外差式激光干涉仪应用于正弦直线和旋转振动测量技术的研究

外差式激光干涉仪和应用于旋转振动测量的衍射光栅技术理论和工作原理。针对马赫-泽德外差式激光干涉仪在绝对法振动校准技术中的应用,简要介绍了测量系统另外两个重要组成部分(频移变换和数字信号处理)的原理、算法和技术实现。这种振动测量系统与正弦直线和旋转激振系统相配合,采用同一种正弦逼近的信号处理方法,可实现直线振动量(位移、速度、加速度)和旋转振动量(角位移、角速度、角加速度)两大类型、各种振动传感器幅相特性绝对法的精确校准。

随着计算机、激光测量和信号处理技术的飞速发展,近年来许多国家的计量科学研究院相继建立了基于激光干涉法技术、自动化程度较高的国家振动基标准。具国际领先地位的德国物理技术研究院(ptb),在正弦直线振动量(位移、速度、加速度)和正弦旋转振动量(角位移、角速度、角加速度)的激光绝对测量中,形成了一套完整的测量理论和测量技术,研发了一系列高精度国家振动标准。由ptb主起草的国际标准iso 16063-11(1999)“激光干涉绝对法振动校准”给出新的第三种校准方法———正弦逼近法(sine approximation method),在1 hz~10 khz宽频带范围内,实现了直线振动传感器加速度灵敏度幅值和相移绝对法校准的重大突破。对于高频、纳米级小振幅的振动测量(例如(0·5μm,20 khz),

该国际标准推荐使用外差式激光干涉仪[1]。正在起草的国际标准iso 16063-15“旋转式振动传感器激光干涉绝法校准”所描述的校准方法,采用的是外差式激光干涉仪与衍射光栅相结合的测量技术。振动绝对法测量中的激光干涉仪通常采用零差式干涉仪(homodyne interferometer)与外差式干涉仪(heterodyne interferometer)两类。与零差式干涉仪相比,外差式干涉仪具有分辨率高、位移测量可达纳米量级、线性度高、噪声低、动态范围宽、测量误差小等优点。

它主要由激振系统、外差式激光干涉仪、信号调理系统、数据采集处理系统组成。其中,外差式激光干涉仪采用马赫-泽德干涉仪(mach-zehnder interferometer)。将马赫-泽德干涉仪与正弦直线(水平或垂直)振动台或柱面为衍射光栅旋转振动台的激振系统相匹配,就可以实现正弦直线或正弦旋转振动量的精确测量。

系统信号调理部分主要包括两路低通滤波和混频移频的功能。其作用是将调制后的载波信号从40 mhz降至正弦运动参量1 mhz以下的频率范围内,以便于数据采集及信号处理。数据采集处理系统利用两通道同步高速数据采集卡采集降频后的多普勒信号和另一路参考信号,通过软件编程完成数字低通滤波、正交信号生成、反正切求解、相位展开、正弦拟合等数字解调和解算,以及信号分析及显示等功能。

此系统应用于直线振动测量时,在0·1 hz~20khz范围内,振幅测量可以达到1 nm,灵敏度幅值校准不确定度优于1%,相位校准不确定度优于1°;应用于旋转振动测量时,在0·3 hz~1 khz范围内,角位移幅值测量可以达到1μrad,灵敏度幅值校准不确定度优于0·5%,相位校准不确定度优于0·5°。以上指标包含因子均为k=2。

外差式激光干涉仪利用的是光学多普勒效应,即:当光源和光电检测器固定不动,光波在运动物体上反射或散射后,光电检测器所接收到的光波发生频率变化。激光多普勒测振是基于振动台运动部分散射光含有其运动速度或位移、相位信息的理论。外差式激光干涉仪的光源为0·632 82μm波长的氦-氖激光器。激光器发出的光束经偏振分光镜pbs1后被分离为测量和参考两路光束,见图2。参考光束经过反射镜m1,由布拉格盒bc(bragg cell)进行声光调制后,射向分光镜bs2。测量光束经过偏振分光镜pbs3、透镜l和1/4波片p后,照射在运动物体表面并被反射回来,在分光镜bs2与参考光束发生干涉,并由光电检测器d完成干涉信号的接收和检测。参考光路中的布拉格盒,通过晶振信号f0对参考光的光频进行频移和调制。

正弦直线激振系统测量光的反射面是振动台台面或标准加速度计顶部平面,而正弦旋转激振系统的旋转振动台采用旋转柱面衍射光栅法。本节重点讨论衍射光栅法理论和工作原理。

波长为λ的单色平面光垂直或倾斜照射到槽距为g的正弦反射光栅上,除了一部分光线被反射回来形成零级衍射光外,还将产生角度确定的各级衍射光,如图3所示。正弦光栅的槽距与激光波长接近,利用激光全息技术可以在1 mm的长度上刻出2 400条正弦槽纹,槽距g约为0·416 7μm。衍射光栅的激光干涉仪依靠光栅产生的衍射现象来获取干涉信号。各级衍射光的相位关系固定不变。如果入射光与平面光栅相互垂直,当平面光栅发生直线移动时,零级衍射光的相位固定不变,而其它各级衍射光的相位角都将发生改变。各级衍射光只有以相位不变或180°反相变化的光为参照,才能检测到它们的相位移。

旋转振动台运动部分的柱面为衍射光栅。单频氦-氖激光器发射出的激光被偏振分光镜分为参考光束和测量光束后,测量光束以特定的角度照射到衍射光栅上,使得一级衍射光沿入射光的方向返回随着计算机软硬件技术和信号处理技术的飞速发展,完全可以利用软件实现对外差激光干涉仪输出测量信号的低通滤波、正交解算、信号解调。它具有指标理想、性价比高的优势。利用虚拟仪器技术,通过图形化编程软件将数据采集通信及必要的仪器模块等硬件和计算机结合起来,能够定制集成化和自动化程度较高的外差式激光干涉测振系统。马赫-泽德外差激光干涉仪通常采用布拉格盒作为声光调制器,实现干涉仪激光调制频谱向输入布拉格盒的晶振频率范围的频移。即:将多普勒信号(δf)从光频上解调出来,转载到一个比δf高的副载波上,最终输出40 mhz或频率更高的载波信号fc。如果直接对载波信号fc进行采样,根据奈奎斯特定律,必须选择采样速率极高的数据采集卡,这样势必增大设备成本和数据处理的工作量。

由于包含调制信号的频带范围与载波频率相比往往很小,因此,在对多普勒信号进行a/d采样之前,可以将调制信号载频从40 mhz降至较低的频率范围(1 mhz或500 khz左右),此时,不会出现任何有用信息被丢失的情况,见图1。同时,还可以利用驱动布拉格盒的晶体振荡器输出的晶振信号,与频率合成器混频,得到降频后的参考信号。经降频处理后,将调制后的载波信号转换到最适合于模数转换(adc)的频带范围,这样就可以选择采样速率相对较低的两通道同步数据采集卡,获得更高的性价比。从而减少软件数据处理量,提高软件执行效率[ 6]。

在大多数实际测量中,采样频率fs、外差信号频率fh和振动频率f0应满足以下关系式:

对于动圈式的高频振动台,其上限频率一般为50 khz,若台体的加速度为100 m/s2,那么产生的位移幅值约为1 nm。在50 khz的振动频率范围内,所要求的最高采样速率不会超过12 mhz,分辨率不应低于8位。对于降频后采集到的多普勒信号,需要进行图4所示的软件处理(图1中数字信号处理部分的细化)。图1中的参考信号经过90°准确数字移相后,能够获得所需的一对正交信号cosωhti和sinωhti,其中ωh为降频后的多普勒信号的角频率。输入的测量信号uh(ti)与正交信号cosωhti和sinωhti分别相乘后,经过数字低通滤波器去除调制信号频带范围外的所有频率成分。振动幅相测量一般不要求进行实时处理,为了消除滤波给相位测量带来误差,可以采用对信号进行正反两次低通滤波的方法去除附加相位移。以下简要介绍离散时间参数数字低通滤波的方法。

本文介绍将正弦直线振动绝对法校准的正弦逼近理论,应用于正弦旋转振动量的数据处理、幅相求解之中。测量系统采用由外差式激光干涉仪、高性能两通道同步数据采集卡及微机组成的虚拟仪器架构。基于软件解调和正弦逼近的新一代振动幅相特性测量系统,结合线性振动台及柱面为衍射光栅的旋转振动台,能够用一套测量系统、一种测量方法,实现正弦直线和旋转振动量幅值和相位的精确测量,理论成熟、方法可行、性价比高、测量范围宽。

将外差激光干涉仪与虚拟仪器技术相结合,应用于振动计量测试领域,实现振动、冲击传感器幅相特性的准确测量及工程测试,具有重要意义。

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