基于共線光外差干涉的微振動檢測

程俊偉，張志偉,2，韓建寧，韓香伶，史瑞忠

(1.中北大學 信息與通信工程學院，太原 030051；2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，太原 030051)

微振動可以反映物體的多種特性參數，為了獲得目標的振動信息，需對其進行精準的測量。振動測量方式一般分為接觸式測量與非接觸式測量兩種[1]，其中非接觸式測量相比接觸式測量的優勢在于不會對目標的振動狀態產生影響。非接觸式的光學測量方法有干涉法[2]、激光多普勒技術[3]、光散斑法[4]和光全息技術[5]等。激光外差干涉檢測技術作為干涉法的一種，具有檢測精確度高、動態響應速度快、靈敏度高以及非接觸式檢測等優勢[6]，相比其他干涉技術應用，其更為廣泛，在動力機械、精密測量、工業生產和航天科技等領域發揮著至關重要的作用。

激光外差干涉振動檢測通常利用雙頻激光器或移頻器件為基礎進行設計[7]，配合光學器件偏振分光棱鏡、旋光器以及1/4波片等傳遞目標物體的待測參數[8]，并利用光電探測器的特性準確獲得待測物的振動信息。外差干涉最突出的優勢在于能將微弱的振動信號加載至高頻范圍內進行處理，從而有效降低低頻1/f噪聲的干擾[9]。傳統的激光外差干涉系統[10]對環境較為敏感，由于缺少參考光路的對比，易受到環境振動與環境噪聲的干擾，抗干擾能力弱；使用的光學器件較多，不易調節的同時光學噪聲較大[11]，穩定性也較差；測量信號的電壓幅值很小，通常只有60 m左右，信噪比低，這些都非常不利于微弱振動信號的檢測。

文章針對光外差干涉的特點，對傳統光外差干涉系統進行改進優化，設計了一種新型共線光外差干涉微振動檢測系統。該系統以光纖耦合窄頻半導體激光器作為光源，消除了由大光程差引起的相位噪聲影響；采用雙光路對稱式結構設計，極大地消除了由環境噪聲引起的共模噪聲，增強了系統抗干擾能力，提高了測量結果的精確度；同時在測量光路中設計了光隔離系統，消除了光程差的影響，減少了光學器件，也使得光路易于調節，更易實現精確的微振動測量。

1 試驗裝置及原理

1.1 共線光外差干涉微振動測量系統

改進優化后的共線光外差干涉微振動測量系統如圖1所示。該系統使用光纖耦合輸出的窄頻半導體激光器作為光源，激光器產生的激光束經偏振分光棱鏡PBS1分成兩束線偏振光：一束為p光(即光矢量振動方向平行于入射面的偏振光)；另一束為s光(即光矢量振動方向垂直于入射面的偏振光)。p光通過全反射直角棱鏡P1進入驅動頻率為80 MHz的聲光調制器AOM1，s光通過驅動頻率為110.12 MHz的聲光調制器AOM2后，分別產生兩個0級衍射光和兩個+1級衍射光。分別使用光闌ID1和ID2僅讓+1級衍射光通過。AOM2的+1級衍射光經過全反射直角棱鏡P2和AOM1的+1級衍射光進入偏振分光棱鏡PBS2，精確調節P2與PBS2，使p光與s光完全重合。

圖1 改進優化后的共線光外差干涉微振動測量系統示意

共線光束進入50…50(p光與s光的光強比為50…50)分光棱鏡BS后分成一束透射光和一束反射光。通過BS的透射光在全反射直角棱鏡P3上反射后經檢偏器AL2在光電探測器PD2的光敏面上發生干涉，并轉換成拍頻為30.12 MHz的電信號，以此作為系統的參考信號；共線光束通過BS的反射光進入偏振分光棱鏡PBS3，其中s光被反射并通過旋光器QWP1到全反射鏡M2全反射后再一次通過QWP1變為p光，并透過PBS3和檢偏器AL1入射到光電探測器PD1的光敏面上；共線光束透過PBS3的p光通過旋光器QWP2到達壓電陶瓷PZT表面的全反射鏡M1上被全反射，再一次通過QWP2后變為s光被PBS3反射，并通過AL1后入射到PD1的光敏面上，與之前到達PD1光敏面上的p光發生干涉，并轉換成拍頻為30.12 MHz的電信號，以該信號作為系統的測量信號。參考信號與測量信號進入示波器轉換為數字信號，使用MATLAB軟件設計解調程序對參考信號和測量信號進行數據處理，獲得微振動信號的振幅、頻譜信息。

與傳統的光外差干涉測振系統相比，筆者所設計的共線光外差干涉測振系統有如下改進。

(1) 利用雙聲光調制器設計成雙光路，降低了外界環境因素變化引起的共模噪聲與低頻噪聲，并在聲光調制器后各加入一個精密光闌，僅允許+1級光通過，避免了0級光與其他衍射光的干擾，提升了系統的信噪比，提高了測量精度。

(2) 共線光平均分成的測量光路與參考光路在空間上具有結構對稱性，所以環境噪聲引起的相位變化會同時出現在兩路信號中。通過對比兩路信號的相位，既消除了初始相位差，也消除了環境噪聲所引起的相位變化對試驗結果的影響，從而提高了系統的測量精確度。

(3) 測量光路中使用兩個旋光器與兩個全反射鏡構成了一個光隔離系統來改變p光與s光的偏振態，也使得p光和s光具有相同的光程，消除了光程差的影響；同時這兩路光也具有對稱性，提升了系統的抗干擾能力；且設計既減少了光學器件，也使得光路更易于調節。

微振動測量系統實物如圖2所示。

圖2 微振動測量系統實物

1.2 檢測原理

設p光的+1級光經過聲光調制器移頻之后的頻率為f1，s光的+1級光經移頻之后的頻率為f2，則兩路信號在光電探測器的光敏面上產生干涉的拍頻信號頻率為f2-f1，測量信號中包含由多普勒效應產生的頻移±Δf。

p光的+1級光與s光的+1級光的波動方程分別為

E1=Ef1cos2πf1t

(1)

E2=Ef2cos2πf2t

(2)

式中：Ef1為p光的+1級光的振幅；Ef2為s光的+1級光的振幅；t為時間。

兩束光的合成振幅為

E=E1+E2=

(3)

兩束光的合成光強I可表示為

Ef1Ef2cos2π(f1-f2)t

(4)

式中含有直流項、低頻項和高頻項。因為光電探測器通常無法響應超過其頻響范圍的高頻光，所以光電探測器探測到的光強Ir可表示為

(5)

同理，測量光的實際光強Im可表示為

Ef1Ef2cos2π(f1-f2±Δf)t

(6)

多普勒頻移±Δf可表示為

(7)

式中：為位移；c為光速；f為光頻。

對速度進行積分得

(8)

式中：u(t)為被測物體的振動信息；φ(t)為兩路信號的相位差；λ為光的波長。

2 試驗結果與分析

試驗中光源激發裝置為波長為635 nm的LR-RSP型半導體激光器，由信號發生器產生驅動信號至壓電陶瓷驅動器，驅動器輸出驅動電壓使壓電陶瓷模擬振動。使用PDA10A-EC型光電探測器探測干涉信號，其響應帶寬為DC(直流)-150 MHz,可探測波段范圍為200～1 100 nm。

圖3 兩路信號拍頻圖

調整光路使其達到最理想的顯示效果，在示波器上可以觀察到如圖3所示的兩路信號拍頻圖。通道CH1為測量信號，通道CH2為參考信號，信號波形穩定且幾乎無失真。兩路信號頻率都與理論頻率30.12 MHz一致且十分穩定，消除了傳統光路的頻率相對誤差與不穩定對解調結果的影響。測量光路干涉信號的幅值為936 m，參考光路干涉信號的幅值為1.1 ，幅值差控制在較小范圍內，相比傳統的外差干涉測量信號幅值提高了15倍左右，不僅可以提高測量結果的精確性，而且使測量系統不再依賴信號放大電路，節省了試驗成本，同時更易于操作。即，光路改進效果十分顯著且有利于后續的振動信號處理。

利用信號發生器發出不同幅值不同頻率的正弦信號控制壓電陶瓷模擬連續振動，使用MATLAB軟件設計解調程序對振動信號進行解調。檢測結果表明，當待測頻率為100 Hz～15 kHz時，共線光外差干涉測振系統具有良好的線性響應度。取振動幅值為1 ，頻率為8 kHz時的解調波形與頻譜如圖4所示。

圖4 8 kHz解調波形與頻譜

從圖4中可以看出解調信號波形幾乎無失真，信號主頻為8 kHz，干擾噪聲非常微弱，證明系統的抗噪性能優越，并且對振動情況的解調還原度高。

將傳統測量系統與改進系統在同一環境下測得的結果進行對比，振動幅值為1 ，頻率為10 kHz時的傳統與改進系統的兩組解調結果如圖5，6所示。

圖5 傳統系統測量的10 kHz解調波形與頻譜

圖6 改進系統測量的10 kHz解調波形與頻譜

圖7 壓電陶瓷實際位移與標準位移對比結果

對比兩組解調結果可以看出，傳統測量系統測得的信號頻譜上不只有主頻10 kHz，還存在明顯的噪聲頻譜，可見其抗噪性能差，信號幅值抖動明顯，不利于微振動信號的分析；改進后的測量系統解調結果波形無失真，沒有低頻漂移現象，頻譜上只有10 kHz，幾乎無噪聲成分，抗干擾性能大幅提高。

將試驗中實際測量的壓電陶瓷位移和其標準振動位移相比較，得到的對比結果如圖7所示，使用最小二乘法得出系統的測量分辨率為2.1 nm。

3 結論

以傳統光外差干涉系統為基礎，設計了一種對稱式結構的共線光外差干涉微振動檢測系統。通過測量壓電陶瓷振動，對該系統的可行性進行驗證，試驗結果表明兩路探測信號的幅值分別為936 m和1.1 ，相比傳統的外差干涉測量信號幅值提高15倍左右，頻率都為30.12 MHz，信號波形穩定且無失真，解調頻率精準且噪聲很小，系統分辨率為2.1 nm。