基于激光多普勒原理的高溫振動測量技術研究

楊正璽,常洪振,都佳遜,王鵬輝,肖健

(北京強度環境研究所，北京100076)

0 引言

隨著飛行器速度的不斷提高，飛行器所處的環境更加復雜和惡劣。為應對惡劣的氣動環境、熱環境及噪聲環境等各種極端載荷環境，飛行器的防護結構不斷改進和提升，由陶瓷、金屬以及各種復合材料構成具有較復雜結構形式的防護系統[1]。地面試驗是驗證熱防護系統分析方法和改進設計的重要依據，同時也是驗證熱防護應用可行性、指導熱防護材料工藝優化與改進提高的重要手段[2-3]。武器裝備在熱振、熱模態、熱噪聲等地面試驗中，表面持續處于超高溫環境[4]，目前已有試件表面溫度近千度，高溫持續時間數千秒的情況。未來發展的裝備項目，溫度將更高，這樣惡劣的溫度環境為試驗中振動參數的測量帶來困難。

高溫環境振動測試主要有耐高溫加速度傳感器測量和非接觸式激光測量兩種方式。耐高溫傳感器的承受溫度有一定限制，目前耐高溫加速度傳感器連續工作的耐熱溫度最高為650 ℃，更高溫度的響應測量只能采用非接觸式激光測振儀，但表面對激光反射強度極低的試件，在持續高溫環境下進行振動響應測量還需解決激光反射信號增強、時域響應數據后處理、激光測振儀熱防護等問題。

1 激光反射信號增強方法

1.1 原理介紹

激光測振儀主要利用激光多普勒效應，其原理如圖1所示，激光器發射一束單色激光至振動的被測物體上，當被測物體向著接收器移動時，物體反射回的波被壓縮，波長縮短，頻率升高；反之，當被測物體背著接收器移動時，反射回的波長將變長，頻率會降低。這種振動引起的頻率的變化叫做多普勒頻移，該頻移量與物體的運動速度成正比，測出多普勒頻移fD，即可以計算出物體的運動速度[5]。頻移fD與速度v的關系為

(1)

圖1 激光多普勒效應原理圖

試驗件表面的光潔程度、顏色、入射角度等都會影響激光反射率。高速飛行器熱防護結構表面多為黑色復合材料，本身會對激光產生一定的吸收，當處于近千度的高溫試驗環境時，復合材料發生燒蝕，表面光潔度變差，加劇了激光的散射，導致激光信號的反射率極低，嚴重影響了測量的信噪比，不能滿足試驗要求。

本研究中利用透鏡回歸反射原理來制備反光涂層，涂抹于試件表面以增強激光反射信號[6]。如圖2所示，按照光學折射與反射原理制成一定形狀的透鏡結構(玻璃微珠)，這種透鏡結構具有將照射到其上的入射光按原入射方向大部分返回的功能，可提高自身能見度。該方法已被大量應用于道路安全設施和各種防護裝備，如反光交通標志、反光道路標線、反光車身標識、故障車警告標志等。對于高溫環境，反光涂層采用耐高溫膠粘接耐高溫玻璃微珠的方法制備。

圖2 玻璃微珠結構的回歸反射原理

1.2 方法驗證

選取與熱防護結構表面材料相同的小板來進行驗證試驗。采用耐高溫膠粘接耐高溫玻璃微珠的方法制備反光涂層，將不同制備工藝的涂層涂抹在小板材料表面以便進行效果對比，圖3為小板材料示意圖。試驗現場如圖4所示，按照如圖5所示的試驗溫度曲線進行加熱，同時用激光測振儀分別記錄試件靜止狀態下，材料本身處和反光涂層處的信號干擾情況以反映激光反光效果。若反光效果很好，則信號應為量級很小的噪聲信號；若反光效果差造成很大干擾，則信號會出現量級很大的跳變。

圖3 小板材料示意圖

圖4 反光效果驗證試驗現場

圖5 加熱溫度曲線

圖6為復合材料表面的測量信號，圖7為反光涂層處的測量信號。可以看到，復合材料本身對激光反射效果很差，整個時域信號基本都是量級很大的跳變信號，影響測量的信噪比，不能滿足試驗要求；反光涂層處整個時域歷程只是偶爾出現信號跳變，量級也很小，不會對實際振動測量產生干擾，可明顯改善激光反光效果。

圖6 復合材料表面測量信號

圖7 反光涂層處測量信號

1.3 涂層外觀和微觀變化情況

圖8為常溫、驗證試驗后反光涂層外觀和在顯微鏡下微觀狀態的變化情況。可以看出，常溫狀態下微觀玻璃微珠為飽滿圓珠狀，回歸反射效果最優；經過加熱驗證試驗后，絕大多數玻璃微珠仍為圓珠狀，少量玻璃微珠出現了析晶變為非透明的乳白色，對回歸反射效果產生一定損失。因此，耐高溫反光涂層微觀狀態變化與測量信號效果是對應的。

圖8 光涂層微觀狀態

2 信號后處理方法

多普勒激光測振直接測得速度信號，一般試驗中更關心加速度響應參數的時域幅值和頻域峰值對應的頻率，特別是一階頻率情況。對原始速度信號濾波后采用時域微分的后處理方法，可以得到加速度時域信號。在此基礎上，若將所關心時段的時域信號處理為功率譜密度，可得到該時段頻域峰值對應頻率，特別是一階頻率；若對全程時域響應數據進行時頻分析，可得到在整個熱振動試驗中試件一階頻率的變化情況，從而為試驗評價提供直接有效的數據支撐。

正式試驗前，對速度信號后處理準確性進行驗證。圖9為速度響應處理準確性驗證試驗，在振動試驗剛性工裝上同一位置布置加速度傳感器，直接測得加速度值，同時布置激光測振點，測得速度值。圖10為加速度計直接測得的加速度響應圖，圖11為激光測振儀測得速度響應微分后得到的加速度響應圖。圖12為放大某一時間段的時域對比。可以看到兩種方法得到的加速度響應曲線在時域基本吻合，圖13為30～90 s這一時間段，利用速度微分方法和加速度計實測得到的加速度響應的頻域功率譜密度曲線對比，可以看到在能量分布較多的1000 Hz以內頻段，兩曲線基本吻合，特別是峰值完全重合，在能量分布較少的高于1000 Hz頻段，兩曲線峰值所在頻率一致，幅值有所差異，因此在全頻域內都可以滿足獲取準確峰值對應頻率的要求。綜上，多普勒激光測振儀直接測得速度響應信號，采用時間微分獲得加速度參數的方法滿足試驗要求。

圖9 速度響應處理方法準確性驗證試驗示意圖及現場

圖10 加速度傳感器直接測得加速度響應

圖11 激光測振儀測得速度響應微分后得到加速度響應

圖12 速度微分方法和加速度計實測得到的加速度響應(時域)局部放大對比

圖13 速度微分方法和加速度計實測得到的加速度響應(頻域)對比

3 激光測振儀熱防護箱設計

高速飛行器熱振動試驗通常在低氧氮氣艙中進行，由于加熱分區多、加熱功率非常大，氮氣艙內的空氣溫度可達80 ℃以上，而激光測振儀內部存在較多的精密光學元器件，其使用溫度不得超過40 ℃，因此必須對激光測振儀進行有效的熱防護。

激光測振儀光學頭熱防護箱構造如圖14所示，其外側安裝有導熱率較低的FR4環氧隔熱板(耐受溫度不低于300 ℃)以降低熱空氣向內部傳導速率，同時保證內部氮氣供應以降低防護箱內部溫度。

圖14 激光測振儀光學頭熱防護箱

4 正式試驗測量效果

圖15為正式試驗中激光測振儀安裝示意圖，圖16為試驗中激光測振儀直接測得的全程某測點的速度響應信號。從測量結果看，使用反光涂層后，測得的振動響應信號質量良好，基本沒有出現信號跳變現象，原始數據滿足試驗測量的要求。在此基礎上，對所需時間段上的速度響應按前述時域微分方式處理，可得到加速度信號，圖17為對試驗全程某測點進行速度響應后處理得到的加速度響應，可以得到所關心時間段上加速度響應的時域幅值。圖18為800～900 s時間段，兩測點加速度響應功率譜密度，可獲得試件整體一階頻率，可以看到頻域上峰值對應的頻率。圖19為對全程較大響應處時域信號進行時頻分析后試件一階頻率附近的結果，可以為試驗評價提供直接有效的數據支撐。

圖15 正式試驗激光測振儀安裝示意圖

圖16 正式試驗某測點直接測得速度響應

圖17 正式試驗某測點通過速度響應后處理得到加速度響應

圖18 正式試驗兩測點800～900 s時段加速度響應功率譜密度

圖19 正式試驗某測點1590～1800 s時段時頻分析結果

5 結論

本文提出基于激光多普勒原理的高溫振動測量方法，以解決表面對激光反射強度極低的試件在持續高溫環境下振動響應測量不準確的問題。闡述了此方法的原理，并從激光反射信號增強、時域響應數據后處理、激光測振儀熱防護三個方面進行分析，通過實際試驗證明了此方法的科學性和可靠性。未來武器裝備飛行速度將進一步提高，研制試驗中表面溫度隨之提高，為適應試驗需求，后續將從反光涂層選材及制備工藝方面進一步研究，以適應更高溫度試件表面激光反射率增強的需要，并提高反光涂層的制備效率，以縮短試驗準備的周期；目前對于響應數據后處理僅是跟蹤其一階頻率在試驗中的變化情況，過程中若出現一階頻率附近頻率數增加的情況則無法解釋其原因，未來將對工作模態分析等方面展開深入研究，進一步挖掘響應數據更大的應用價值。