Page 61 - 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

( 3 )测量光路中使用两个旋光器与两个全反射 式中含有直流项、 低频项和高频项。因为光电

镜构成了一个光隔离系统来改变 p 光与s光的偏振 探测器通常无法响应超过其频响范围的高频光, 所
态, 也使得 p 光和s光具有相同的光程, 消除了光程 以光电探测器探测到的光强I r 可表示为
差的影响; 同时这两路光也具有对称性, 提升了系统 1
f 1 -f 2 t
2
2
I r = ( E f +E f ) +E f E f cos2π ( )
的抗干扰能力; 且设计既减少了光学器件, 也使得光 2 1 2 1 2
路更易于调节。 ( 5 )
微振动测量系统实物如图 2 所示。 同理, 测量光的实际光强I m 可表示为
1
2
2
I m = ( E f +E f ) +
2 1 2
E f E f cos2 π ( ) ( 6 )
f 1 -f 2 ±Δ f t
1 2
多普勒频移 ±Δ f 可表示为
2 V
Δ f = f ( 7 )
c
式中: V 为位移; c 为光速; 为光频。
f
对速度进行积分得
λ t λ
u ( t ) = 2 ∫ 4π () ( 8 )
Δ f · dt= φ t
0
式中: u ( t ) 为被测物体的振动信息; ( t ) 为两路信
φ
号的相位差; λ 为光的波长。
2 试验结果与分析

试验中光源激发装置为波长为 635nm 的 LR-
RSP 型半导体激光器, 由信号发生器产生驱动信号
图 2 微振动测量系统实物
至压电陶瓷驱动器, 驱动器输出驱动电压使压电陶
1.2 检测原理
瓷模拟振动。使用 PDA10A-EC 型光电探测器探测
设 p 光的 +1 级光经过声光调制器移频之后的
干涉信号, 其响应带宽为 DC ( 直流) -150 MHz , 可探
频率为 f 1 s 光 的 +1 级 光 经 移 频 之 后 的 频 率 为
,

测波段范围为 200~1100nm 。

, 则两路信号在光电探测器的光敏面上产生干涉
f 2
调整光路使其达到最理想的显示效果, 在示波
, 测量信号中包含由多普
的拍频信号频率为 f 2- f 1
器上可以观察到如图 3 所示的两路信号拍频图。通
勒效应产生的频移 ±Δ f 。
道 CH1 为测量信号, 通道 CH2 为参考信号, 信号波
p 光的 +1 级光与 s光的 +1 级光的波动方程
形稳定且几乎无失真。两路信号频率都与理论频率
分别为
30.12MHz一致且十分稳定, 消除了传统光路的频

E 1 =E f cos2π f 1 t ( 1 )
1 率相对误差与不稳定对解调结果的影响。测量光路
E 2 =E f cos2π f 2 t ( 2 )
2 干涉信号的幅值为 936 mV , 参考光路干涉信号的
为 s光的
式中: E f 为 p 光的 +1 级光的振幅; E f
1 2 幅值为 1.1V , 幅值差控制在较小范围内, 相比传统
+1 级光的振幅; t 为时间。 的外差干涉测量信号幅值提高了 15 倍左右, 不仅可
两束光的合成振幅为
以提高测量结果的精确性, 而且使测量系统不再依
E =E 1 +E 2 = ( 3 )
赖信号放大电路, 节省了试验成本, 同时更易于操
两束光的合成光强I 可表示为
作。即, 光路改进效果十分显著且有利于后续的振
2
1 E f 1 动信号处理。
2
2
I= ( E f +E f ) + cos4π f 1 t+
2 1 2 2 利用信号发生器发出不同幅值不同频率的正弦
2
E f
cos4π f 2 t+E f E f cos2π ( )
2 信号控制压电陶瓷模拟连续振动, 使用 MATLAB
f 1 +f 2 t+
2 1 2 软件设计解调程序对振动信号进行解调。检测结果
E f E f cos2 π ( ) ( 4 ) 表明, 当待测频率为 100Hz~15kHz时, 共线光外
f 1 -f 2 t

1 2
7
2
2022 年 第 44 卷 第 10 期
无损检测