Zasada pomiaru wibrometrii laserowej

Światło rozproszone wstecznie przez poruszający się obiekt ulega zależnej od prędkości zmianie częstotliwości (efekt Dopplera). Przesunięcie to jest mierzone z dużą dokładnością za pomocą interferometru, co pozwala uzyskać informacje o drganiach.

Efekt Dopplera

Jeśli fale są emitowane przez zbliżające się (oddalające się) źródło, kolejne grzbiety fal docierają do odbiornika w krótszych (dłuższych) odstępach czasu niż w chwili emisji. Zjawisko to, postrzegane jako zmiana częstotliwości, jest znane jako efekt Dopplera. Jego akustycznym odpowiednikiem jest na przykład pozorna zmiana wysokości dźwięku syreny podczas przejazdu pojazdu ratunkowego. Zmierzone przesunięcie częstotliwości Δf_{prędkość światła} lasera o długości fali λ_{prędkość światła} jest w praktycznych zastosowaniach wibrometrycznych z bardzo dobrym przybliżeniem proporcjonalne do prędkości v,

zmiana częstotliwości_{prędkość światła} = 2 prędkość/λ_{prędkość światła} .

Wibrometria

Zasada pomiaru polega na wyznaczeniu prędkości v(t) powierzchni, od której rozpraszane jest światło lasera, na podstawie zmierzonego przesunięcia częstotliwości. Na tej podstawie można również wyznaczyć przemieszczenie d(t) i przyspieszenie a(t). W przypadku drgań harmonicznych o częstotliwości f i przemieszczeniu d(t) = D sin(2π f t) amplitudy D, V i A przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia są ze sobą powiązane zależnością

amplituda = 2pi częstotliwość V = 4π² f² D .

Interferometr

Za pomocą interferometru Macha-Zehndera zmiany częstotliwości są przekształcane w przebieg natężenia światła o zakresie częstotliwości umożliwiającym dalsze przetwarzanie elektroniczne. W interferometrze dzielnik wiązki rozdziela wiązkę lasera na wiązkę odniesienia i wiązkę pomiarową. Światło wiązki pomiarowej odbite od badanego obiektu jest następnie nakładane na wiązkę odniesienia. Natężenie mierzone przez fotodetektor zawiera, oprócz sumy natężeń wiązki odniesienia I_{prędkość światła}, oraz światła odbitego I_prędkość, a także składową zależną od różnicy dróg optycznych Δz obu wiązek,

natężenie(t) = natężenie_{prędkość światła} + natężenie_prędkość + 2 (natężenie_{prędkość światła} natężenie_prędkość)^1/2 cos (2 pi zmiana z(t)/λ) .

Heterodynowa zasada pomiaru

Zmiana natężenia wynikająca z ruchu obiektu pomiarowego nie zależy od tego, czy obiekt zbliża się do urządzenia pomiarowego, czy się od niego oddala. Tę niejednoznaczność eliminuje metoda heterodynowa, w której częstotliwość wiązki odniesienia jest przesuwana za pomocą sprzęgacza akustooptycznego o stałą wartość f_szerokość. Interferencja obu wiązek powoduje, że przy nieruchomym obiekcie pomiarowym zmiany jasności zachodzą z częstotliwością f_szerokość, odpowiadającą różnicy częstotliwości między wiązką odniesienia a wiązką pomiarową.

Ten sygnał nośny ∝ cos (2 π f_szerokość) jest modulowany przez ruch obiektu pomiarowego. W zależności od kierunku ruchu częstotliwość zmian jasności przesuwa się ku wyższym lub niższym wartościom.

Demodulacja

Informacje o ruchu obiektu pomiarowego uzyskuje się poprzez demodulację przebiegu natężenia. Po przekształceniu na sygnał cyfrowy wydajny system przetwarzania sygnałów wyznacza w czasie rzeczywistym przemieszczenie i prędkość powierzchni obiektu pomiarowego. Demodulacji może podlegać zarówno prędkość, jak i przemieszczenie.