第9章 激光测振技术
激光测振方法在振动试验中的应用
激光测振方法在振动试验中的应用摘要激光测振技术因为采用非接触式测量的方式，其测量结果准确度高，受到越来越广泛的关注和认可，具有良好的应用前景。
本文对激光测振技术进行介绍，并采用激光测振系统进行标准梁的振动测量实验，实验结果证明激光测振比原有的应用传感器测振准确度更高，尤其对轻薄结构的测量不存在质量和刚度上的质量附加问题。
关键词激光；振动；测量；振动试验；标准梁振动对机械设备等带来的负面影响不容忽视，不但对设备以及部件等的精度造成影响，而且其所带来的振动荷载也加大了机械设备的损耗，直接影响其使用的寿命。
因此，如何对振动进行测量，并采用恰当的措施将其有效的降低，是行业中普遍关注的问题。
传统的传感器测振方法需要将加速度传感器附着在被测试物体上，但是这种测试方法对于轻薄结构的测量存在质量和刚度上的附加问题，对测量结果的准确性产生影响。
激光测振技术是利用了激光多普勒效应，对于被测物体的结构表面不需要预先进行打孔或者打磨的处理，对安装控件也没有限制性要求，这就解决了传感器附加作用的影响。
激光测振以非接触的测量操作，高度的测量准确性，赢得了行业内的认可，受到了广泛的推广。
1 激光测振的常用方法关于测振主要分为两个方面，一方面是对设备和结构本身所具有的振动进行测量，另一方面是对设备和结构在外界某种激励的作用下而产生的振动测量。
随着光学技术和电子技术的发展，激光测振作为光电检测中的一种重要检测方法，改变了传统传感器接触式测量所带来的附加干扰问题，以非接触式的振动测量方法得到更加准确、实时的测量结果。
从目前激光测振的方法来看，以下面三种方法为主：1）激光干涉法。
此种方法以激光本身所具有的干涉特性为基础，利用激光波长作为主要参数，进行元件的测振。
激光干涉测量法在光电测量领域应用广泛，在非接触式振动检测方法中占有重要地位。
但是这种测量系统中大部分光路是由各种玻璃光学元件分立构成，在元件的安装和调试方面都要求极高的精度，而且结构相对要复杂的多，其系统的设置也受多方面条件的限制，缺少灵活性；2）激光散斑法。
激光多普勒测振法
激光多普勒测振法咱说这激光多普勒测振法呀，可真是门大学问。
我记得第一次接触这技术的时候，心里是既期待又有点犯怵。
就向咱公司那小王，初接触这技术时，满脸都是疑惑，那光束来来回回地晃，看得他直眨眼。
可是啊，激光多普勒测振法在振动测量方面的效果，那是确确实实杠杠的，不容小觑。
要说这测振法的原理，它和那流体好比是亲戚关系。
咱用激光束打到物体上，发现反射光里的频率变化就能测出振动速度。
就像老张讲的，技术就像是那从天而降的大工程，你得细细揣摩每一步。
激光在这原理里扮演主角，可不能有半点马虎。
我还记得有位技术大牛分享他第一次实验的经历，那真是惊心动魄。
他说：“这激光多普勒啊，真跟捡漏似的，得从那一丝丝频率里找信息。
我当时啊，看着那分析仪器，跟对着一本打不开的天书似的。
”可经过不断摸索，他终于掌握了这门技术，将一串串数据化作有用的信息。
这真让人佩服得五体投地。
而且，这测振技术可不是光靠理论就行的，实践也相当重要。
我常常看到同事们埋头苦干，手里拿着测试仪器，面对一堆未知的数据踌躇不前。
我就鼓励他们：“这就跟解锁谜题似的，数据后面总藏着真相。
”我们一同分析，一起探讨，大家互相之间都充满了信任，看着一个个难题被攻克，那感觉，倍儿爽。
我寻思着是该给大伙儿一点奖励，也像那小奖励机制似的，咱这儿也得来点实质性的鼓励。
比如，我建议给那些通过激光多普勒测振法获得突破性进展的同事，给予适当的表彰和小奖励。
小奖励虽不多，但重在心意，大家一听，积极性立马就提高了，就像是加足了油的发动机。
最后，咱这实验室的氛围也得轻松点，不能总是绷着个脸。
我组织了几次小型技术比赛，谁能用激光多普勒搞出新的花样，就能获得个小奖品。
大家在比赛中互相较劲，又学习又放松。
比赛期间那叫个热闹，好不热烈，大伙儿都特别投入。
所以说，这激光多普勒测振法掌握得好，不仅得靠扎实的理论、丰富的实践，还得有奖励措施来鼓劲儿，更少不了良好的团队氛围。
就是这样一步一个脚印地走，咱的技术团队一步步提高，心里真是乐开了花。
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。
激光测振仪
激光测振仪
激光测振仪简介
激光测振仪是基于光学干涉原理，采用非接触式的测量方式，可以应用在许多其他测振方式无法测量的任务中。
频率和相位响应都十分出色，足以满足高精度、高速测量的应用。
使用非接触测量方式，还可以检测液体表面或者非常小物体的振动，同时，还可以弥补接触式测量方式无法测量大幅度振动的缺陷。
激光测振仪原理
He-Ne 激光器发出一定频率的偏振光（设频率为F0）由分光镜分成两路，一路作为测量，一路用于参考。
测量光通过声光调制器具有一定频移（F）,再被聚焦到被测物体表面，物体振动引起多普勒频移（f）。
系统再收集反射光与参考光汇聚在传感器上，这样两束光产生在传感器表面产生干涉，干涉信号的频率为F+f，携带了被测物体的振动信息。
信号处理器将频移信号转换为速度和位移信号。
应用领域
激光测振仪采用非接触式动态干涉测量技术，在以下各方面有广泛的应用：
l 马达回转动态精度测试；
l 机床动态精度测试；
l 生命科学、医学、动物学研究；
l 汽车工业：发动机、齿轮、制动器、轮胎、排气系统、车身等；
l 微机电系统（MEMS）动态测试；
l 桥梁、建筑振动测试。
激光测振仪主要技术参数
操作温度
3°C~45°C
操作湿度
<90% 电源
100~230Vrms 50-60hz 激光
氦氖激光632.8nm 工作距离
0.35m~20m 最大速度范围
10m/s 频率范围
DC~2.5MHz 典型精度 1% 激光测振仪光学头 激光测振仪控制箱。
激光测震的原理与应用
激光测震的原理与应用1. 激光测震的原理激光测震是一种利用激光技术来测量地震震动的方法。
其原理基于光学干涉的原理和地震产生的地面振动，利用激光器发出的激光束在受振动的地面上产生干涉信号，通过测量干涉信号的变化来获取有关地震的信息。
1.1 光学干涉原理光学干涉是指两束或多束光线在空间中相互叠加而产生的干涉现象。
在激光测震中，主要利用的是Michelson干涉仪的原理。
Michelson干涉仪由一束激光束穿过分束器被分成两束，分别经由两条光路到达合束器再被接收器接收。
当地面发生振动时，其中一束光线经过地面的干涉信号发生变化，通过探测器可以得到与地震相关的信号。
1.2 地面振动与信号解读地面振动是地震产生的最主要特征之一。
当地面发生震动时，产生的振幅和频率会导致干涉信号的变化，通过测量干涉信号的强度和频率变化，可以得到地震的信息。
激光测震可以精确地测量地震的振幅、频率和方向等信息，从而帮助科学家更好地理解地震现象并提供相关的数据支持。
此外，激光测震还可以对地下水位、地壳沉降、水库湖泊水位等地质现象进行观测，具有广泛的应用价值。
2. 激光测震的应用2.1 地震监测与研究激光测震在地震监测和研究方面发挥着重要的作用。
传统的地震观测方法需要设置大量的传感器和测量设备，而激光测震只需要设置一个激光器和接收器，可以实现对地震波的精确测量和记录。
通过对地震数据的分析和解读，可以帮助科学家们更好地预测地震的发生和发展趋势，为地震灾害的防范和减轻提供重要的参考依据。
2.2 地质勘探与矿产开发激光测震在地质勘探和矿产开发方面也具有广泛的应用前景。
通过对地面振动的测量和解读，可以获取地下结构的信息，包括地层的变化、岩石层的厚度和密度等。
这些信息对于地质勘探和矿产开发来说非常重要，可以帮助科学家们确定矿产资源的分布和储量情况，提高勘探的效率和准确性。
2.3 建筑结构安全监测激光测震可用于建筑结构的安全监测。
在大型建筑物或桥梁等基础设施工程中，地震波对结构的震动影响是一个重要的安全因素。
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时间平均全息方法
1965年由Powell提出。 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得时间内 在全息干板上曝光，客在物体表面所反射的光 与未作位相调制的参考光相叠加，将两束光记 录在干涉图记录在全息干板上。其再现的图像 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。
A cos (2 ft 1 ) A2 cos (2 ft 2 )
2 1 2 2 2
A1 A2 cos(4 ft 1 2 ) A1 A2 cos(1 2 )
低频分量，且与物体表面的状态有关
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
Polytec Scanning Vibrometer PSV-300
PSV-300-H Data Management System
designed for the specific needs of our automotive customers 6 velocity ranges up to 10 m/s. Important for measurements on tires, shafts and other rotating parts. 4 channel data acquisition with 80 kHz bandwidth. Up to 3 reference channels are recorded together with the vibrometer data. Full remote control of all hardware Scanning speed up to 100 points per second, reducing the brake squeal measurement time Build-in multiple channel signal generator Optional order tracking software for run-up measurements.
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimenter PSV-300
The OFV-056 Sensor Head features:
Scan angle 40 x 40 degrees with 0.02 degrees resolution. Important feature for measurements of large objects in limited space areas 72 x zoom color video camera for measuring large and/or small objects without re-positioning the sensor head. Video camera, laser focus, range settings: All remote controlled for easy operation, e.g. with the scan head installed in an engine test chamber. Large range of working distance 0.2 m to > 50 m
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Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
Coaxial attachment for scanning small objects down to 1 x 1 mm, e.g. injector nozzles
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
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激光束
V x, y
1
全息干板
2
物体 现常用方法： 激光频闪照明
多脉冲激光器
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
Polytec Scanning Vibrometer PSV-300
Basic Configuration of a Scanning Vibrometer
The PSV-300 comprises an optical scanning head incorporating the laser interferometer sensor, beam steering optics and a video camera. Data from the scanning head are processed by the OFV-3001 vibrometer controller. A Windows NT workstation is responsible for scan point definition, data acquisition and control of the entire system.
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
激光测量的类型
激光全息方法 云纹干涉 电子散斑干涉技术（ESPI-Electronic Speckle Pattern Interferometry） 激光多普勒测振
激光位移测量的方法，都是通过处理和分析物体 表面与参考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。
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激光干涉基础
光强分布
E E1 E2 A1 cos(2 ft 1 ) A2 cos(2 ft 2 )
I E A12 cos2 (2 ft 1 ) A22 cos2 (2 ft 2 )
2
2 A1 cos(2 ft 1 ) A2 cos(2 ft 2 )
Polytec Scanning Vibrometer PSV-300
Principle of Operation and Applications This Powerpoint presentation informs you about operation of the Polytec’s Scanning Vibrometer PSV-300 and presents some typical measurements carried out in the automotive industry.
激光测振技术
激光干涉基础
S
O
E1
E2
两束光波
E1 A1 cos(2 ft 1 )
E2 A2 cos(2 ft 2 )
H 合成光波
E E1 E2 A1 cos(2 ft 1 ) A2 cos(2 ft 2 )
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Sensor Head OFV-056
Scan Electronics Vibrometer Sensor OFV-303
Test object
Video
Scanning Mirrors
Vibrometer Controller OFV-3001
Data Management System with NT Workstation
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
LDV激光测振仪的类型
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
Shanghai Jiaotong University - Engineering Mechanics Experimental Ceneter
Polytec Scanning Vibrometer PSV-300
Making a PSV measurement
On the following pages we will demonstrate how easy a PSV measurement is set-up and carried out. The experienced PSV user may use our new Visual Basic Macro feature to generate his own macros for automation of the entire measurement routine.