1、工程振動測試技術劉習軍 教授天津大學機械工程學院力學系第11章 激光測振原理及應用非接觸式、高精度、實時性的測振技術一直是工程科學和技術領域中的重要實驗測試手段。激光全息方法、激光多普勒測振是空間分辨率很高、非接觸式新型的測量技術。11.1 激光干涉基礎光源S處發出的頻率為f、波長為 的激光束一部分投射到記錄介質H（比如全息干板）上，光波的復振幅記為E1，另一部分經物體O表面反射后投射到記錄介質H上，光波的復振幅記為E2。如圖所示。 其中式中，A1和A2分別為光波的振幅。1和2則分別是光波的位相。當E1和E2滿足相干條件時，其光波的合成復振幅為E上式中的四項中，前三項均為高頻分量。只有第四項為

2、低頻分量，且與物體表面的狀態有關。第四項的含義是2所代表的物體表面與1所代表的參考面之間的相對變化量。在激光位移測量方法中，都是通過處理和分析物體表面與參考面（物體表面）在變形前后的位相變化、光強變化等，從而實現高精度的振動位移測量。光強分布為I11.2 時間平均全息方法激光測振以其非接觸測量、精度高等優點，已在振動測量領域得到廣泛應用。它可以測量和分析物體的微幅振動。對于在某一穩定頻率下作簡諧振動的物體，用連續激光照射，并在比振動周期長得多的時間內在全息干版上曝光，可將物體表面所反射的光與未作位相調制的參考光相疊加，將兩束光的干涉圖記錄在全息干版上。其再現圖像由反映節線和等振幅線組成的干涉條

3、紋來表示振幅分布。這就是時間平均全息方法的測振原理。其時間平均全息圖的重現圖像的光強度按零階貝塞爾函數的平方分布。式中其中V（x, y）為物體上某點的位移， 1為振動方向和照明方向的夾角， 2為振動方向和觀察方向的夾角。如圖所示。對于作簡諧振動的物體，由于振動方向已知，所以在實驗光路中將入射光和接收光往往設置成1= 2=0，則式上式變為當V（x, y）=0， I = Imax時， 對應的是亮條紋。在該條紋的位置上是物體振動的節點。當V（x, y）= 0.19，0.43，0.68 .，I = 0時；也就是干涉暗條紋。在該條紋的位置上是物體振動的最大振幅。干涉圖中其余點處的振幅值也可按照上式所示的

4、規律相應地確定下來。在傳統的全息方法中，將振動信息記錄在全息干板上，進而做分析和處理。當 = 0時，I值取極大值，即振幅為零的地方光強最亮，也就是振動節線處最亮。隨著振幅變大，光強衰減開始很快，后來變得緩慢，同時，條紋的對比度也變差。時間平均法的實驗過程簡單，節線清晰，因此在振動分析中廣泛使用。圓板的振動模態吉它的振動模態為了克服時間平均全息法的缺點，激光全息頻閃方法采用與振動物體頻率同步的激光頻閃照明方法，在全息記錄過程中，只記錄物體的兩個狀態（振幅的極大值和極小值）。再現時，使這兩個狀態干涉產生相對位移分布，獲得按余弦平方分布的等振幅線干涉條紋。該干涉條紋不隨振幅增加而衰減，缺點是振動節線

5、不明顯。該方法對非正弦振動也可以進行測量。隨著激光技術的飛速發展，多脈沖激光器發出的脈沖激光的光脈沖時間極短，約為幾十納秒，可以用來做全息振動測量的光源。 當波源向著接收器移動時，波源和接收器之間傳遞的波將發生變化，波長縮短，頻率升高；反之，當波源背著接收器移動時，波源和接收器之間傳遞的波的波長將變長，頻率會降低；稱為多普勒效應。 發生多普勒效應的波可以是聲波，也可以是電磁波。 利用激光多普勒效應，不僅能測量固體的振動速度，而且也能測量流體（液體和氣體）的流動速度。11.3 激光多普勒效應 如圖所示，S 為光源，頻率為 f ，光速為c。 O為光波接收器件，P 為速度為v的物體，且能反射光波；當

6、光源和接收器保持相對靜止時，假設n是沿從S到O光路上的波數或周期數，在無限小的時間間隔t中，假定P移動到P 的距離為vt。11.3.1 激光多普勒測振原理NSff + fDP 1 2NvOP 散射多普勒頻移在光程中周期數將減少為PP為無限小， 和 是散射前后的波長。由幾何關系由于及則NSff + fDP 1 2NvOP 散射多普勒頻移在一般情況下，不需要區分 和， 這樣就得到一級近似的多普勒頻移 接收器接收到的光波頻率為f + fD。 頻率偏移量為fD, 也稱多普勒頻率，通常又可寫成對于光波沿反向散射時，即光源和光波接收器件為一體時S=O， 1= - 2 激光多普勒效應為激光波長，當 = 0

7、時，由此可知，激光多普勒測振原理就是基于測量從物體表面微小區域反射回的相干激光光波的多普勒頻率fD， 進而確定該測點的振動速度v。Sfvf + fDP 1= 2O 工程中的許多振動是三維的，即物體表面某一點的振動（速度）可被分解成兩個面內分量（vx，vy ）和一個離面分量vz。11.3.2 激光三維測振原理x y光束ZX光束ZY光束ZZvz激光三維測振當進行三維激光振動測量時，需要使用三束激光照射被測點。由此解得速度分量為 在光路布置中，光束ZZ沿Z軸方向，用于測量vz ，從而可得x y光束ZX光束ZY光束ZZvz激光三維測振 由多普勒頻移測量速度的最直接的方法是利用高分辨率的光譜儀分析來自振

8、動物體的散射光。 由于物體實際的振動速度比光速小得多，例如，當波長l為632810-10m/s、振動物體的速度為10m/s時，由此可得， fD =31.6MHz，而激光本身的頻率f 很高（約為4.74 1014 Hz），即fD / f = 6.6710-8。因此，直接測量fD是不可能的。 當fD足夠大時，可以借助于高分辨率干涉儀進行測量。在一般情況下，需要借助于光學差拍及參考光技術來測量。11.4 激光多普勒光學信息處理邁克爾遜干涉儀M光探測器激 光 器OBSXRXM 將物體表面的反射光（f + fD）。和參考光（f）相混合（相干），利用光探測器件接收相干光強，其拍頻等于fD。 常用的光學干涉

9、裝置為邁克爾遜干涉儀。 激光束經過分光鏡BS后，被分成測量光束和參考光束，分光鏡BS與參考平鏡M和物體O的距離分別記為 XR和XM。相對應的光學位相分別為R =2kXR, M =2kXM。 式中k=2 /.。(t)= R - M。光探測器接收到的是與時間相干的光強信息。M光探測器激 光 器OBSXRXMIR和IM 分別為參考光束和測量光束的光強，K為合成有效系數，R為表面反射系數。邁克爾遜干涉儀 = 4L/，L為物體的振動位移，如果L連續變化，光強I(t)則呈周期性。L每變化/2， 則相應地改變2 。 的變化率正比于物體表面的振動速度。 式中包含了一個正比于總光強的直流項和一個正比于振幅 的差

10、拍頻率。由于接收器得到的信號具有正弦（余弦）特征，并不能直接確定振動方向。振動方向的確定通常有兩種途徑：1 在激光干涉儀的一個干涉臂上引入固定的光學頻移，比如利用布喇格聲光器件引入附加頻移，從而得到一個虛擬的速度偏移量。2 在干涉儀光路中，加入偏振元件和附加的光電接收器，這樣，干涉儀就輸出與原始輸出相差 的新信號。在大多數情況下，人們更傾向于第一方案。第一方案通常情況下，在干涉儀中通過聲光調制器，在40MHz或更高的驅動頻率下引入載波信號。該信號與“物體頻率”相調制后，通過運算，外差干涉儀M光探測器O信號發生器激 光 器聲光調制器+BB=2fB40MHz確定出頻率偏量相對于中心頻率的符號和大小

11、。這種類型的干涉儀稱為外差干涉儀。引入附加頻率fB后，光強將變為 通過數字信號處理，可求得多普勒頻移fD。外差方法的優點：只有高頻的交流信號能被傳輸，對各種電路環節中引入的噪音、非線性效應等有很好的解決效果，同時不影響激光多普勒成分的完整性。M光探測器O信號發生器激 光 器聲光調制器+BB=2fB40MHz外差干涉儀在第二種方案中，如圖所示。在正交自差干涉儀（quadrature homodyne interferometer）中使用1/8波片，偏振分光器，輔助的光電探測器等。正交自差干涉儀該干涉儀的激光器發出的激光沿45偏振，參考光束臂的激光兩次經過了1/8波片，這樣就使得光返回分光器時成為

12、了圓偏振光，圓偏振光可以認為是兩個相互垂直的線偏振光的矢量和。偏振分光器放置在光探測器1和光探測器2的前方。分別輸出互相垂直的正弦和余弦信號。讀者可以參考有關資料和文獻了解具體的信號分析原理和處理過程。激光管聲光調制干 涉 儀物體v耦 合 電 路信號分析f + fDf BS1BS2激光多普勒測振裝置 Polytec公司的激光多普勒測振儀使用的是外差式干涉儀。在干涉儀的一個臂上使用了聲光調制器。關于解碼信號的詳細內容，請參閱相關文獻。11.5 激光多普勒測振儀的工程應用由于是非接觸測量，激光多普勒測振儀在測量過程中對物體的振動形態不產生影響，且動態測量范圍很寬。傳感頭較小，被放置在物體前方某一合

13、理位置，距離一般為0.04-5米，如果配備商業化的標準鏡頭，測量距離可以達到10米。這樣可以實現高溫物體振動響應的測量，而不損傷測試系統。利用激光多普勒測振儀可以進行單點振動測量。 通過自動化的掃描技術，實現大到汽車車身，小到微米尺度的微電子機械系統結構或部件表面，從單點到數千點的逐點測量。從而了解和確定物體表面全場的振動信息。11.5.1 在測試固體振動中的應用掃描激光多普勒測振儀對渦輪葉片在工作狀態時的測試結果由此可知，在激光干涉測振方法中，激光全息時間平均法、激光多普勒測振方法等，都在科學研究及工程實踐中得到了應用，產生了很大的社會效益和經濟效益。同時，工程中的振動問題，尤其是現代電子工

14、業和信息工程中的大量問題，具有高頻振動、多尺度（宏、微、納觀）、多場（溫度、濕度、電、磁、輻射）聯合作用等特點，也給上述方法提出了更高的技術要求。事實上，振動測量方法正在不斷地改進，儀器和設備正在不斷地更新。11.5.2 在測試液面振動中的應用測試流體的振動，最大的問題是無法在液面安裝傳感器，所以激光測試系統是一種較好的測試設備，下面以龍洗現象為例說明多普勒激光測振儀在測試液面振動中的應用。龍洗是中國的一種蘊藏著豐富科技信息的古代文物。在藝術和科技兩方面都引人入勝。當激振器以137.5Hz的簡諧力激勵龍洗外壁時，龍洗水系統處于共振狀態，振動頻率也是137.5Hz。但當激振頻率增至139Hz時，

15、龍洗內的水卻逐漸出現以2.45Hz為主的低頻大幅駐波。這種儲液殼受高頻激勵引發液體低頻波的現象是流固耦合非線性連續系統的一種非線性現象。為了研究比較簡單和具有典型性，研究對象選取上面開口、下面封口的圓柱型玻璃殼，內儲部分水。圓柱形玻璃殼，如圖所示，內半徑a=103mm，內高H=215.5mm，壁厚h=4.5mm，楊氏模量E=10.2x1010 N/m，密度 2.77x103kg/m3，泊松比0.25。玻璃殼內注入水，水的密度為1.0 x103kg/m3，水深d=135mm。實驗系統如圖所示。實驗時將盛水圓柱形玻璃殼放置在水平實驗臺上，將固定在實驗臺上的電磁激振器的激振頭對準殼壁上與水面基本同高的一點進行激勵。信號發生器輸出信號經過功率放大器驅動激振器。用兩套Polytech激光測振儀分別測量殼壁一點和水面的振動速度，運用掃描功能測量水表面的振動速度分布。實驗裝置示意圖當激勵頻率為186Hz時，殼壁的頻率為186Hz，速度為6.52 mm/s。被激發的低頻重力波的頻率為3.05Hz的駐波，如圖所示，水表面的振型幅值分布測試結果，如圖所示。激發的低頻(3.05Hz)重力波 水表面的