Page 60 - 无损检测2022年第十期

程俊伟,等:
基于共线光外差干涉的微振动检测

用, 其更为广泛, 在动力机械、 精密测量、 工业生产和
航天科技等领域发挥着至关重要的作用。
激光外差干涉振动检测通常利用双频激光器或
移频器件为基础进行设计 [ 7 ] , 配合光学器件偏振分
光棱镜、 旋光器以及 1 / 4 波片等传递目标物体的待
测参数 [ 8 ] , 并利用光电探测器的特性准确获得待测
物的振动信息。外差干涉最突出的优势在于能将微
弱的振动信号加载至高频范围内进行处理, 从而有
效降低低频 1 / 噪声的干扰 [ 9 ] 。传统的激 光外差
f
干涉系统 [ 10 ] 对环境较为敏感, 由于缺少参考光路的
对比, 易受到环境振动与环境噪声的干扰, 抗干扰能
力弱; 使用的光学器件较多, 不易调节的同时光学噪
声较大 [ 11 ] , 稳定性也较差; 测量信号的电压幅值很
图 1 改进优化后的共线光外差干涉微振动测量系统示意
小, 通常只有 60mV 左右, 信噪比低, 这些都非常不
利于微弱振动信号的检测。 通过 BS的透射光在全反射直角棱镜 P3 上反射后经
文章针对光外差干涉的特点, 对传统光外差干 检偏器 AL2 在光电探测器 PD2 的光敏面上发生干

涉系统进行改进优化, 设计了一种新型共线光外差 涉, 并转换成拍频为 30.12MHz的电信号, 以此作为
干涉微振动检测系统。该系统以光纤耦合窄频半导 系统的参考信号; 共线光束通过 BS 的反射光进入偏
体激光器作为光源, 消除了由大光程差引起的相位 振分光 棱 镜 PBS3 , 其 中 s 光 被 反 射 并 通 过 旋 光 器
噪声影响; 采用双光路对称式结构设计, 极大地消除 QWP1到全反射镜 M2 全反射后再一次通过 QWP1
了由环境噪声引起的共模噪声, 增强了系统抗干扰 变为 p 光, 并透过 PBS3和检偏器 AL1入射到光电探
能力, 提高了测量结果的精确度; 同时在测量光路中 测器 PD1的光敏面上; 共线光束透过 PBS3的 p 光通
设计了光隔离系统, 消除了光程差的影响, 减少了光 过旋光器 QWP2到达压电陶瓷 PZT 表面的全反射镜
学器件, 也使得光路易于调节, 更易实现精确的微振 M1上被全反射, 再一次通过 QWP2 后变为 s光被
动测量。 PBS3反射, 并通过 AL1 后入射到 PD1 的光敏面上,
与之前到达 PD1 光敏面上的 p 光发生干涉, 并转换
1 试验装置及原理 成拍频为 30.12MHz的电信号, 以该信号作为系统

1.1 共线光外差干涉微振动测量系统 的测量信号。参考信号与测量信号进入示波器转换
改进优化后的共线光外差干涉微振动测量系统 为数字信号, 使用 MATLAB 软件设计解调程序对参
如图 1 所示。该系统使用光纤耦合输出的窄频半导 考信号和测量信号进行数据处理, 获得微振动信号的
体激光器作为光源, 激光器产生的激光束经偏振分 振幅、 频谱信息。
光棱镜 PBS1 分成两束线偏振光: 一束为 p 光( 即光 与传统的光外差干涉测振系统相比, 笔者所设

矢量振动方向平行于入射面的偏振光); 另一束为 s 计的共线光外差干涉测振系统有如下改进。

光( 即光矢量振动方向垂直于入射面的偏振光)。 p ( 1 )利用双声光调制器设计成双光路, 降低了
光 通 过 全 反 射 直 角 棱 镜 P1 进 入 驱 动 频 率 为 外界环境因素变化引起的共模噪声与低频噪声, 并

80MHz的声光调制器 AOM1 , s 光通过驱动频率 在声光调制器后各加入一个精密光阑, 仅允许 +1

为 110.12MHz的声光调制器 AOM2 后, 分别产生 级光通过, 避免了 0 级光与其他衍射光的干扰, 提升
两个 0 级衍射光和两个 +1 级衍射光。分别使用光 了系统的信噪比, 提高了测量精度。

( 2 )共线光平均分成的测量光路与参考光路在
阑ID1 和ID2 仅让 +1 级衍射光通过。 AOM2的+
1级衍射光经过全反射直角棱镜 P2 和 AOM1 的 +1 空间上具有结构对称性, 所以环境噪声引起的相位
级衍射光进入偏振分光棱镜 PBS2 , 精确调节 P2 与 变化会同时出现在两路信号中。通过对比两路信号
PBS2 , 使 p 光与s光完全重合。 的相位, 既消除了初始相位差, 也消除了环境噪声所
共线光束进入50∶50 ( 光与s光的光强比为50∶ 引起的相位变化对试验结果的影响, 从而提高了系
p
50 ) 分光棱镜 BS 后分成一束透射光和一束反射光。 统的测量精确度。
6
2

2022 年 第 44 卷 第 10 期

无损检测