Principio de medición
Principio de medición del vibrómetro láser. Interferómetro de Mach-Zehnder y efecto Doppler.
3 min de lecturaVibrometría láser Doppler – Tecnología
Principio de medición de la vibrometría láser
La luz retrodispersada por un objeto en movimiento experimenta una variación de frecuencia dependiente de la velocidad (efecto Doppler). Esta variación de frecuencia se mide con gran precisión mediante un interferómetro para obtener la información sobre la vibración.
Efecto Doppler
Cuando una fuente que se aproxima (se aleja) emite ondas, las crestas de onda sucesivas llegan al receptor a intervalos de tiempo menores (mayores) que aquellos con los que fueron emitidas. Este fenómeno, percibido como una variación de la frecuencia, se conoce como efecto Doppler. Su equivalente acústico puede observarse, por ejemplo, como el cambio aparente del tono de la sirena cuando pasa un vehículo de emergencias. El desplazamiento de frecuencia medido Δfvelocidad de la luz de un láser con una longitud de onda λvelocidad de la luz es, con un grado de aproximación muy alto, proporcional a la velocidad v en las aplicaciones vibrométricas prácticas,
cambio de frecuenciavelocidad de la luz = 2 v/λvelocidad de la luz .
Vibrometría
El principio de medición consiste en determinar, a partir del desplazamiento de frecuencia medido, la velocidad v(t) de la superficie que retrodispersa la luz láser. A partir de ella también pueden calcularse el desplazamiento d(t) y la aceleración a(t). En el caso de una vibración armónica de frecuencia f y desplazamiento d(t) = D sin(2π f t), las amplitudes D, V y A del desplazamiento, la velocidad y la aceleración se relacionan mediante la expresión
A = 2pi f V = 4π² f² D .
Interferómetro
Mediante un interferómetro de Mach-Zehnder, las variaciones de frecuencia se convierten en una señal de intensidad luminosa cuyo rango de frecuencias permite su posterior procesamiento electrónico. En el interferómetro, un divisor de haz separa el haz láser en un haz de referencia y un haz de medición. La luz de este último reflejada por el objeto de medición vuelve a superponerse al haz de referencia. Además de la suma de las intensidades respectivas del haz de referencia I, la intensidad medida en un fotodetector contienevelocidad de la luz, y de la luz reflejada Ivelocidad, así como un componente que depende de la diferencia de camino óptico Δz entre ambos haces,
I(t) = Ivelocidad de la luz + Ivelocidad + 2 (Ivelocidad de la luz Ivelocidad)1/2 cos (2 pi Δz(t)/λ) .
Principio de medición heterodino
La variación de intensidad provocada por el movimiento del objeto de medición es independiente de si este se acerca al instrumento de medición o se aleja de él. Esta ambigüedad se elimina mediante un método heterodino, desplazando la frecuencia del haz de referencia en una cantidad fija f por medio de un acoplador acustoópticoancho de banda. Cuando el objeto de medición está en reposo, la interferencia de ambos haces genera una variación de intensidad luminosa con una frecuencia fancho de banda, que corresponde a la diferencia entre el haz de referencia y el haz de medición.
Esta señal portadora ∝ cos (2 π fancho de banda) es modulada por el movimiento del objeto de medición. Dependiendo de la dirección del movimiento, la frecuencia de la alternancia entre zonas claras y oscuras se desplaza hacia frecuencias más altas o más bajas.
Demodulación
La información sobre el movimiento del objeto de medición se obtiene mediante la demodulación de la variación de intensidad. Tras convertirla en una señal digital, un potente sistema de procesamiento de señales en tiempo real determina el desplazamiento y la velocidad de la superficie del objeto de medición. Es posible demodular tanto la velocidad como el desplazamiento.