Принцип измерения в лазерной виброметрии

Частота света, рассеянного движущимся объектом, изменяется в зависимости от скорости объекта (эффект Доплера). Этот частотный сдвиг с высокой точностью измеряется интерферометром, что позволяет получить информацию о колебаниях.

Эффект Доплера

Если волны излучаются приближающимся (удаляющимся) источником, последовательные гребни волн достигают приёмника через меньшие (большие) интервалы времени, чем при излучении. Это явление, воспринимаемое как изменение частоты, известно как эффект Доплера. Его акустический аналог можно наблюдать, например, как кажущееся изменение высоты звука сирены проезжающего автомобиля экстренной службы. Измеренный частотный сдвиг Δf_с лазера с длиной волны λ_с в практических задачах виброметрии с высокой точностью пропорционален скорости v,

Δf_с = 2 v/λ_с .

Виброметрия

Принцип измерения основан на определении скорости v(t) поверхности, рассеивающей лазерное излучение, по измеренному частотному сдвигу. На его основе также можно определить перемещение d(t) и ускорение a(t). В случае гармонического колебания с частотой f и перемещением d(t) = D sin(2π f t) амплитуды D, V и A перемещения, скорости и ускорения связаны соотношением

A = 2π f V = 4π² f² D .

Интерферометр

С помощью интерферометра Маха — Цендера изменения частоты преобразуются в изменение интенсивности света в частотном диапазоне, доступном для последующей электронной обработки. В интерферометре светоделитель разделяет лазерный луч на опорный и измерительный лучи. Свет измерительного луча, отражённый от объекта измерения, затем вновь совмещается с опорным лучом. Измеряемая фотодетектором интенсивность, помимо суммы интенсивностей опорного луча I_с, и отражённого света I_v, а также составляющую, зависящую от разности оптических длин путей Δz двух лучей,

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

Гетеродинный принцип измерения

Изменение интенсивности, обусловленное движением измеряемого объекта, не зависит от того, приближается объект к измерительному прибору или удаляется от него. Эта неоднозначность устраняется гетеродинным методом: частота опорного луча с помощью акустооптического модулятора смещается на фиксированную величину f_b. В результате интерференции двух лучей при неподвижном измеряемом объекте возникает изменение яркости с частотой f_b, соответствующей разности частот опорного и измерительного лучей.

Этот несущий сигнал ∝ cos (2 π f_b) модулируется вследствие движения измеряемого объекта. В зависимости от направления движения частота чередования светлых и тёмных полос смещается в сторону более высоких или более низких частот.

Демодуляция

Информация о движении измеряемого объекта извлекается путём демодуляции сигнала интенсивности. После преобразования в цифровой сигнал высокопроизводительная система обработки сигналов в режиме реального времени определяет перемещение и скорость поверхности измеряемого объекта. При этом могут демодулироваться как скорость, так и перемещение.