引 言

　　振動量值的計量是計量科學中一個(ge) 非常重要的方麵。在現實中，描述振動特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的測振技術是接觸式測量。在測量物體(ti) 上安裝加速度傳(chuan) 感器，利用加速度傳(chuan) 感器的電荷輸出信號實現加速度-速度-位移的相關(guan) 測量。如果測量較小物體(ti) 的振動，附加的傳(chuan) 感器質量往往影響被測物體(ti) 的振動，從(cong) 而產(chan) 生測量誤差；而且一些工作場合因被測物體(ti) 表麵影響或是測量條件的限製往往不允許在被測物體(ti) 表麵安裝測振傳(chuan) 感器。因此設計和開發新型的非接觸式、高精度、實時性的測振技術一直是工程科學和技術領域中的重要任務。

　　由於(yu) 激光的方向性、單色性和相幹性好等特性，使激光測量技術廣泛應用於(yu) 各種軍(jun) 事目標的測量和精密民用測量中，尤其是在測量各種微弱振動、目標運動的速度及其微小的變化等方麵。

1. 激光幹涉測振原理

　　激光幹涉測振技術是以激光幹涉原理為(wei) 基礎進行測試的一門技術，測試靈敏度和準確度高，絕大部分都是非接觸式的。激光幹涉原理如圖1所示。

        光源S處發出的頻率為(wei) f、波長為(wei) λ的激光束一部分投射到記錄介質H(比如全息幹板)上，光波的複振幅記為(wei) E1，另一部分經物體(ti) O表麵反射後投射到記錄介質H上，光波的複振幅記為(wei) E2。其中：

　　式中：A1和A2分別為(wei) 光波的振幅；σ1和σ2分別是光波的位相；當E1和E2滿足相幹條件時，其光波的合成複振幅E為(wei) ：

        光強分布I為(wei) ：

　　式(4)的四項中前三項均為(wei) 高頻分量，隻有第四項為(wei) 低頻分量，且與(yu) 物體(ti) 表麵的狀態有關(guan) 。第四項的含義(yi) 是σ2代表的物體(ti) 表麵與(yu) σ1代表的參考麵之間的相對變化量。因此通過處理和分析物體(ti) 表麵與(yu) 參考在變形前後的位相變化、光強變化等，從(cong) 而得到被測物體(ti) 振動速度、位移等關(guan) 係式。

2 .激光幹涉測振方法分析

        激光幹涉測振主要的方法有：時間平均全息方法、激光散斑幹涉技術、激光多普勒測振技術等。

2.1 時間平均全息方法

        對於(yu) 在某一穩定頻率下作簡諧振動的物體(ti) ，用連續激光照射，並在比振動周期長得多的時間內(nei) 在全息幹板上曝光，可將物體(ti) 表麵所反射的光與(yu) 未作位相調製的參考光相疊加，將兩(liang) 束光的幹涉圖記錄在全息幹板上。其重現象由反映節線和等振幅線組成的幹涉條紋來表示振幅分布。這就是時間平均全息方法的測振原理。其時間平均全息圖的重現像的光強度按零階貝塞爾函數的平方分布。

              
        式中：J0為(wei) 零階貝塞爾函數；V(x，y)為(wei) 物體(ti) 上某點的位移；θ1為(wei) 振動方向和照明方向的夾角；θ2為(wei) 振動方向和觀察方向的夾角。

　　因此，由式(5)通過分析光強I的變化確定V(x，y)的量值，實現振動位移測量，如圖2所示。

        應當說明，如果物體(ti) 振動的規律不同，條紋的強度分布規律也不同，但計算方法是類似的。時間平均全息方法的實驗過程簡單，節線清晰，可以檢測形狀複雜的透光物體(ti) 或反射物體(ti) 以及漫散射體(ti) ，因此在振動分析中廣泛使用。不足之處是測量範圍小(僅(jin) 幾十微米左右)，對記錄信息過多，對記錄介質的分辨率要求過高，故限製了應用範圍。

2.2 激光散斑幹涉技術

        激光散斑幹涉是指被測物體(ti) 表麵的散射光產(chan) 生的散斑與(yu) 另一參考光相幹涉，當物體(ti) 表麵發生變化時，如位移或變形等，幹涉條紋也發生變化。通過對這些幹涉條紋的處理，可以得到物體(ti) 表麵的振動情況。

　　散斑法光路簡單，不但可以非接觸測量，無損檢測，而且可以遙感測量。不僅(jin) 用來研究物體(ti) 的狀態，而且可對物體(ti) 作振動分析，已經提出了多種測振方案，如時間平均法、頻閃法、雙脈衝(chong) 電子散斑幹涉(ESPI)法等。散斑用於(yu) 側(ce) 振時，條紋與(yu) 位移之間的關(guan) 係較為(wei) 簡單，但接收信號的強度由於(yu) 物體(ti) 的振動使散斑對比度變得很差，通常采用光學傅裏葉變換濾波法，從(cong) 混合的散斑圖像中提取信息，最後將處理過的散斑圖紙片放在線性衍射儀(yi) 中進行濾波，產(chan) 生一組清晰的條紋。

2．3 激光多普勒測振技術

        如果一定頻率的聲波、無線電波或光波在傳(chuan) 播過程中，對於(yu) 接收器有相對運動時，接收器接收到的反射波的頻率會(hui) 隨相對運動的速度變化，這種現象叫做多普勒頻移效應。激光多普勒測振原理就是基於(yu) 測量從(cong) 物體(ti) 表麵微小區域反射回的相幹激光光波的多普勒頻移△fD，進而確定該測點的振動速度V。利用激光多普勒效應，不僅(jin) 能測量固體(ti) 的振動速度，而且也能測量流體(ti) 的流動速度。

　　如圖3所示，S為(wei) 光源，頻率為(wei) f，光速為(wei) c，O為(wei) 光波接收器件，P為(wei) 速度為(wei) V的運動物體(ti) ，且能反射光波，當波源和接收器保持相對靜止時，假設n是沿從(cong) 光源到接收者光路上的波數或周期數，則由圖3可知，在無限小的時間間隔δt中，假定P移動到P''''''''的距離為(wei) Vδt，則在光程中周期數將減少為(wei) ：

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　　式中：PN和PN''''''''分別是向SP和PO作的垂線；PP''''''''為(wei) 無限小；λ和λ"是散射前後的波長。式(6)可表示為(wei) ：

        在一般情況下，不需要區分λ和λ"，這樣就得到一級近似的多普勒頻移：

        接收器接收到的光波頻率為(wei) f+△fD，頻率偏移量為(wei) △fD，也稱多普勒頻率。由式(10)中被測物體(ti) 速度V和多普勒頻移△fD的關(guan) 係式，並通過測量△fD可以得到振動速度V的量值。

　　激光多普勒技術具有測量精度高，空間分辨力高，動態響應快，非接觸測量的特點，適用於(yu) 高溫、高壓、高速、放射等特殊環境中，應用範圍廣泛。但也存在一定的缺陷，受被測體(ti) 表麵情況影響較大，另外光學測量頭的性能也會(hui) 影響測量精度。

3. 改善激光測振精度的關(guan) 鍵問題

        在激光測振的過程中，對測量精度造成影響的外界因素有：激光束匯聚點離焦；測量係統的機械穩定性；激光束本身的強度分布；被測物體(ti) 的表麵效應等。麵對振動測量的低頻、高精度測量要求，必須提高激光測振儀(yi) 的測量精度。改善激光測振精度的關(guan) 鍵問題主要有以下幾個(ge) 方麵：

　　(1)穩定激光的工作環境。保證係統有一個(ge) 好的工作環境，特別是從(cong) 保證激光頻率穩定角度出發，要保證係統工作環境的溫度相對穩定。

　　(2)光路的設計、安裝、調試。良好的光路設計、可以提高測量的精度，減少因光引起的測量誤差。通過正確的安裝、調試，減少因此引起的校準誤差。

　　(3)光電轉換接收。通過對光電倍增管頻響的分析，對接收到的幹涉條紋產(chan) 生的電信號進行處理，降低對光電信號的影響和電路係統的噪聲，提高計數的準確性。

　　(4)良好的隔振措施。在分析外界振動對係統影響的基礎上，對係統進行適當的隔振，以降低外界振動對測量精度的影響。

　　(5)研究新的測量方法，研究多種技術的綜合應用，降低成本，實現儀(yi) 器化測振係統，開拓新的應用領域。

4 .結 語

        通過在激光測振技術研究的工作中發現，目前激光測振技術理論上的方法雖多，但在工程應用中較少，主要原因是幹涉條紋計數的精確度、隔振係統性能、被測物體(ti) 表麵效應、光的漫反射等影響。因此，使用電子分頻和光學細分等方法對幹涉條紋進行細分；研究設計精確的隔振係統；運用快速發展的信號處理技術和光學儀(yi) 器技術提高光電轉換的信噪比，克服表麵效應和漫反射效應的影響是今後的主要研究方向。