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) ：#p#分頁標題#e#

　　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。#p#分頁標題#e#

　　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) ：

　　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。#p#分頁標題#e#

　　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。