레이저 진동 측정의 원리

움직이는 물체에서 후방 산란된 빛은 속도에 따라 주파수가 변합니다(도플러 효과). 이 주파수 편이를 간섭계로 정밀하게 측정하여 진동 정보를 얻습니다.

도플러 효과

가까워지는(멀어지는) 파원에서 파동이 방출되면 연속된 파동의 마루가 방출될 때보다 더 짧은(더 긴) 시간 간격으로 수신기에 도달합니다. 주파수 변화로 인식되는 이 현상을 도플러 효과라고 합니다. 음향 분야의 대표적인 예로는 구급차가 지나갈 때 사이렌의 음높이가 달라지는 것처럼 들리는 현상을 들 수 있습니다. 측정된 주파수 편이 Δf_광속 파장이 λ인 레이저의_광속는 실제 진동 측정 응용 분야에서 매우 정확한 근사로 속도 v에 비례하며,

주파수 변화_광속 = 2 v/파장_광속 .

진동 측정

측정 원리는 측정된 주파수 편이로부터 레이저광이 후방 산란되는 표면의 속도 v(t)를 구하는 데 기반합니다. 변위 d(t)와 가속도 a(t)도 이로부터 도출할 수 있습니다. 주파수가 f이고 변위가 d(t) = D sin(2π f t)인 조화 진동의 경우, 변위·속도·가속도의 진폭 D, V, A는 다음 관계를 갖습니다.

진폭 = 2파이 진동수 V = 4π² f² D .

간섭계

Mach-Zehnder 간섭계를 이용해 주파수 변화를 전자적으로 후속 처리할 수 있는 주파수 범위의 광 강도 변화로 변환합니다. 간섭계 내부의 빔 스플리터는 레이저 빔을 기준 빔과 측정 빔으로 분리합니다. 측정 대상에서 반사된 측정 빔은 다시 기준 빔과 중첩됩니다. 광검출기에서 측정되는 광 강도에는 기준 빔 I의 광 강도와_광속, 반사광 I_속도, 두 빔의 광학 경로 길이 차이 Δz에 따라 달라지는 성분도 포함하며,

강도(t) = I_광속 + 강도_속도 + 2 (강도_광속 강도_속도)^1/2 코사인 (2 파이 Δz(t)/파장) .

헤테로다인 측정 원리

측정 대상의 움직임으로 인한 광도 변화는 대상이 측정 장치 쪽으로 이동하는지 멀어지는지와 무관합니다. 이러한 모호성은 음향 광학 커플러를 이용해 기준 빔의 주파수를 일정한 값 f_기본만큼 이동시키는 헤테로다인 방식을 통해 해소됩니다. 두 빔의 간섭으로 인해 측정 대상이 정지해 있을 때 주파수 f_기본의 광도 변화가 발생하며, 이는 기준 빔과 측정 빔 간의 주파수 차이에 해당합니다.

이 반송파 신호 ∝ cos (2 π f_기본)는 측정 대상의 움직임에 의해 변조됩니다. 이동 방향에 따라 명암 변화의 주파수는 더 높거나 더 낮은 주파수로 이동합니다.

복조

측정 대상의 움직임 정보는 광도 변화를 복조하여 얻습니다. 디지털 신호로 변환한 후 고성능 실시간 신호 처리를 통해 측정 대상 표면의 변위와 속도를 산출합니다. 이때 속도와 변위를 모두 복조할 수 있습니다.