激光干涉儀在振動(dòng)計(jì)量中的應(yīng)用

激光測(cè)振及其常用方法

  一般振動(dòng)測(cè)試大致可以分為兩類。一類是測(cè)量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動(dòng)；另一類則是對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，對(duì)其產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。此類測(cè)振的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性，然后根據(jù)對(duì)所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行求和、平均、積分、微分等處理，計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的位移或速度、加速度和振動(dòng)頻率；或者對(duì)所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)作進(jìn)一步地分析和處理，如譜分析、相關(guān)分析等，進(jìn)而確定被測(cè)對(duì)象的固有頻率、阻尼比、剛度、振型等振動(dòng)參數(shù)，確定被測(cè)對(duì)象的頻率響應(yīng)特性。激光測(cè)量這種非接觸測(cè)量由于其良好的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性，已經(jīng)成為測(cè)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)。同時(shí)由于電子學(xué)和光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光電檢測(cè)已經(jīng)成為非接觸測(cè)量的一種主要方式。

激光干涉法

  利用激光的干涉特性，以激光的波長(zhǎng)等參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)元件的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的方法叫激光干涉測(cè)振法。在振動(dòng)沖擊計(jì)量測(cè)試中，我們經(jīng)常碰到量值溯源的問題，在量值溯源與傳遞系統(tǒng)鏈表里，振動(dòng)沖擊計(jì)量基準(zhǔn)可以溯源到基本量———長(zhǎng)度和時(shí)間。振動(dòng)和沖擊校準(zhǔn)設(shè)備采用這種量值復(fù)現(xiàn)方式進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)時(shí)，稱其為“絕1對(duì)校準(zhǔn)”。激光干涉儀是不可缺少的部分，其輸出的多普勒信號(hào)把已知的激光波長(zhǎng)和振動(dòng)的位移量對(duì)應(yīng)起來，是一種絕1對(duì)的測(cè)量方法。目前在振動(dòng)和沖擊專業(yè)中大量借助于激光干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)量值的復(fù)現(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)就是采用激光干涉儀。

     激光干涉測(cè)量方法作為一種重要的非接觸式無損探測(cè)方法，日益得到廣泛的應(yīng)用。然而該測(cè)量系統(tǒng)多采用各種分立的玻璃光學(xué)元件構(gòu)成光路，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且對(duì)光學(xué)元件的安裝、調(diào)試都有極苛刻的機(jī)械精度要求，靈活性、重復(fù)性較差，尤其是對(duì)探測(cè)系統(tǒng)位置的設(shè)置在許多重要場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制。光纖傳感技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門新型科學(xué)。與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高壓、防爆阻燃、光路可繞曲性好、幾何形狀具有多方面適應(yīng)性等，使其成為在諸多環(huán)境下的有效測(cè)量手段。

使用激光干涉儀測(cè)量，必須要考慮到的誤差源：

一、  環(huán)境誤差。激光干涉儀的絕1對(duì)精度取決于周圍條件的精準(zhǔn)程度（或者說環(huán)境的穩(wěn)定程度）。環(huán)境溫度每產(chǎn)生1℃的變化，絕1對(duì)壓力每產(chǎn)生2.5mmHg或相對(duì)濕度每產(chǎn)生30%的誤差時(shí)，都將會(huì)導(dǎo)致約1PPM（百萬分子一）的測(cè)量誤差。這些誤差利用人工補(bǔ)償或激光干涉儀所配的自動(dòng)補(bǔ)償裝置可部分克服。因此檢測(cè)期間保持這些條件的穩(wěn)定非常重要。

二、  機(jī)床表面溫度。即機(jī)床本身溫度變化的影響。對(duì)于用鋼制絲杠定位滑鞍的機(jī)床，絲杠理論熱膨脹系數(shù)為10.8PPM/℃，即溫度每升高1℃，他將膨脹近10.8微米/米。

三、  死徑誤差（死行程誤差）。它是一種在測(cè)量期間與環(huán)境條件的變化有關(guān)系的誤差。它是由于當(dāng)圍繞激光束的大氣壓力發(fā)生變化（引起激光波長(zhǎng)變化）時(shí)以及當(dāng)固定有激光干涉儀和目標(biāo)反射鏡的材料溫度發(fā)生變化（引起干涉儀和反射鏡之間的距離變化）時(shí)，激光束行程長(zhǎng)度得不到補(bǔ)償而造成。

簡(jiǎn)單的講，激光測(cè)量行程的死行程區(qū)是指激光干涉儀與測(cè)量復(fù)位點(diǎn)（或0點(diǎn)）位置間的距離。激光干涉儀自身的補(bǔ)償系統(tǒng)僅能補(bǔ)償測(cè)量復(fù)位點(diǎn)到測(cè)量行程終點(diǎn)的距離，而對(duì)于死行程區(qū)的距離是不補(bǔ)償?shù)摹?

四、  余弦誤差。激光束路徑對(duì)應(yīng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸線如未對(duì)準(zhǔn)，將在測(cè)量長(zhǎng)度同實(shí)際移動(dòng)長(zhǎng)度間產(chǎn)生一個(gè)誤差。由于這個(gè)誤差與光束和實(shí)際運(yùn)動(dòng)間未對(duì)準(zhǔn)角的余弦成比例，所以未對(duì)準(zhǔn)誤差通常稱為余弦誤差。余弦誤差=1-cosθ，對(duì)于較小的θ，余弦誤差近似于θ2/2。舉例來說，當(dāng) =1mrad (3 arcmin)，則余弦誤差為0.5ppm。

當(dāng)激光測(cè)量系統(tǒng)與機(jī)床移動(dòng)軸線未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，余弦誤差將使測(cè)量長(zhǎng)度小于實(shí)際長(zhǎng)度。xc余弦誤差的方法是在安裝時(shí)確保良好的對(duì)準(zhǔn)。

五、  阿貝誤差。阿貝誤差原理是長(zhǎng)度計(jì)量和長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器設(shè)計(jì)中最經(jīng)典的測(cè)量原理。被測(cè)軸線和測(cè)量軸線應(yīng)在同一直線或其延伸線上，如果在一個(gè)偏離的被測(cè)位移的位置上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，部件的任何角運(yùn)動(dòng)都將產(chǎn)生一個(gè)誤差。估算角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差的一條有益經(jīng)驗(yàn)是：每角秒的角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約5um/m的偏移。對(duì)于阿貝偏移為200mm，2秒的角運(yùn)動(dòng)，其測(cè)量位移誤差為200mm×5um/m/角秒×2角秒=2um。

如何正確運(yùn)用激光干涉儀

1、負(fù)坡度

  負(fù)坡度曲線向外運(yùn)行和向內(nèi)運(yùn)行兩個(gè)測(cè)試均出現(xiàn)向下的坡度。在整個(gè)軸線長(zhǎng)度上，誤差呈線性負(fù)增加，這表示激光系統(tǒng)測(cè)量的距離短于機(jī)床位置反饋系統(tǒng)指示的距離。出現(xiàn)負(fù)坡度的可能原因有以下兩種：(1)光束準(zhǔn)直調(diào)整不正確。如果軸線短于1m則可能是材料熱膨脹補(bǔ)償系數(shù)不正確、材料溫度測(cè)量不正確或者波長(zhǎng)補(bǔ)償不正確。(2)俯仰和扭擺造成阿貝偏置誤差、機(jī)床線性誤差。

2、正坡度

  正坡度曲線是指在整個(gè)軸線長(zhǎng)度上，誤差呈線性正遞增。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生有以下可能：(1)材料熱膨脹補(bǔ)償系數(shù)不正確、材料溫度測(cè)量不正確或者波長(zhǎng)補(bǔ)償不正確。(2)俯仰和扭擺造成阿貝偏置誤差、機(jī)床的線性誤差。

3、周期性曲線

  周期性曲線是整個(gè)軸線長(zhǎng)度上的重復(fù)周期誤差。沿軸的俯仰保持不變，但幅度可能變化。導(dǎo)致周期性曲線的可能原因主要是機(jī)床方面的問題，如絲杠或傳動(dòng)系統(tǒng)故障、編碼器問題或故障、長(zhǎng)型門式機(jī)床軌道的軸線直線度。

4、偏移

  偏移是指去程和回程兩次測(cè)試之間具有不變的垂直偏移。產(chǎn)生偏移曲線的可能原因主要是機(jī)床方面的問題，如反向間隙未補(bǔ)償或不當(dāng)補(bǔ)償、車架與導(dǎo)軌之間存在間隙(松動(dòng))等。

5、燕尾狀

  在去程測(cè)試中出現(xiàn)向下的坡度的情況，回程測(cè)試為去程測(cè)試的鏡像，去程和回程測(cè)試之間的偏差(或滯后或反向間隙)隨軸線離開受驅(qū)動(dòng)端而逐漸提高。產(chǎn)生燕尾狀的可能原因主要是機(jī)床方面的問題，如滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)、導(dǎo)軌太緊、使用的誤差補(bǔ)償值不正確等。

6、正反向交叉線

  正反向交叉線是指正向(向外)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)坡度，而反向(向內(nèi))運(yùn)行則產(chǎn)生正坡度。這是絲杠扭轉(zhuǎn)的一個(gè)特殊例子，其中，單向線性誤差補(bǔ)償和單反向值已在控制器中設(shè)置。