El principio de medición de la Vibrometría Láser

La luz retrodispersada de un objeto en movimiento experimenta un cambio de frecuencia dependiendo de su velocidad (Efecto Doppler), lo que se conoce como el efecto Doppler. Esta variación de frecuencia se mide con alta precisión utilizando un Interferómetro para obtener información sobre las vibraciones.

Efecto de Doppler

Cuando las ondas son emitidas desde una fuente que se acerca (o se aleja), las crestas sucesivas de las ondas alcanzan al receptor en intervalos de tiempo más cortos (o largos) de lo que son emitidas. Este fenómeno, percibido como un cambio en la frecuencia, es conocido como el efecto Doppler. El equivalente acústico se puede observar, por ejemplo, en el aparente cambio en el tono de la sirena de una ambulancia cuando pasa junto a nosotros. El desplazamiento de frecuencia medida Δfc de un láser con longitud de onda λc es, para aplicaciones prácticas de Vibrometría, aproximadamente proporcional a la velocidad v,

Δf_c = 2 v/λ_c

Vibrometría

El principio de medición se basa en la obtención de la velocidad v(t) de la superficie a partir de la frecuencia de cambio causada por la luz láser retrodispersada a partir del desplazamiento de frecuencia determinado. La desviación d(t) y la aceleración a(t) también se pueden derivar de esta medición. En el caso de una vibración armónica con frecuencia f y deflexión d(t) = D sin(2π f t), las amplitudes D, V y A de deflexión, velocidad y aceleración están relacionadas entre sí mediante la siguiente ecuación:

A = 2π f V = 4π² f² D .

Interferómetro

Las variaciones de frecuencia se convierten en una distribución de brillo mediante un interferómetro Mach-Zehnder, cuyo rango de frecuencia es accesible para el 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 reflejada por el objeto de medición se superpone nuevamente con el haz de referencia. La intensidad medida en un fotodetector contiene, además de la suma de las respectivas intensidades del haz de referencia (Ic) y de la luz reflejada (Iv), un componente que depende de la diferencia en la longitud óptica Δz de ambos haces.

I(t) = I_c + I_v + 2 (I_c I_v)^1/2 cos (2 π Δz(t)/λ) .

Principio de Medición Heterodino

La variación en la intensidad causada por el movimiento del objeto de medición es independiente de si el objeto se acerca o se aleja del dispositivo de medición. Esta ambigüedad se elimina mediante un Procedimiento Heterodino, en el cual la frecuencia del haz de referencia se desplaza por una cantidad fija fb mediante un acoplador acústico-óptico. La interferencia de ambos haces da lugar, en el caso de un objeto de medición en reposo, a una curvatura de luminosidad con una frecuencia fb que corresponde a la diferencia entre el haz de referencia y el haz de medición.

Esta señal portadora ∝ cos (2π fb) experimenta una modulación debido al movimiento del objeto de medición. Dependiendo de la dirección del movimiento, la frecuencia de las alternancias entre luz y oscuridad 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 curva de intensidad. Tras la conversión de la señal en una señal digital, se utiliza un potente procesamiento de señales en tiempo real que permite determinar la desviación y la velocidad de la superficie del objeto de medición. Tanto la velocidad como la desviación pueden ser demoduladas.