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  • 激光技術的那些事

       激光技術的那些事眾所周知,激光技術在機械工程與土木工程領域里,振動特性的測量一直存在著各種問題和挑戰。雖然某些振動源自器件或部件本身,但由于外力或設計的容差造成的非正常振動則會導致器件或部件的功能性損壞。因此,振動特性的測量和分析是鑒別和確認機器、部件的質量特性及工作狀態的重要測量手段。

    對于比較大型的被測物體通??梢园惭b加速度傳感器,利用加速度傳感器的電荷輸出信號實現加速度-速度-位移的相關測量。然而當測量物體質量比較小,測量環境比較嚴峻的情況下,新型的非接觸式,高精度、實時性的測振技術則扮演了重要角色。其中,基于激光干涉原理的激光多普勒測振技術是目前能夠獲取最佳位移和速度分辨率的最重要的振動測量方法,已被廣泛用于基礎科學和工程測量領域。

    以德國Polytec的激光多普勒振動儀為代表,高端的激光多普勒測振儀具有以下兩項主要技術優勢:首先,由于這類系統采用激光作為探測手段,完全無附加質量影響,具有非侵入性,從而能夠在極小和極輕質的結構上進行測量;其次這類系統已經可以實現微米級/亞微米的振幅分辨率,線性度高,在極高頻率范圍內(當前已超過1GHz)和相當大的測量距離范圍內仍能確保振幅測量的一致性。

    在工業研究和開發中, 激光多普勒測振儀不但在機械工程、聲學及其它工程學科和科學領域中用于研究不同物體的動態和聲學特性, 研究對象包括從汽車車身、飛機部件、各類發動機和建筑物等大型物件到MEMS器件和數據硬盤組件等微小物件,甚至可以對發熱物體、旋轉表面、超聲波工具和復雜敏感的結構進行測量。以聲學行業測量為例,為了保證所生成的樂器能產生美妙動人的聲音,激光多普勒振動儀可以盡早地通過振動測量來評判樂器的的聲樂品質;激光振動儀還可以對大功率的揚聲器中可能產生的有害的振膜共振進行識別;甚至用于更為復雜的聲學研究,例如結構聲學響應(聲場)預測,聲學成像和反聲音研究等等。

    當激光多普勒振動儀在科研及生產中獲得越來越廣泛的應用時,其成本和價格則逐漸成為拓廣其應用的瓶頸。為了順應市場對激光多普勒振動儀的需求,摯感(蘇州)光子科技有限公司(下文簡稱摯感光子)推出了基于集成光學芯片技術的數字化的小型激光振動傳感器系列 (參見“激光,實現了從昂貴儀器到通用化傳感器的跨越。這類小型激光振動傳感器采用類似的激光干涉測振設計(見圖1第一部分),本質上是要求兩個源于同一光源的相干光束進行疊加干涉:其中一路光可以視為本地參考光,另一路則為實際測量目標后的回光。光學干涉方法不但可以放大回光的光學信號強度,而且可以通過正交干涉的光路設計直接獲得回光信號的光學相位,從而實現相位-速度-加速度的相關測量。

    順應市場發展 激光振動傳感器實現從高端設備到大規模應用的跨越

    圖1:集成光學實現激光多普勒振動傳感器

    在具體的產品實現上,摯感光子將激光干涉儀的關鍵光學部件完全集成到光學芯片里(見圖1第二部分),并進一步通過混合集成的方式,將光學芯片、激光器、探測器器以及探測用的光學鏡頭通過一體化的封裝集成到一個略等于半個火柴盒大小的模組里。這一設計不但可以近百倍的減小其體積,同時大大方便了激光振動傳感器的大規模量產,從而可以成10倍的減少其成本,為激光振動傳感器的廣泛應用奠定了基礎。除帶光學鏡頭的模組設計外,還實現了帶光纖尾纖的設計,使得其在應用場景上更加靈活 (見圖1第三部分)。圖2則在外觀上對比了Polytec最小體積工業產線用激光多普勒振動儀于與摯感光子的激光振動傳感器。

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