工程振动测试技术11 第11章 激光测振原理及应用
振动传感器的工作原理
Testing Techniques
工程振动与测试
以为横坐标， 为纵坐标， 绘制相频特性 曲线。
满足条件： =1
简化为：
m
时c，1 ，
cc
xr xm sin(t )
• 记录到的振动位移波形将与被测物体的振动
xr=xrmsin(t-)
其中：
xrm
2
2 n
•
xm
(1
2
2 n
)2
4n2
2
4 n
Testing Techn2 2
工程振动与测试
如果引入频率比及阻尼比
则= n
= c
cc
其中cc = 2
km 临界阻尼系数。
xrm
2 xm (1 2 )2 4 22
tan1
2 1 2
工程振动与测试
将
xrm
2 xm (1 2 )2 4 22
改写为以下形式：
xrm
xm2
1
(1— 2）2 4 22
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工程振动与测试
因为
=
n所以得xrm
xm
n2
1
(1— 2）2 4 22
以为横坐标，xrm
xm
为n2 纵坐标，绘制幅频特性曲线。
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工程振动与测试
第11章 振动传感器的工作原理 11.1 工程振动测试方法及分类 一、机械式的测量方法 测量的频率较低，精度也较差。 二、光学式的测量方法 激光测量方法 动态云纹法
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激光多普勒干涉技术在振动测量中的应用
激光多普勒干涉技术在振动测量中的应用
目前，激光多普勒干涉技术被广泛地应用在国防以及基础研究领域。
它主要利用光学多普勒原理来测量物体的振动大小。
激光测量是一种非接触式
测量，其测量精度高、测量动态范围大，同时不影响被测物体的运动，具有很
高的空间分辨率。
激光多普勒干涉技术用于振动测量的原理是：光源发射一束频率为f0 的
光照射到物体表面，根据多普勒原理，运动物体接收到光信号后把它反射出来，在q 2 的方向光接收器接收到频率为f 光波信号，其频率随运动物体速度增加而增加。
即速度为v 的运动物体产生的多普勒频移为df 。
根据激光多普勒干涉技术的激光振动测量仪（包括单点和全场）的工作过程为：激光器发出的激
光经过透镜分成两束光（见图1），图1 中光束1 是参考光束，直接被光检测器接收；另一束光经过一对可摆动的透镜照射在物体表面上，受运动物体表面粒
子散射或反射的光为光束2，它被集光镜收集后由光检测器接收，经过干涉产
生正比于运动物体速度的多普勒信号，通过频率和相位解调便可得到运动物体
速度和位移的时间历程信号。
式中，f0 为光源频率；v 为运动物体表面速度；q 1 为入射光与物体运动方向的夹角；q 2 为反（散）射光与物体运动方向的夹角；c 为真空中的光速；l 0 为真空中的波长。
运用PSV- 300 激光扫描系统对f 300mm 600mm、壁厚8mm 的圆筒进行结构模态试验。
采用单点随机激励法，使用PSV- 300 激光扫描系统内部产生的随机信号作为激励信号源。
首先由激光头内部的微型摄像头将圆筒筒身摄像后。
激光测振仪公式
激光测振仪公式
激光测振仪是一种利用激光技术进行振动测量的仪器。
它通常利用激光的干涉原理，通过测量目标表面上的振动引起的光程差变化来确定振动的幅度和频率。
激光测振仪的公式可以表示为：
$$\Delta z= \frac{2 \Delta L}{n}$$
其中：
- $\Delta z$是目标表面上的位移变化量
- $\Delta L$是光程差的变化量
- $n$是介质的折射率
激光测振仪的原理是利用激光束与目标表面相交后，在目标表面上发生干涉现象。
当目标表面发生振动时，引起光束的入射点和出射点位置的微小变化，从而引起光程差的变化。
根据干涉的原理，我们可以通过测量光程差的变化来确定目标表面的振动状态。
激光测振仪通常包括激光发射器、光学系统、探测器和信号处理器等组成部分。
激光发射器发射出具有一定特性的激光束，经过光学系统聚焦到目标表面上。
当目标表面发生振动时，引起光程差的变化。
探测器接收到经过目标表面反射回来的激光束，通过信号处理器处理后输出振动的信息。
激光测振仪广泛应用于工程领域中对振动进行精确测量和分析
的需求，如机械振动、结构振动、声振动等。
它具有测量范围广、精度高、非接触式等优点，是一种重要的振动测量工具。
激光测振仪公式
激光测振仪公式
摘要：
1.激光测振仪概述
2.激光测振仪的工作原理
3.激光测振仪的应用领域
4.激光测振仪的优缺点
5.结语
正文：
一、激光测振仪概述
激光测振仪是一种先进的非接触式测量仪器，可以对物体的振动特性进行可视化测量分析。
它通过在单点激光测振仪前面加两个扫描镜，运动控制系统控制扫描镜的偏转角度，来实现x、y 方向上的扫描测振。
此外，激光测振仪还配备摄像系统和软件分析系统，能实现二维、三维动画显示及数据分析等功能。
二、激光测振仪的工作原理
激光测振仪的工作原理是利用激光束对物体表面进行扫描，通过测量激光束在物体表面上的反射时间和幅度变化，来分析物体的振动特性。
配备的摄像系统可以捕捉物体表面的激光反射信号，并将其传输给软件分析系统，从而实现对物体振动的实时监测和分析。
三、激光测振仪的应用领域
激光测振仪广泛应用于大型结构、高温、柔软物体等接触式测量无法满足
的振动测量场景。
此外，激光测振仪还可以用于机械制造、航空航天、汽车工程、土木工程等领域，对各种结构和材料的振动特性进行测量和分析。
四、激光测振仪的优缺点
激光测振仪具有非接触式测量、高精度、高效率、灵活性高等优点。
但是，激光测振仪也存在一定的局限性，例如对测量距离和物体表面的反射性能有一定的要求，同时在复杂环境下的测量精度可能会受到影响。
五、结语
激光测振仪作为一种先进的非接触式测量仪器，具有广泛的应用前景和重要的实用价值。
激光测振仪基础激励模态
激光测振仪基础激励模态一、激光测振仪的基本原理1.1 激光测振仪的概述激光测振仪是一种用于测量物体振动的仪器，它利用激光束对物体进行照射，并通过测量反射回来的光的频率变化来分析物体的振动状态。
1.2 激光测振仪的工作原理激光测振仪的工作原理基于多普勒效应。
当激光束照射到物体上时，物体的振动会导致反射光的频率发生变化。
通过测量这种频率变化，可以推断出物体的振动状态。
1.3 激光测振仪的基本组成激光测振仪主要由光源、光路系统、探测器和信号处理器等组件组成。
光源产生激光光束，光路系统将激光光束聚焦到被测物体上，探测器接收反射回来的光并将其转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理和分析。
二、激励模态在激光测振仪中的应用2.1 激励模态的概述激励模态是激光测振仪中的一种常用测量模式。
它通过对被测物体施加外力来激发物体的振动，并通过测量振动响应来获取物体的振动特性。
2.2 激励模态的工作原理激励模态的工作原理是通过施加外力激发物体振动，并通过测量振动响应来获取物体的振动特性。
在激励模态中，激光测振仪将激光束照射到被测物体上，并施加外力使物体振动。
通过测量反射光的频率变化，可以分析物体振动的频率、振幅等特性。
2.3 激励模态的应用领域激励模态广泛应用于振动工程、材料科学、结构分析等领域。
它可以用于研究物体的固有振动频率、模态形态等特性，也可以用于评估物体的结构健康状态。
三、激励模态实验的步骤和注意事项3.1 激励模态实验的步骤1.准备实验样品和激光测振仪设备。
2.将激光测振仪的光源对准实验样品，并调整光路系统使激光光束聚焦到样品上。
3.施加外力激发实验样品的振动，并保持振动状态稳定。
4.启动激光测振仪的探测器和信号处理器，开始采集和分析振动信号。
5.根据实验需求，调整激光测振仪的参数，如采样频率、测量时间等。
6.完成实验后，关闭设备并进行数据分析和结果展示。
3.2 激励模态实验的注意事项1.在实验过程中要注意安全，避免激光直接照射到人眼。
激光测振仪工作原理
激光测振仪工作原理：
激光测振技术依赖于光的多普勒效应，用于测量振动物体的物理参数。
当相干激光光束照向振动物体时，由于多普勒效应，光的频率会发生调制，产生激光多普勒效应，体现为激光频偏（fd）。
通过激光干涉技术，将照射物体并反射回的激光光束与参考光束进行干涉，最终在光电探测器（PD）上探测得到多普勒频偏（fd），从而获得振动物体的物理参数。
多普勒激光干涉测振技术路线：激光多普勒测振技术包括外差干涉和零差干涉两种。
外差干涉对照射物体的光束或参考光束的其中一路施加一个固定频率的移频，干涉后得到一个包含载波的调频信号，再通过锁相环
技术或正交混频得到多普勒频偏或相位，直接对应振动物体的振动速度或相对位移。
零差干涉则对照射物体的光束和参考光束进行零频率处理，直接干涉得到一个零频附近（不包含载波）的调频信号，通过光学方式同时得到I和Q的信号，后续通过鉴相解调方式，得到相位，直接对应振动物体的相对位移。
激光测振在振动计量中的发展概况及作用
来迅速发展起来的一门新型科学。与传统的各类传感器
相比, 光纤传感器具有一系列独特的优点, 灵敏度高、抗 电磁干扰、耐腐蚀、耐高压、防爆阻燃、光路可绕曲性好、
几何形状具有多方面适应性等, 使其成为在诸多环境下
的有效测量手段。
1 2 激光散斑法 当激光光束投射到能散射光的粗斑表面( 平均起伏
大于光波波长数量级的表面) 时, 将会呈现出用普通光见
近年来, 主要研究工作有很多。激光多普勒振动测 试仪可同时多点测量机器的振动频率, 既可测量离面振 动, 又可测量切向振动, 仪器抗干扰能力强, 小型化, 有着 广泛的应用前景; 宽带扫描激光多普勒扭振测量仪由于 使用了宽带扫描, 使系统具有动态测量范围大、精度高、 实时快速等特点, 在准确诊断大型机床、发动机潜在的故 障中起着巨大作用。利用激光干涉和衍射理论及激光源 高相干性, 研制了一种利用双相检测法辨向的、以单周期 矩形相位光栅作合束器的后向散射型激光多 普勒测振 仪, 测试系统将物体变化前后所记录的散斑图像数值叠 加, 可获得物体多种特性, 简化仪器的光路设计, 携带操 作方便, 该测试系统具有能充分利用信号, 提高多普勒信 号的信噪比等特点。光纤光栅与其它光纤干涉传感器系 统的研究也引起人们的极大兴趣。这种传感系统可用于 发动机、宇航飞行器等结构的自诊断, 实现在线检测与分 析。另外, 进行多参数的同时测量也十分必要, 如测量静 态应变与温度, 以及振动模态测试等, 多参量的同时传感 是当今传感领域中一个重要方向, 它可以解决在一根光 纤上同时传递如强度、相位、波长、偏振等多种光信号, 它 已成为国外研究的一个热点。 3 激光测振的其它应用简介
激光具有能量集中、方向性和相干性好、能如实地负 载物体光波信息等特性, 可用于常规方法难以测量的各 种物理参数, 因而越来越广泛地受到人们的重视。由于 激光测试是非接触进行的, 因而是机械研究、设备工作时 的在线监控以及生产过程中工件在线检测的理想测试方 法, 有着更加广泛的应用前景。
激光干涉原理在振动测量中的应用讲解
激光干涉原理在振动测量中的应用激光干涉原理在振动测量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。
在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。
常用的测振技术是接触式测量。
在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度- 速度- 位移的相关测量。
如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往激光干涉原理在振动测量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。
在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。
常用的测振技术是接触式测量。
在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。
如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。
因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。
由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性，使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中，尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面。
1激光干涉测振原理激光干涉测振技术是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术，测试灵敏度和准确度高，绝大部分都是非接触式的。
激光干涉原理如图1 所示。
光源S处发出的频率为f、波长为入的激光束一部分投射到记录介质H（比如全息干板）上，光波的复振幅记为E1，另一部分经物体0表面反射后投射到记录介质H上，光波的复振幅记为E2。
其中：式中：A1和A2分别为光波的振幅；（T 1和（T 2分别是光波的位相；当E1和E2满足相干条件时，其光波的合成复振幅E为：光强分布I 为：式（4）的四项中前三项均为高频分量，只有第四项为低频分量，且与物体表面的状态有关。
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它可以测量和分析物体的微幅振动。对于在某 一稳定频率下作简谐振动的物体，用连续激光照 射，并在比振动周期长得多的时间内在全息干版 上曝光，可将物体表面所反射的光与未作位相调 制的参考光相叠加，将两束光的干涉图记录在全 息干版上。
上式中的四项中，前三项均为高频分量。只有第 四项为低频分量，且与物体表面的状态有关。
第四项的含义是2所代表的物体表面与1所代表的
参考面之间的相对变化量。 在激光位移测量方法中，都是通过处理和分析物
体表面与参考面（物体表面）在变形前后的位相变化、 光强变化等，从而实现高精度的振动位移测量。
11.2 时间平均全息方法
发生多普勒效应的波可以是声波，也可以是电 磁波。
利用激光多普勒效应，不仅能测量固体的振动 速度，而且也能测量流体（液体和气体）的流动 速度。
11.3.1 激光多普勒测振原理
如图所示，S 为光源，频 S 率为 f ，光速为c。 O为光波接 收器件，P 为速度为v的物体， 且能反射光波；当光源和接收
f NP
质H（比如全息干板）上，光波的 复振幅记为E1，另一部分经物体O 表面反射后投射到记录介质H上， 光波的复振幅记为E2。如图所示。
其中 E1 A1 cos(2ft 1) E2 A2 cos(2ft 2 )
式中，A1和A2分别为光波的振幅。1和2则分别
是光波的位相。当E1和E2满足相干条件时，其光 波的合成复振幅为E
时间平均法的实验过程简单，节线清晰，因此在 振动分析中广泛使用。
圆板的振动模态
吉它的振动 模态
为了克服时间平均全息法的缺点，激光全息频闪 方法采用与振动物体频率同步的激光频闪照明方法， 在全息记录过程中，只记录物体的两个状态（振幅 的极大值和极小值）。再现时，使这两个状态干涉 产生相对位移分布，获得按余弦平方分布的等振幅 线干涉条纹。
该干涉条纹不随振幅增加而衰减，缺点是振动节 线不明显。该方法对非正弦振动也可以进行测量。
随着激光技术的飞速发展，多脉冲激光器发出的 脉冲激光的光脉冲时间极短，约为几十纳秒，可以 用来做全息振动测量的光源。
11.3 激光多普勒效应
当波源向着接收器移动时，波源和接收器之 间传递的波将发生变化，波长缩短，频率升高； 反之，当波源背着接收器移动时，波源和接收器 之间传递的波的波长将变长，频率会降低； 称为多普勒效应。
也就是干涉暗条纹。在该条纹的位置上是物体振
动的最大振幅。
干涉图中其余点处的振幅值也可按照上式所示的 规律相应地确定下来。
在传统的全息方法中，将振动信息记录在全息干 板上，进而做分析和处理。
当 = 0时，I值取极大值，即振幅为零的地方光
强最亮，也就是振动节线处最亮。随着振幅变大， 光强衰减开始很快，后来变得缓慢，同时，条纹的 对比度也变差。
其再现图像由反映节线和等振幅线组成的干涉条 纹来表示振幅分布。这就是时间平均全息方法的测 振原理。
其时间平均全息图的重现图像的光强度按零阶贝 塞尔函数的平方分布。
式中
I KJ 0 2 ( )
2
V
பைடு நூலகம்
(x,
y)(cos1
co s 2
)
其中V（x, y）为物体上某点的位移， 1为振动方 向和照明方向的夹角， 2为振动方向和观察方向的夹
E E1 E2 A2 cos(2ft 2 ) A2 cos(2ft 2 )
光强分布为I
I E 2 A12 cos2 (2ft 1) A22 cos2 (2ft 2 )
A1A2 cos(4ft 1 2 ) A1A2 cos(1 2 )
P N
1
f + fD
2
v
δn vδt cos1 vδt cos2
O
散射多普勒频移
由于 f f c
及
f D
f
f
dn dt
则
f D
vf
cos1
c
vf
cos 2
c
在一般情况下，不需要区分 和， 这样就得到
工程振动测试技术
刘习军 教授 天津大学
机械工程学院力学系
第11章 激光测振原理及应用
非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是 工程科学和技术领域中的重要实验测试手段。激 光全息方法、激光多普勒测振是空间分辨率很高、 非接触式新型的测量技术。
11.1 激光干涉基础 光源S处发出的频率为f、波长
为 的激光束一部分投射到记录介
一级近似的多普勒频移
f D
vf c
(cos1
cos2 )
接收器接收到的光波频率为f + fD。 频率偏移量
为fD, 也称多普勒频率，通常又可写成
f D
2vf c
cos 1
2
2
cos 1
2
2
对于光波沿反向散射时，
f
即光源和光波接收器件为
S f + fD
P
一体时S=O， 1= - 2
角。如图所示。
对于作简谐振动的物体，由于振动方向已知， 所以在实验光路中将入射光和接收光往往设置成
1= 2=0，则式上式变为
I
KJ02
( 4
V
(x,
y))
当V（x, y）=0， I = Imax 时， 对应的是亮条纹。 在该条纹的位置上是物体振动的节点。
当V（x, y）= 0.19，0.43，0.68 ...，I = 0时；
工程中的许多 振动是三维的，即 物体表面某一点的 振动（速度）可被 分解成两个面内分 量（vx，vy ）和一 个离面分量vz。
f D
2vf c
cos
2v
cos
O
1= 2
v
为激光波长，当 = 0 时，
激光多普勒效应
f D
2vf c
2v
由此可知，激光多普勒测振原理就是基于测量
从物体表面微小区域反射回的相干激光光波的多
普勒频率fD， 进而确定该测点的振动速度v。
11.3.2 激光三维测振原理
P N
1
f + fD
2
器保持相对静止时，假设n是
v
沿从S到O光路上的波数或周
O
期数，在无限小的时间间隔t 中，假定P移动到P 的距离为
散射多普勒频移
vt。
在光程中周期数将减少为
n PN PN
PP为无限小， 和 是散
射前后的波长。由几何关系
S
f NP