激光测振原理及应用

Advances in Education教育进展, 2019, 9(6), 650-659Published Online November 2019 in Hans. /journal/aehttps:///10.12677/ae.2019.96106Application of Laser VibrationInstrument in Vibration TestTeachingShuyong Liu1, Yongbao Liu1, Jinfang Lu2, Kai Chai3*, Pan Su11College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei2College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha Hunan3College of Naval Architecture and Ocean, Naval University of Engineering, Wuhan HubeiReceived: Oct. 3rd, 2019; accepted: Oct. 17th, 2019; published: Oct. 24th, 2019AbstractThe application of a novel laser vibration tester in vibration monitoring experimental teaching is discussed. Firstly, the main characteristics and use occasions of the instrument are analyzed. Se-condly, the experimental bench and experimental steps are designed. Thirdly, the different para-meters under the condition of the test results are compared. Then, the time domain curve and the frequency domain characteristic curve of the vibrating body are obtained. Finally, the factors af-fecting the test results and the precautions are discussed, which lays a foundation for the applica-tion of laser vibration tester in engineering practice.KeywordsLaser Vibration Instrument, Vibration Monitoring, Experimental Teaching激光振动测试仪在振动测试教学中的应用刘树勇1，刘永葆1，卢锦芳2，柴凯3*，苏攀11海军工程大学，动力工程学院，湖北武汉2湖南大学，土木工程学院，湖南长沙3海军工程大学，舰船与海洋学院，湖北武汉收稿日期：2019年10月3日；录用日期：2019年10月17日；发布日期：2019年10月24日*通讯作者。

激光测振仪基础激励模态一、激光测振仪的基本原理1.1 激光测振仪的概述激光测振仪是一种用于测量物体振动的仪器，它利用激光束对物体进行照射，并通过测量反射回来的光的频率变化来分析物体的振动状态。

1.2 激光测振仪的工作原理激光测振仪的工作原理基于多普勒效应。

当激光束照射到物体上时，物体的振动会导致反射光的频率发生变化。

通过测量这种频率变化，可以推断出物体的振动状态。

1.3 激光测振仪的基本组成激光测振仪主要由光源、光路系统、探测器和信号处理器等组件组成。

光源产生激光光束，光路系统将激光光束聚焦到被测物体上，探测器接收反射回来的光并将其转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理和分析。

二、激励模态在激光测振仪中的应用2.1 激励模态的概述激励模态是激光测振仪中的一种常用测量模式。

它通过对被测物体施加外力来激发物体的振动，并通过测量振动响应来获取物体的振动特性。

2.2 激励模态的工作原理激励模态的工作原理是通过施加外力激发物体振动，并通过测量振动响应来获取物体的振动特性。

在激励模态中，激光测振仪将激光束照射到被测物体上，并施加外力使物体振动。

通过测量反射光的频率变化，可以分析物体振动的频率、振幅等特性。

2.3 激励模态的应用领域激励模态广泛应用于振动工程、材料科学、结构分析等领域。

它可以用于研究物体的固有振动频率、模态形态等特性，也可以用于评估物体的结构健康状态。

三、激励模态实验的步骤和注意事项3.1 激励模态实验的步骤1.准备实验样品和激光测振仪设备。

2.将激光测振仪的光源对准实验样品，并调整光路系统使激光光束聚焦到样品上。

3.施加外力激发实验样品的振动，并保持振动状态稳定。

4.启动激光测振仪的探测器和信号处理器，开始采集和分析振动信号。

5.根据实验需求，调整激光测振仪的参数，如采样频率、测量时间等。

6.完成实验后，关闭设备并进行数据分析和结果展示。

3.2 激励模态实验的注意事项1.在实验过程中要注意安全，避免激光直接照射到人眼。

激光测振仪工作原理：
激光测振技术依赖于光的多普勒效应，用于测量振动物体的物理参数。

当相干激光光束照向振动物体时，由于多普勒效应，光的频率会发生调制，产生激光多普勒效应，体现为激光频偏（fd）。

通过激光干涉技术，将照射物体并反射回的激光光束与参考光束进行干涉，最终在光电探测器（PD）上探测得到多普勒频偏（fd），从而获得振动物体的物理参数。

多普勒激光干涉测振技术路线：激光多普勒测振技术包括外差干涉和零差干涉两种。

外差干涉对照射物体的光束或参考光束的其中一路施加一个固定频率的移频，干涉后得到一个包含载波的调频信号，再通过锁相环
技术或正交混频得到多普勒频偏或相位，直接对应振动物体的振动速度或相对位移。

零差干涉则对照射物体的光束和参考光束进行零频率处理，直接干涉得到一个零频附近（不包含载波）的调频信号，通过光学方式同时得到I和Q的信号，后续通过鉴相解调方式，得到相位，直接对应振动物体的相对位移。

激光干涉原理在振动测量中的应用激光干涉原理在振动测量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。

在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。

常用的测振技术是接触式测量。

在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度- 速度- 位移的相关测量。

如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往激光干涉原理在振动测量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。

在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。

常用的测振技术是接触式测量。

在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。

如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。

因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。

由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性，使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中，尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面。

1激光干涉测振原理激光干涉测振技术是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术，测试灵敏度和准确度高，绝大部分都是非接触式的。

激光干涉原理如图1 所示。

光源S处发出的频率为f、波长为入的激光束一部分投射到记录介质H（比如全息干板）上，光波的复振幅记为E1，另一部分经物体0表面反射后投射到记录介质H上，光波的复振幅记为E2。

其中：式中：A1和A2分别为光波的振幅；（T 1和（T 2分别是光波的位相；当E1和E2满足相干条件时，其光波的合成复振幅E为：光强分布I 为：式（4）的四项中前三项均为高频分量，只有第四项为低频分量，且与物体表面的状态有关。

激光测振仪
激光测振仪简介
激光测振仪是基于光学干涉原理，采用非接触式的测量方式，可以应用在许多其他测振方式无法测量的任务中。

频率和相位响应都十分出色，足以满足高精度、高速测量的应用。

使用非接触测量方式，还可以检测液体表面或者非常小物体的振动，同时，还可以弥补接触式测量方式无法测量大幅度振动的缺陷。

激光测振仪原理
He-Ne 激光器发出一定频率的偏振光（设频率为F0）由分光镜分成两路，一路作为测量，一路用于参考。

测量光通过声光调制器具有一定频移（F）,再被聚焦到被测物体表面，物体振动引起多普勒频移（f）。

系统再收集反射光与参考光汇聚在传感器上，这样两束光产生在传感器表面产生干涉，干涉信号的频率为F+f，携带了被测物体的振动信息。

信号处理器将频移信号转换为速度和位移信号。

应用领域
激光测振仪采用非接触式动态干涉测量技术，在以下各方面有广泛的应用：
l 马达回转动态精度测试；
l 机床动态精度测试；
l 生命科学、医学、动物学研究；
l 汽车工业：发动机、齿轮、制动器、轮胎、排气系统、车身等；
l 微机电系统（MEMS）动态测试；
l 桥梁、建筑振动测试。

激光测振仪主要技术参数
操作温度
3°C~45°C
操作湿度
<90% 电源
100~230Vrms 50-60hz 激光
氦氖激光632.8nm 工作距离
0.35m~20m 最大速度范围
10m/s 频率范围
DC~2.5MHz 典型精度 1% 激光测振仪光学头 激光测振仪控制箱。

激光测震的原理与应用1. 激光测震的原理激光测震是一种利用激光技术来测量地震震动的方法。

其原理基于光学干涉的原理和地震产生的地面振动，利用激光器发出的激光束在受振动的地面上产生干涉信号，通过测量干涉信号的变化来获取有关地震的信息。

1.1 光学干涉原理光学干涉是指两束或多束光线在空间中相互叠加而产生的干涉现象。

在激光测震中，主要利用的是Michelson干涉仪的原理。

Michelson干涉仪由一束激光束穿过分束器被分成两束，分别经由两条光路到达合束器再被接收器接收。

当地面发生振动时，其中一束光线经过地面的干涉信号发生变化，通过探测器可以得到与地震相关的信号。

1.2 地面振动与信号解读地面振动是地震产生的最主要特征之一。

当地面发生震动时，产生的振幅和频率会导致干涉信号的变化，通过测量干涉信号的强度和频率变化，可以得到地震的信息。

激光测震可以精确地测量地震的振幅、频率和方向等信息，从而帮助科学家更好地理解地震现象并提供相关的数据支持。

此外，激光测震还可以对地下水位、地壳沉降、水库湖泊水位等地质现象进行观测，具有广泛的应用价值。

2. 激光测震的应用2.1 地震监测与研究激光测震在地震监测和研究方面发挥着重要的作用。

传统的地震观测方法需要设置大量的传感器和测量设备，而激光测震只需要设置一个激光器和接收器，可以实现对地震波的精确测量和记录。

通过对地震数据的分析和解读，可以帮助科学家们更好地预测地震的发生和发展趋势，为地震灾害的防范和减轻提供重要的参考依据。

2.2 地质勘探与矿产开发激光测震在地质勘探和矿产开发方面也具有广泛的应用前景。

通过对地面振动的测量和解读，可以获取地下结构的信息，包括地层的变化、岩石层的厚度和密度等。

这些信息对于地质勘探和矿产开发来说非常重要，可以帮助科学家们确定矿产资源的分布和储量情况，提高勘探的效率和准确性。

2.3 建筑结构安全监测激光测震可用于建筑结构的安全监测。

在大型建筑物或桥梁等基础设施工程中，地震波对结构的震动影响是一个重要的安全因素。

激光测振仪内外测振原理激光测振与人类的生产生活是息息相关的，在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元计算结果验证等方面广泛应用。

此项测量技术方法促使人类的生产生活质量向着更好更完善的方向发展，随着激光振动测量技术的成熟与完善，高精度、高效率、低成本的测量方案必将实现并走向成熟。

面外测振偏振光从氦氖激光分束器分裂成两束，一个用于测量，一个用于参考。

前者通过调制提供频移F，并且集中在样品表面。

系统收集物体的反射光束和在传感器表面干涉的参考光束。

由于多普勒效应，干涉频率是F+f,f是将要测量的样品振动频率。

由于多普勒频移与速度成正比，也就是f = 2v/λ，f是频率。

从传感器出来的信号与输出电压信号成线性比例关系。

也就是U=k×(F+f)+L=k×f+L‘, U是输出电压L, L’是常数，电压信号的直流部分被高通滤波器除去，所以输出信号是U=k×f=2kv/ λ.因此电压和振动速度成比例，也就是说v=k‘×U，k’是常数.面内测振激光内测振仪测量的是垂直于两个汇聚激光探针平分线平面内的表面移动速度。

背散色激光的频移（多普勒效应）决定了速度。

信号处理把振动（交流电源）组件和连续运动（直流电源，平均速度）分开。

在测量头里面，输出激光被分成两束。

探测光离开测量头，在待测移动表面，以一个已知的角度Φ汇聚和交叠。

两束交叠的光作用在由平行光和暗条纹构成的干涉图样的3D区域（测量范围）将要测量的表面切割了测量体积，显示和散色条纹的中间部分。

边缘间距d仅由交叉半角Φ和光的波长λ决定。

波长的稳定，产品的设计与生产对保持两个变量不变是很重要的.多普勒频移和速度直接成正比例.嘉兆公司拥有40年测试测量行业经验，专业的销售、技术、服务团队，在众多领域都非常出色，包括：通用微波/射频测试、无线通信测试、数据采集记录与分析、振动与噪声分析、电磁兼容测试、汽车安全测试、精密可编程测量电源、微波/射频元器件、传感器等并分别在深圳、北京、上海、武汉、西安、沈阳、珠海、成都设有全资分公司、生产工厂、办事处。

Advances in Education教育进展, 2019, 9(6), 650-659Published Online November 2019 in Hans. /journal/aehttps:///10.12677/ae.2019.96106Application of Laser VibrationInstrument in Vibration TestTeachingShuyong Liu1, Yongbao Liu1, Jinfang Lu2, Kai Chai3*, Pan Su11College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei2College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha Hunan3College of Naval Architecture and Ocean, Naval University of Engineering, Wuhan HubeiReceived: Oct. 3rd, 2019; accepted: Oct. 17th, 2019; published: Oct. 24th, 2019AbstractThe application of a novel laser vibration tester in vibration monitoring experimental teaching is discussed. Firstly, the main characteristics and use occasions of the instrument are analyzed. Se-condly, the experimental bench and experimental steps are designed. Thirdly, the different para-meters under the condition of the test results are compared. Then, the time domain curve and the frequency domain characteristic curve of the vibrating body are obtained. Finally, the factors af-fecting the test results and the precautions are discussed, which lays a foundation for the applica-tion of laser vibration tester in engineering practice.KeywordsLaser Vibration Instrument, Vibration Monitoring, Experimental Teaching激光振动测试仪在振动测试教学中的应用刘树勇1，刘永葆1，卢锦芳2，柴凯3*，苏攀11海军工程大学，动力工程学院，湖北武汉2湖南大学，土木工程学院，湖南长沙3海军工程大学，舰船与海洋学院，湖北武汉收稿日期：2019年10月3日；录用日期：2019年10月17日；发布日期：2019年10月24日*通讯作者。