акустических сигналов ЛДВ. Производительность ЛДВ во многом зависит от вибрационных характеристик выбранных целей (поверхностей) в сцене, на которые падает лазерный луч и от которых он возвращается. ^[14]
Исследование материалов. Благодаря бесконтактному методу лазерные виброметры, особенно лазерные сканирующие виброметры, могут измерять поверхностные вибрации современных материалов, таких как углеродные пластины. Информация о вибрации может помочь идентифицировать и изучить дефекты, поскольку материалы с дефектами демонстрируют другой профиль вибрации по сравнению с материалами без дефектов. ^[15]

Типы

Одноточечные виброметры – это наиболее распространенный тип ЛДВ. ^[16] Он может измерять движение вне плоскости в одном направлении. ^[17]
Сканирующие виброметры . Сканирующий LDV добавляет набор сканирующих зеркал XY, позволяющих перемещать одиночный лазерный луч по интересующей поверхности.
Голографическая лазерная доплеровская виброметрия (HLDV) – LDV с расширенным освещением, в котором используется цифровая голография для рендеринга изображений, позволяющая одновременно фиксировать движение поверхности во многих точках. ^[18]^[19]

голографическая виброметрия консолей музыкальной шкатулки методом частотного мультиплексирования ^[18]^[19]

Трехмерные виброметры. Стандартный LDV измеряет скорость цели в направлении лазерного луча. Чтобы измерить все три компонента 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. ^[20]
Ротационные виброметры. Вращательный LDV используется для измерения вращательной или угловой скорости.
Дифференциальные виброметры. Дифференциальный LDV измеряет разницу скоростей вне плоскости между двумя точками на цели.
Многолучевые виброметры. Многолучевой LDV измеряет скорость цели в нескольких местах одновременно.
Самосмешивающиеся виброметры – простая конфигурация LDV со сверхкомпактной оптической головкой. ^[21] Обычно они основаны на лазерном диоде со встроенным фотодетектором. ^[22]^[23]
Лазерная допплеровская виброметрия с непрерывным сканированием (CSLDV) – модифицированный LDV, который непрерывно проводит лазером по поверхности испытуемого образца, чтобы фиксировать движение поверхности во многих точках одновременно.

См. также

Ссылки

^ Луцманн, Питер; Гёлер, Бенджамин; Хилл, Крис А.; Путтен, Франк ван (2016). «Лазерное измерение вибрации в Fraunhofer IOSB: обзор и применение». Оптическая инженерия . 56 (3): 031215. Бибкод : 2017OptEn..56c1215L . дои : 10.1117/1.OE.56.3.031215 . ISSN 0091-3286 . S2CID 125618909 .
^ Килпатрик, Джеймс М.; Марков, Владимир (2008). «<title>Матричный лазерный виброметр для визуализации переходных мод и быстрого неразрушающего контроля</title>». В Томасини, Энрико П. (ред.). Восьмая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения» . Восьмая международная конференция по измерениям вибрации лазерными методами: достижения и применения. Том. 7098. с. 709809. дои : 10.1117/12.802929 . S2CID 109520649 .
^ Биссинджер, Джордж; Оливер, Дэвид (июль 2007 г.). «3-D Лазерная виброметрия легендарных старых итальянских скрипок» (PDF) . Звук и вибрация . Проверено 24 января 2013 г.
^ ГмбХ, Политех. "Гражданское строительство" . www.polytec.com .
^ Бальдини, Франческо; Мойр, Кристофер И.; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (2009). «Миниатюрные лазерные доплеровские системы измерения скорости». В Бальдини, Франческо; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (ред.). Оптические датчики 2009 . Оптические датчики 2009. Том. 7356. стр. 73560I–73560I–12. дои : 10.1117/12.819324 . S2CID 123294042 .
^ Хубер, Александр М; Шваб, К; Линдер, Т; Стокли, С.Дж.; Ферраццини, М; Дилье, Н.; Фиш, Ю (2001). «Оценка лазерной допплеровской интерферометрии барабанной перепонки как диагностического инструмента» (PDF) . Ларингоскоп . 111 (3): 501–7. дои : 10.1097/00005537-200103000-00022 . ПМИД 11224783 . S2CID 8296563 .
^ Фонсека, П.Дж.; Попов, А.В. (1994). «Звуковое излучение у цикады: роль разных структур». Журнал сравнительной физиологии А. 175 (3). дои : 10.1007/BF00192994 . S2CID 22549133 .
^ Саттон, CM (1990). «Калибровка акселерометра путем измерения динамического положения с использованием гетеродинной лазерной интерферометрии». Метрология . 27 (3): 133–138. Бибкод : 1990Метро..27..133С . дои : 10.1088/0026-1394/27/3/004 . S2CID 250757084 .
^ Абдулла аль-Мамун; ГоСяо Го; Чао Би (2007). Жесткий диск: мехатроника и управление . ЦРК Пресс . ISBN 978-0-8493-7253-7 . Проверено 24 января 2013 г.
^ «Vibrations Inc. – Лазерные доплеровские виброметры» . www.vibrationsinc.com .
^ Сян, Нин; Сабатье, Джеймс М. (2000). «<title>Измерения обнаружения наземных мин с использованием акусто-сейсмической связи</title>». В Дубее — Абинаш С; Харви, Джеймс Ф; Броуч, Дж. Томас; и др. (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей V . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей V. Vol. 4038. с. 645. дои : 10.1117/12.396292 . S2CID 12131129 .
^ Бергетт, Ричард Д.; Брэдли, Маршалл Р.; Дункан, Майкл; Мелтон, Джейсон; Лал, Амит К.; Аранчук Вячеслав; Хесс, Сесил Ф.; Сабатье, Джеймс М.; Сян, Нин (2003). «Мобильный лазерный доплеровский виброметр для акустического обнаружения мин». В Хармоне, Рассел С.; Холлоуэй-младший, Джон Х; Броуч, Дж. Т. (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей VIII . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей VIII. Том. 5089. с. 665. дои : 10.1117/12.487186 . S2CID 62559102 .
^ Лал, Амит; Аранчук, Слава; Душкина, Валентина; Уртадо, Эрнесто; Хесс, Сесил; Килпатрик, Джим; л'Эсперанс, Дрю; Луо, Нан; Марков, Владимир (2006). «<title>Усовершенствованные приборы LDV для обнаружения заглубленных мин</title>». В Броаче, Дж. Томас; Хармон, Рассел С; Холлоуэй-младший, Джон Х (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей XI . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей XI. Том. 6217. с. 621715. дои : 10.1117/12.668927 . S2CID 62566351 .
^ Руй Ли; Тао Ван; Чжиган Чжу; Вэнь Сяо (2011). «Вибрационные характеристики различных поверхностей при использовании LDV для приема голоса на большие расстояния». Журнал датчиков IEEE . 11 (6): 1415. Бибкод : 2011ISenJ..11.1415L . дои : 10.1109/JSEN.2010.2093125 . S2CID 37916336 .
^ Политек, ООО. «Материальные исследования» . www.polytec.com .
^ Лаура Родригес, Измерение высокотемпературной поверхности с помощью лазерного виброметра Aries, VELA . Оригинальный доклад представлен на конференции AIVELA 2012. Июнь 2012 г.
^ «Одноточечные виброметры» .
^ Jump up to: ^а ^б Верье, Николя и Атлан, Майкл. Письма об оптике 5 (2013); https://doi.org/10.1364/ol.38.000739 ; https://arxiv.org/abs/1211.5328
^ Jump up to: ^а ^б Франсуа Брюно, Жером Лоран, Даниэль Ройер и Майкл Атлан. Прил. Физ. Лит. 104, 083504 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4866390 ; https://arxiv.org/abs/1401.5344
^ Хорхе Фернандес Хередеро, 3D-измерение вибрации с использованием LSV . Оригинальный доклад представлен на AdMet 2012. Февраль 2012 г.
^ «ОМС – Лазерные доплеровские виброметры» . www.omscorporation.com .
^ Скализе, Лоренцо; Паоне, Никола (2000). «Самосмешивающий лазерный доплеровский виброметр». В Томасини, Энрико П. (ред.). Четвертая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения» . Четвертая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения». Том. 4072. стр. 25–36. дои : 10.1117/12.386763 . S2CID 119778488 .
^ Гетеродинный лазерный диодный виброметр с автосмешением - патент США 5838439. Архивировано 12 июня 2011 г. в Wayback Machine . Выпущено 17 ноября 1998 г. Patentstorm.us. Проверено 17 июня 2013 г.

Внешние ссылки

[LutzmannGoehler2016-1] Луцманн, Питер; Гёлер, Бенджамин; Хилл, Крис А.; Путтен, Франк ван (2016). «Лазерное измерение вибрации в Fraunhofer IOSB: обзор и применение». Оптическая инженерия . 56 (3): 031215. Бибкод : 2017OptEn..56c1215L . дои : 10.1117/1.OE.56.3.031215 . ISSN 0091-3286 . S2CID 125618909 .

[2] Килпатрик, Джеймс М.; Марков, Владимир (2008). «<title>Матричный лазерный виброметр для визуализации переходных мод и быстрого неразрушающего контроля</title>». В Томасини, Энрико П. (ред.). Восьмая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения» . Восьмая международная конференция по измерениям вибрации лазерными методами: достижения и применения. Том. 7098. с. 709809. дои : 10.1117/12.802929 . S2CID 109520649 .

[3] Биссинджер, Джордж; Оливер, Дэвид (июль 2007 г.). «3-D Лазерная виброметрия легендарных старых итальянских скрипок» (PDF) . Звук и вибрация . Проверено 24 января 2013 г.

[4] ГмбХ, Политех. "Гражданское строительство" . www.polytec.com .

[BaldiniMoir2009-5] Бальдини, Франческо; Мойр, Кристофер И.; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (2009). «Миниатюрные лазерные доплеровские системы измерения скорости». В Бальдини, Франческо; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (ред.). Оптические датчики 2009 . Оптические датчики 2009. Том. 7356. стр. 73560I–73560I–12. дои : 10.1117/12.819324 . S2CID 123294042 .

[6] Хубер, Александр М; Шваб, К; Линдер, Т; Стокли, С.Дж.; Ферраццини, М; Дилье, Н.; Фиш, Ю (2001). «Оценка лазерной допплеровской интерферометрии барабанной перепонки как диагностического инструмента» (PDF) . Ларингоскоп . 111 (3): 501–7. дои : 10.1097/00005537-200103000-00022 . ПМИД 11224783 . S2CID 8296563 .

[7] Фонсека, П.Дж.; Попов, А.В. (1994). «Звуковое излучение у цикады: роль разных структур». Журнал сравнительной физиологии А. 175 (3). дои : 10.1007/BF00192994 . S2CID 22549133 .

[8] Саттон, CM (1990). «Калибровка акселерометра путем измерения динамического положения с использованием гетеродинной лазерной интерферометрии». Метрология . 27 (3): 133–138. Бибкод : 1990Метро..27..133С . дои : 10.1088/0026-1394/27/3/004 . S2CID 250757084 .

[MamunGuo2007-9] Абдулла аль-Мамун; ГоСяо Го; Чао Би (2007). Жесткий диск: мехатроника и управление . ЦРК Пресс . ISBN 978-0-8493-7253-7 . Проверено 24 января 2013 г.

[10] «Vibrations Inc. – Лазерные доплеровские виброметры» . www.vibrationsinc.com .

[11] Сян, Нин; Сабатье, Джеймс М. (2000). «<title>Измерения обнаружения наземных мин с использованием акусто-сейсмической связи</title>». В Дубее — Абинаш С; Харви, Джеймс Ф; Броуч, Дж. Томас; и др. (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей V . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей V. Vol. 4038. с. 645. дои : 10.1117/12.396292 . S2CID 12131129 .

[12] Бергетт, Ричард Д.; Брэдли, Маршалл Р.; Дункан, Майкл; Мелтон, Джейсон; Лал, Амит К.; Аранчук Вячеслав; Хесс, Сесил Ф.; Сабатье, Джеймс М.; Сян, Нин (2003). «Мобильный лазерный доплеровский виброметр для акустического обнаружения мин». В Хармоне, Рассел С.; Холлоуэй-младший, Джон Х; Броуч, Дж. Т. (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей VIII . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей VIII. Том. 5089. с. 665. дои : 10.1117/12.487186 . S2CID 62559102 .

[13] Лал, Амит; Аранчук, Слава; Душкина, Валентина; Уртадо, Эрнесто; Хесс, Сесил; Килпатрик, Джим; л'Эсперанс, Дрю; Луо, Нан; Марков, Владимир (2006). «<title>Усовершенствованные приборы LDV для обнаружения заглубленных мин</title>». В Броаче, Дж. Томас; Хармон, Рассел С; Холлоуэй-младший, Джон Х (ред.). Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей XI . Технологии обнаружения и ликвидации мин и миноподобных целей XI. Том. 6217. с. 621715. дои : 10.1117/12.668927 . S2CID 62566351 .

[Li2001-14] Руй Ли; Тао Ван; Чжиган Чжу; Вэнь Сяо (2011). «Вибрационные характеристики различных поверхностей при использовании LDV для приема голоса на большие расстояния». Журнал датчиков IEEE . 11 (6): 1415. Бибкод : 2011ISenJ..11.1415L . дои : 10.1109/JSEN.2010.2093125 . S2CID 37916336 .

[15] Политек, ООО. «Материальные исследования» . www.polytec.com .

[16] Лаура Родригес, Измерение высокотемпературной поверхности с помощью лазерного виброметра Aries, VELA . Оригинальный доклад представлен на конференции AIVELA 2012. Июнь 2012 г.

[17] «Одноточечные виброметры» .

[Verrier-18] Jump up to: ^а ^б Верье, Николя и Атлан, Майкл. Письма об оптике 5 (2013); https://doi.org/10.1364/ol.38.000739 ; https://arxiv.org/abs/1211.5328

[Bruno-19] Jump up to: ^а ^б Франсуа Брюно, Жером Лоран, Даниэль Ройер и Майкл Атлан. Прил. Физ. Лит. 104, 083504 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4866390 ; https://arxiv.org/abs/1401.5344

[20] Хорхе Фернандес Хередеро, 3D-измерение вибрации с использованием LSV . Оригинальный доклад представлен на AdMet 2012. Февраль 2012 г.

[21] «ОМС – Лазерные доплеровские виброметры» . www.omscorporation.com .

[22] Скализе, Лоренцо; Паоне, Никола (2000). «Самосмешивающий лазерный доплеровский виброметр». В Томасини, Энрико П. (ред.). Четвертая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения» . Четвертая международная конференция «Измерения вибрации лазерными методами: достижения и применения». Том. 4072. стр. 25–36. дои : 10.1117/12.386763 . S2CID 119778488 .

[23] Гетеродинный лазерный диодный виброметр с автосмешением - патент США 5838439. Архивировано 12 июня 2011 г. в Wayback Machine . Выпущено 17 ноября 1998 г. Patentstorm.us. Проверено 17 июня 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]