聲光式激光外差振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研制與實(shí)驗(yàn)研究

劉 建，馮國(guó)英，谷曉彬，羅 韻，周壽桓，2

(1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都610065;2.華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

激光外差振動(dòng)測(cè)量技術(shù)是一種基于多普勒效應(yīng)的激光相干探測(cè)手段，具有非接觸、靈敏度高、作用距離遠(yuǎn)等眾多的優(yōu)點(diǎn)，在科研與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用［1－4］，如水下聲光通信［5－6］、微弱超聲振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)［7］、爆炸沖擊測(cè)量［8］、語音信號(hào)實(shí)時(shí)獲取與復(fù)原［9］、固體發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量［10－11］、耦合振動(dòng)檢測(cè)［12］、車輛識(shí)別［13］、微納結(jié)構(gòu)體振動(dòng)測(cè)量［14］、聲致振動(dòng)檢測(cè)［15］、電子器件表面振動(dòng)測(cè)量［16］等。在激光外差干涉系統(tǒng)中，需要在參考光或者信號(hào)光中引入一定的頻率偏移量，使得兩光束之間存在一個(gè)頻率差，從而在探測(cè)器光敏面處發(fā)生混頻干涉后形成一個(gè)中頻信號(hào)作為載波［3－4］。常用的頻移引入方法有波片旋轉(zhuǎn)法［17］、雙頻激光器法［18］以及聲光調(diào)制器法［19］等。其中，聲光移頻法基于聲光效應(yīng)，具有衍射效率高、頻移量可調(diào)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)［20－21］。基于此，設(shè)計(jì)并搭建了基于聲光移頻式激光外差多普勒振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)源振幅和頻率變化的響應(yīng)做了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，最后探究了其在小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2 聲光式外差振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)并搭建的聲光移頻式的光外差振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，主要由光路、信號(hào)處理兩部分組成。如圖1所示，光路部分由分別作為分束鏡和合束鏡的分光鏡BS1、BS2，偏振分光棱鏡PBS，聚焦透鏡L1、L2，二分之一波片(633 nm)HWP1、HWP2，高反射率透鏡 M，四分之一波片(633 nm)QWP以及聲光移頻器AOM等組成;信號(hào)處理部分主要由放大器、混頻器、自動(dòng)增益控制器(AGC)和鎖相環(huán)(PLL)等組成。

激光器出射光為線偏振光，頻率為f0，經(jīng)過擴(kuò)束器擴(kuò)束準(zhǔn)直后在BS1處分為反射光和透射光，分別進(jìn)入?yún)⒖脊饴泛托盘?hào)光路。在參考光路中，光束經(jīng)HWP1透射、M反射進(jìn)入AOM發(fā)生衍射，輸出0級(jí)光和1級(jí)光，1級(jí)光相比于入射光發(fā)生80 MHz頻移，頻率變?yōu)閒0+fAOM，取該一級(jí)光作為參考光。參考光經(jīng)L1聚焦、BS2反射后落在探測(cè)器表面。其中，HWP1被用來調(diào)節(jié)參考光偏振方向以達(dá)到和信號(hào)光偏振匹配。在信號(hào)光路中，首先，光束經(jīng)過HWP2后偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。設(shè)置合理的HWP2角度，使得光束經(jīng)過PBS時(shí)發(fā)生完全透射;隨后該光束經(jīng)由QWP照射在振動(dòng)源表面后反射，該反射光中攜帶有由振動(dòng)引入的多普勒頻移 fd=2v/λ［3－4］，從而頻率變?yōu)閒0+fd。設(shè)置合適的QWP快軸角度，使得反射光二次經(jīng)過QWP后偏振態(tài)發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)，從而再次經(jīng)過PBS時(shí)發(fā)生完全反射，這一設(shè)計(jì)提高了光能利用率，該反射光作為信號(hào)光;最后，信號(hào)光經(jīng)過L2聚焦、BS2透射后落在探測(cè)器表面。信號(hào)光和參考光在探測(cè)器光敏面處發(fā)生混頻干涉，輸出帶有振動(dòng)信息的拍頻信號(hào)，頻率為fd－fAOM，隨后該信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理部分進(jìn)行振動(dòng)信息解調(diào)，下面將對(duì)該解調(diào)過程進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖1 激光外差振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser heterodyne vibration measurement system

在信號(hào)處理部分，利用鎖相環(huán)對(duì)拍頻信號(hào)進(jìn)行鑒相處理。相位是頻率變化對(duì)時(shí)間的積分，兩者可相互轉(zhuǎn)換，因此我們以相位調(diào)制信號(hào)來表示拍頻信號(hào)。假設(shè)表面振動(dòng)位移為u(t)，則此時(shí)拍頻信號(hào)可表示為:

其中，Is和Il分別為信號(hào)光和本振光的直流分量;φ為相位差。fAOM=80 MHz，為聲光移頻器頻移量。由式(1)可知，拍頻信號(hào)為載頻為80 MHz的相位調(diào)制信號(hào)，其振幅與參考光和信號(hào)光強(qiáng)度相關(guān)。

為了便于后續(xù)處理，探測(cè)器輸出拍頻信號(hào)經(jīng)過放大器放大后進(jìn)行混頻降頻處理。利用一有源晶振產(chǎn)生84 MHz正弦波作為參考信號(hào)，與拍頻信號(hào)進(jìn)行混頻，取其差頻部分，則此時(shí)拍頻信號(hào)載頻變?yōu)? MHz;隨后，該降頻信號(hào)進(jìn)入AGC模塊。該模塊可使得拍頻信號(hào)幅值始終保持在一定范圍內(nèi)，從而滿足后續(xù)PLL解調(diào)電路要求;最后，利用PLL進(jìn)行鑒相處理，輸出與拍頻信號(hào)相位變化成正比的電信號(hào)，也即為與u(t)成正比，可表示為:

其中，k為一比例常數(shù)。這樣，通過放大、混頻降頻、AGC控制、鎖相環(huán)鑒相即完成了振動(dòng)信息的解調(diào)。

在本系統(tǒng)中，所用光源為He－Ne激光器，型號(hào)為 DH－HN250P，中心波長(zhǎng)為632.8 nm，功率約為3.2 mW。AOM工作波長(zhǎng)為632.8 nm，中心頻率為80 MHz。光電探測(cè)器選用的是Thorlabs公司型號(hào)為PDA10A－EC的硅光電探測(cè)器，其波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為200～1100 nm，帶寬為150 MHz。BS1、BS2為5∶5消偏振分光棱鏡，PBS為單波長(zhǎng)偏振分光棱鏡(633 nm)，型號(hào)為GCC－4020，消光比大于1000∶1。L1、L2均為焦距為300 mm 的雙膠合透鏡，可變光闌A1、A2用來調(diào)節(jié)光斑大小以及濾除雜散光，以提高系統(tǒng)信噪比。隔離器用以隔離系統(tǒng)散射光進(jìn)入激光器以提高光源穩(wěn)定性。如圖2所示，所用振動(dòng)源為一揚(yáng)聲器，利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行可變振幅、頻率驅(qū)動(dòng)。揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音信號(hào)作用在玻璃板上產(chǎn)生聲致振動(dòng)，信號(hào)光照射在振動(dòng)玻璃表面即可通過所述系統(tǒng)復(fù)原得到振動(dòng)信息。

圖2 利用所述系統(tǒng)得到的拍頻信號(hào)Fig.2 Beat signals obtained by the proposed system

2.2 信號(hào)獲取與解調(diào)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所搭建測(cè)振系統(tǒng)的可行性，對(duì)其進(jìn)行了可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在外差光路中，信號(hào)光和參考光必須保持很高的空間準(zhǔn)直性才能獲得拍頻信號(hào)［22－23］。通過仔細(xì)的光路調(diào)節(jié)，獲得了拍頻信號(hào)輸出，其波形圖和頻譜如圖2所示。其中，圖2(a)為未施加振動(dòng)時(shí)的拍頻信號(hào)時(shí)域波形圖，圖2(d)為其對(duì)應(yīng)的頻譜，其峰值頻率為79.99 MHz，與標(biāo)準(zhǔn)中頻信號(hào)頻率80 MHz誤差為0.01%。圖2(b)、(c)為施加振動(dòng)信號(hào)時(shí)的拍頻信號(hào)波形圖，驅(qū)動(dòng)頻率分別為500 Hz和1000 Hz，驅(qū)動(dòng)電壓均為4 V，圖2(e)、圖2(f)分別為圖2(b)、圖2(c)所對(duì)應(yīng)的頻譜圖。由圖2可知，施加振動(dòng)后拍頻信號(hào)顯示出了明顯的振動(dòng)調(diào)制，頻譜中產(chǎn)生了新的頻率成分，與理論相符合。

在得到拍頻信號(hào)的基礎(chǔ)上，下一步就是從該拍頻信號(hào)中解調(diào)得到振動(dòng)信息。以500 Hz振動(dòng)信號(hào)為例說明整個(gè)的解調(diào)過程，如圖3所示。圖3(a)所示為84 MHz信號(hào)波形圖，圖3(d)為其對(duì)應(yīng)的頻譜圖，由圖3(d)可知，峰值頻率為83.998 MHz，與84 MHz相差0.002%。圖3(b)和圖3(e)為混頻信號(hào)經(jīng)過濾波后得到的以4 MHz載波的拍頻信號(hào)波形圖和頻譜圖。圖3(e)和圖3(f)分別為鎖相環(huán)解調(diào)輸出信號(hào)的波形圖和頻譜圖，由圖可知，輸出信號(hào)為一近似正弦波，峰值頻率為 499.94 Hz，誤差為 0.01%。

圖3 拍頻信號(hào)解調(diào)過程Fig.3 Beat signal demodulation process

3 振動(dòng)源振幅與頻率變化響應(yīng)度實(shí)驗(yàn)研究

在完成了系統(tǒng)搭建以及信號(hào)解調(diào)的基礎(chǔ)上，通過改變振動(dòng)源的振幅、頻率等，對(duì)該系統(tǒng)對(duì)于頻率與振幅變化的響應(yīng)度進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)探究。

3.1 振動(dòng)源振幅變化

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)源振幅變化的響應(yīng)度，固定振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)頻率為500 Hz，驅(qū)動(dòng)電壓由2 V以0.2 V步進(jìn)到4 V，記錄了解調(diào)信號(hào)的波形圖變化，結(jié)果如圖4所示，插圖為驅(qū)動(dòng)電壓分別為2.0 V，2.6 V，3.2 V 和 4.0 V 時(shí)輸出信號(hào)波形圖的對(duì)比圖。由圖4可知，解調(diào)輸出信號(hào)幅值隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大，近似為線性，這與驅(qū)動(dòng)電壓越大振動(dòng)振幅越大是相符合的，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)振幅變化的響應(yīng)度。

圖4 輸出信號(hào)幅值與驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)圖Fig.4 Diagram of the output signal amplitude vs the driving voltage

3.2 振動(dòng)源頻率變化

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)頻率變化的響應(yīng)度，固定振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)電壓為4 V，驅(qū)動(dòng)頻率從10 Hz以10 Hz步進(jìn)到100 Hz，記錄解調(diào)信號(hào)的頻譜變化如圖5所示。其中，圖5(a)為測(cè)量得到的各頻率頻譜對(duì)比圖，各峰值頻率如圖中所標(biāo)示;圖5(b)為圖5(a)中所得峰值頻率與驅(qū)動(dòng)頻率的對(duì)比圖;圖5(c)為相對(duì)誤差曲線，由該曲線可知:在10～100 Hz頻段內(nèi)，測(cè)量誤差小于0.15%。同樣的，對(duì)100～1000 Hz，1～10 kHz頻段的測(cè)量精度進(jìn)行了測(cè)量，相對(duì)誤差分別小于0.07%、0.03%。由此可知，該系統(tǒng)可對(duì)10 Hz～10 kHz振動(dòng)頻率內(nèi)進(jìn)行精確的測(cè)量，且頻率較高時(shí)其測(cè)量相對(duì)誤差較小。

圖5 10～100 Hz振動(dòng)測(cè)量結(jié)果圖Fig.5 The vibration measurement results of 10 ～100 Hz

4 應(yīng)用舉例

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在現(xiàn)代工業(yè)中具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，如壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等，利用外差光學(xué)方式可實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下，如高溫、高壓等情況下的振動(dòng)測(cè)量。限于實(shí)驗(yàn)室條件，我們對(duì)一小型旋轉(zhuǎn)設(shè)備－空氣螺絲起子進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)量。測(cè)量部位為壓縮機(jī)密封蓋處。將密封蓋處固定螺絲輕微旋轉(zhuǎn)使得密封度下降，即人為引入一機(jī)械故障，分別記錄了在有、無故障情況下測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)波形圖及頻譜圖，結(jié)果如圖6所示。圖6(a)、(b)分別為無故障、有故障下的波形圖，由圖可以看到，故障發(fā)生后，振動(dòng)時(shí)域圖發(fā)生明顯變化，且峰峰值相對(duì)變大;圖6(c)、(d)分別為圖6(a)、(b)所對(duì)應(yīng)的頻譜圖，由該圖可以看出，未存在故障時(shí)，測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)頻率主要為25 Hz以及諧波成分，如 50 Hz，75 Hz，100 Hz 等;當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，低頻成分基本未變化，在175～250 Hz頻段內(nèi)(左側(cè)虛線框所示)，頻譜幅值相對(duì)變小;在250～350 Hz頻段內(nèi)(右側(cè)虛線框所示)，產(chǎn)生了新的頻譜成分。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械某測(cè)試點(diǎn)的頻譜變化，可有效地對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障的出現(xiàn)以避免更大的損失。

圖6 小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械某測(cè)試點(diǎn)Fig.6 The vibration measurement results of a point of small rotating machinery in the condition of normal and fault

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并搭建了基于聲光移頻式的激光外差振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。首先通過仔細(xì)地調(diào)整光路，獲得了拍頻信號(hào)輸出，并利用以鎖相環(huán)為核心的信號(hào)處理模塊完成了信號(hào)解調(diào);其次利用信號(hào)發(fā)生器來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，所發(fā)出的聲音作用在玻璃板上產(chǎn)生聲致振動(dòng)作為振動(dòng)源，實(shí)驗(yàn)探究了所述外差測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)振幅、頻率變化的響應(yīng);最后對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)頻率在10 Hz～10 kHz頻段內(nèi)時(shí)，其測(cè)量誤差小于0.15%，相對(duì)誤差隨著頻率的增加而減小;解調(diào)信號(hào)幅值隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大，顯示出了很好的響應(yīng)度。對(duì)一小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械未故障、故障前后的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，記錄了其波形以及頻譜。測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備存在故障時(shí)其振動(dòng)波形圖發(fā)生明顯變化;頻譜分析結(jié)果顯示，在175～250 Hz頻段內(nèi)，頻譜幅值相對(duì)變小;在250～350 Hz頻段內(nèi)產(chǎn)生了新的頻譜成分，從而驗(yàn)證了將該系統(tǒng)應(yīng)用于小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)中的可行性。在后續(xù)的工作中將探索該系統(tǒng)更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

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