单频激光干涉测振关键技术研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................... III 目录 .............................................................................................................................. V 第1章绪论 . (1)

1.1 课题研究的目的与意义 (1)

1.2 单频激光干涉测振研究现状 (2)

1.2.1 振动测量技术研究现状 (2)

1.2.2 单频激光干涉测振仪研发现状 (4)

1.2.3 单频激光干涉测振非线性补偿方法现状 (5)

1.2.4 单频激光干涉测振信号处理方法现状 (6)

1.3 课题主要研究内容 (8)

第2章测量表面反射率引入的非线性及补偿方法 (10)

2.1 引言 (10)

2.2 单频激光干涉测振原理 (10)

2.3 传统单频激光干涉测振光路的非线性误差 (12)

2.3.1 传统四通道干涉光接收原理 (13)

2.3.2 分光棱镜BS对非线性误差的影响 (14)

2.4 分光棱镜BS的透反射特性分析 (18)

2.5 消直流偏置单频激光干涉测振光路 (21)

2.6 适于不同反射率表面的非线性误差补偿方法 (24)

2.7 本章小结 (26)

第3章高精度高速振动信号处理技术研究 (27)

3.1 引言 (27)

3.2 高精度高速信号处理方案 (27)

3.3 高精度AD信号采集 (28)

3.3.1 ADC实际分辨率分析 (29)

3.3.2 FIR低通滤波器 (31)

3.4 高速相位处理单元设计 (32)

3.4.1 CORDIC算法原理 (32)

3.4.2 CORDIC算法的硬件实现 (35)

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3.4.3 CORDIC小数模块 (37)

3.4.4 整数计数模块 (40)

3.5 本章小结 (41)

第4章系统设计及实验分析 (42)

4.1 引言 (42)

4.2 单频激光干涉测振系统 (42)

4.2.1 单频激光干涉测振仪 (42)

4.2.2 高速信号处理卡 (43)

4.2.3 数据采集界面 (44)

4.3 消直流偏置验证实验 (44)

4.4 信号处理卡测试 (46)

4.4.1 测试方法及实验平台 (46)

4.4.2 非正交误差校正测试 (47)

4.4.3 静态标准差测试 (48)

4.4.4 动态分辨力测试 (49)

4.4.5 动态标准差测试 (50)

4.5 系统应用实验 (51)

4.5.1 静态分辨力实验 (52)

4.5.2 不同反射率实验 (53)

4.5.3 中低频振动测量实验 (54)

4.5.3.1 低频振动测试 (55)

4.5.3.2 中频振动测试 (60)

4.5.4 高频振动测量实验 (62)

4.5.4.1 20kHz换能器测试 (63)

4.5.4.2 60kHz换能器测试 (65)

4.5.4.3 120kHz换能器测试 (66)

4.6 本章小结 (67)

结论 (68)

参考文献 (70)

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 (74)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (75)

致谢 (76)

附录I: 现场应用照片及证明 (77)

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第1章绪论

1.1课题研究的目的与意义

振动是物质存在于自然界最广泛的现象之一。振动测量在工业生产和科学研究中占有重要地位，对于物体振动特性的检测和分析已成为关系到航空航天、国防工业、海洋工程等领域的重大设备能否正常安全运行、重大科研实验能否顺利完成以及国防水平和军工力量能否进一步提升的重要因素[1,2]。激光振动测量技术，由于具有非接触、可溯源、动态测量、高精度等特点已成为振动测量领域中最具发展潜力和应用前景的技术。近年来，随着航空航天、生物医疗、精密加工、微机械微电子技术的飞速发展[3,4]，被测对象的多样性使得测量表面的反射率差异很大，被测振动的形式也向高频微小振动和低频大振幅振动两个方向同时发展。这不仅对激光振动测量技术提出了高测量速度、高精度、高实时性[5]的测量需求，还对振动频率、测量表面反射率提出了更宽的适应性要求。

振动目标的多样性使得不同测量表面的反射率差异很大，这主要是由于不同被测对象的表面特征差异很大导致反射、透射以及吸收百分比的不同导致的。目前反射率最高的镀银反射镜其反射率可达到95%~99%，一般对不会影响目标振动特性的测量，可通过在物体表面粘接反射镜或反射膜来进行振动测量和分析。但大多数表面的反射率一般较低，由于表面粗糙度的不同以及材料的透射特性、反射特性的不同，导致表面反射率从10%~90%之间变化。以金属表面为例，一般抛光不锈钢的反射率为55%~65%，抛光氧化铝的反射率为60%~70%，光亮铬的反射率为60%~65%，抛光氧化镜面铝的反射率为80%~90%。航空发动机的制作材料包含钛合金、铁基合金、镍基合金、高温合金、不锈钢等数十种金属材料，其不同部件的表面反射率差异很大，因此对航空发动机进行振动测量必须要求激光测振仪能够适应较宽的反射率范围。激光振动测量技术主要使用激光入射到物体表面并接收反射光和散射光的方式实现对物体表面振动的测量，不同反射率下测得的振动信号其信噪比必然不同，从而产生测量精度的变化。这就要求激光测振仪能够在被测对象表面反射率不同且差异很大的情况下实现高精度测量。

振动目标的多样性使得振动测量频率不仅包含了低频到高频的所有频段，同时向低频和高频方向不断扩展。振动高频段（2kHz以上）主要应用在尖端科学研究领域，如航空航天、高速旋转机械等领域[6,7,8]。以航空航天领域为例，其结构复杂，振动源较多，据统计其振动频率覆盖了0~10kHz的所有频段，由于航空发动