干涉仪

测量原理-激光测振

从运动物体反射回来的光里可获悉与物体的速度有关的频率变化(多普勒效应)。用干涉仪可以精确地测量这个频移, 从而获取物体的振动信息。

多普勒效应

如果波是从接近的(移开的)源发出的,则相继的波峰将以比其发射更短(更长)的间隔到达接收器。 这种被视为频率变化的现象,称为多普勒效应。一个声学的例子是救护车的汽笛在经过行人时音调的明显变化。波长为λc的激光测得的频移Δfc用于实际高精度的振动应用,其与速度v成正比,

Δfc = 2 v/λc

测振法

所检测到的频移用于导出反射激光的表面的速度v(t),以及位移d(t)和加速度a(t)。在简谐振动中频率为f,位移d(t)=Dsin(2πf t),位移、速度、加速度的比例关系如下

A = 2π f V = 4π² f² D .

干涉仪

使用马赫曾德尔干涉仪将频率变化转换为亮度曲线,其频率范围可用于进一步的电子处理。  在干涉仪中,分束器将激光束分成参考光束和测量光束。被测量对象反射的光又与参考光束发生干涉。在光电探测器中测得的强度除了参考光Ic和反射光Iv外,还包括了一个取决于两个光束的不同光程长度Δz的分量,

I(t) = Ic + Iv + 2 (Ic Iv)1/2 cos (2 π Δz(t)/λ) .

外差读出

由测量对象的移动引起的强度变化和被测对象是朝着测量设备移动还是远离移动无关。借助声光耦合器使参考光束的频率偏移了固定量fb, 可以消除这个不确定性。当待测物体静止时,两个光束的干涉导致亮度曲线的频率fb对应于参考光束和测量光束之间的差。该载波信号∝cos(2πfb) 通过测量对象的运动进行调制。根据运动的方向,明暗变化的频率会变大或变小。

解调

通过对强度曲线进行解调来获得关于测量对象的运动信息。在转换成数字信号后,信号处理器实时确定测量对象的位移,速度及加速度。

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