激光多普勒效应微纳测量技术的研究

研究MEMS系统中可动构件(膜、梁、梳、面、弹簧)在承受压力、弯曲等机械负荷及热负荷下的性能，重要途经是测量其在各种条件下的运动量(振动、位移等)．提出了一种MEMS构件微小振动、位移测量系统，采用外差法激光多普勒技术，通过对信号的频谱分析，确定了信号处理单元的适宜频带宽度．对调相多普勒跟踪信号进行相干解调及频率／电压转换，可以实时地得到被测的速度、位移、加速度、频率等参量．实现的测量分辨力为20nm．     

科研

复旦大学全光纤纳米级多用测量系统研制成功复旦大学纳米技术发展中心光纤测量课题组开发的全光纤纳米级多用测量系统,采用光纤无源器件构造干涉光路,以普通光纤作为传感头,将被测试的微位移进行动态分段测试、合成,这种全新的方法具有传统干涉测量方法所不能比拟的优点。全光纤纳米级多用测量系统在位移测试量程方面不受限制,并已在实验室实现了100mm的测试量程,分辨率达到0.1nm数量级。此外,通过专门的处理软件,可实时反演测试量,并可基于对位移(应变)的实时测定获得对象的速度、加速度和振动情况,以及各种微应变,因此是一种纳米级精度的…     

相位调制干涉位移测量系统信号处理方法

为克服激光干涉位移测量系统中直流漂移等低频扰动影响,采用相位调制方法,将有用信号频带移出低频区.对干涉信号,通过乘法操作将被测位移信息变换到调制频率2.5倍频谐波分量的相位上,并利用锁相环解调位移信息.搭建Simulink仿真模型,验证信号处理方法的可行性.结合仿真结果分析直流分量、交流分量幅值等参数对解调结果的影响.结果表明,采用的信号处理方法理论上克服了调制频率对最大测量速度的限制,仿真系统对临界加速度以内的加速信号有良好的追踪能力.     

激光—多普勒弹射冲击速度校准方法

介绍了采用激光－多普勒振干涉系统绝对复现大位移、宽脉冲的冲击加速度量值的方法，说明了干涉系统的构成及原理。这种方法适合于长距离干涉测量和动态干涉测量。     

共路激光干涉测量系统的研究

激光干涉测量系统在精密测量领域占有重要地位,它对温度变化、大气变化、激光波长变化、机械安装误差和外界振动等比较敏感,影响系统的测量精度和稳定性。针对此情况,该文提出一种新型的激光干涉光路,两光臂呈完全共路结构,使干涉条纹信号具有极强的抗干扰能力;对光路进行抗干扰分析和理论推导;构建位移测量系统,进行系统测试实验和误差分析。实验表明,本系统测量分辨力0.72nm,合成标准不确定度5．2nm（k=2）,运行速度0．56mm／s,量程0．01mm。     

光学法复现水声声压中的过零点解调系统设计

激光外差干涉是新一代水声声压基准的主要技术,光学干涉系统中的信号解调算法直接影响质点振速和声压量值。为准确得到测量结果,详细介绍了如何从多普勒信号中得到水质点振速的过零点解调算法,并建立了一套在线解调系统。该系统利用信号源产生两路相互正交的多普勒信号模拟光电二极管的输出,再经差分放大电路后进入示波器进行数据采集,最后由主机软件在线读取数据并完成质点振速解调。实验结果有效验证了过零点算法和解调系统的正确性和稳定性,所设计的过零点解调系统可直接应用于激光外差干涉法复现水声声压。     

超声波测振信号的能量算子解调方法

连续超声波束遇到振动物体表面会产生多普勒效应,反射超声波信号是受振动信号调制的非线性调相信号。对反射波信号求导获得调幅调频信号,再采用能量算子对称差分法,求取该调幅调频信号的瞬时幅值及瞬时频率。鉴于超声波反射回波信号存在幅值衰减现象,而超声波频率不易受外界干扰,故通过调幅调频信号的瞬时频率提取被测物体的振动速度,并由振动速度求导得到振动加速度。同时,从幅值及频率两个方面探讨振动测量范围。仿真及实验结果表明:基于能量算子的超声波测振信号解调方法能有效地提取振动信号,与传统的相位解调方法相比,具有更大的测量范围。     

浅谈激光计米器

一、激光计米器的原理 激光计米器用双光线的激光多普勒干涉测量技术,实现非接触式长度测量.激光源发射出的激光通过光束分离器产生两束光在被测物体表面产生明暗相间的干涉条纹,光检测器通过回收激光检测到干涉条纹的变化,输出相应的电信号.被测物体移动,光检测器获得信号,测出被测物体的速度,并精确计算出通过测量区域的该物体的长度.     

激光─多普勒弹射冲击加速度校准方法

介绍了采用激光─多普勒偏振于涉系统绝对复现大位移、宽脉冲的冲击加速度量值的方法，说明了干涉系统的构成及原理。这种方法适合于长距离干涉测量和动态干涉测量。     

基于DPGC技术的激光干涉纳米振动测量系统

基于数字相位载波调制(DPGC)原理,建立了激光干涉振动测量系统及其信号解调的软硬件处理平台,以24位数字信号采集卡配合64位PC处理器作为硬件电路的核心,实现了参考波形的发生与待测信号的实时采集,利用LabVIEW软件平台构建了DPGC算法,实现了振动信号的实时解调.实验结果表明,基于PC平台的DPGC信号解调方法,降低了传统的模拟PGC技术中模拟乘法器和微分器等硬件电路的漂移和噪声,提高了信号解调精度,改善了系统信噪比,实现了对频率范围10～200Hz低频振动信号的高精度测量,其分辨力达到0.14nm,动态范围达到120dB.     

高加速度超精密激光外差干涉测量模型

为了精确地描述激光外差干涉在高加速度超精密测量中加速度对位移测量精度的影响机理与规律,建立了高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型.通过分析测量棱镜三维运动对多普勒频移的影响,推导出高加速度激光外差干涉位移测量模型.理论分析和仿真实验表明,当测量加速度为9m/s2,匀加速运行的位移为500mm时,由于加速度变化引起的相对论性效应对测量精度的影响为5nm.高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型的建立,可提高激光外差干涉在高加速度超精密测量中的测量精度,为激光外差干涉在高速和超高速测量领域的应用提供了理论依据.     

一种基于残周期拟合的激光测冲击信号解调方法

针对激光干涉法冲击加速度校准中调频信号的数字化解调问题,提出一种基于残周期正弦波拟合的解调方法,使用约1/5周期的残周期正弦波模型进行滑动拟合,实现FM信号的数字化解调,对激光多普勒冲击信号波形具有良好的适应性,无需信号的截取等操作,拥有良好的算法稳定性和一个采样间隔的时间分辨力。在一组实际测量波形上的实验,验证了所述方法的正确性与可行性,为冲击加速度的计算提供了另外一种有效实用的数据处理方式。上述方法也可用于外差式激光干涉振动信号的解调。     

基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统北大核心CSCD

为解决传统分离镜组式干涉仪体积较大,无法在空间受限的环境条件下应用的问题,开展了全光纤F-P干涉位移测量技术研究。根据干涉原理分析了不同反射率条件对干涉信号形式的影响,计算得出:当反射率为4%时,多光束干涉的光强信号将近似为正弦函数,并利用有限元仿真对位移测量原理进行验证。设计搭建了基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统。实验结果表明:该系统在1 min内静态噪声电压标准差为23.3 mV;在1 mm位移范围内,该系统与XL-80激光干涉仪的测量结果呈现高度线性关系,线性相关系数R 2为1,且该系统位移测量重复性优于XL-80激光干涉仪。     

激光干涉波形解调测量振动相位新方法

激光干涉频比计数法广泛应用于绝对法振动标准装置,针对频比计数法只能测量振幅不能得到振动相位,提出一种利用激光干涉条纹与振动台运动位移之间的关系,实现测量振动相位的新方法,并给出激光干涉波形解调测量振动相位的数学模型。该方法基于零差的迈克尔逊激光干涉仪,利用高速采集器同步采集激光干涉信号和传感器信号,并在Lab VIEW虚拟仪器开发平台上,软件解调振动波形,实现振动幅值和振动相位的实时测量。测量结果与正弦逼近法相一致。     

可判向光纤位移干涉仪在振动测量中的应用

提出了基于光学多普勒效应和外差方法设计的可判向光纤位移干涉仪,装置采用光通信行业中已经发展成熟的器件,主要有带尾纤的半导体激光器、1×2光纤耦合器、三端口环形器、光纤探头、3×3光纤耦合器、探测器以及示波器等构成.在原有结构的基础上,增加了光纤放大器和光纤滤波器,大大提高了信号光光强.结合李萨如图形给出了可判向光纤位移干涉仪的信号处理方法.利用该干涉仪测量了压电陶瓷的振动,实验表明能够测量的最小振动峰峰值为0.43 μm,并根据实验分析了干涉仪测量微位移的一些制约因素.研究表明,制约干涉仪测量微位移能力的主要因素是3×3光纤耦合器的非理想性,如3×3光纤耦合器输出干涉信号的位相差不恒定.     

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

介绍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。     

基于多普勒加速度计扭振测量的研究

报告了一种基于激光多普勒角加速度计原理进行扭振测量的新方法，分析了工作原理，推导出光路部分的数学模型，并通过实验验证了测量方法的可行性。由高相干激光器发出激光投射到转轴同一个截面上2点，两束反射光发生多普勒频移，通过光学配置，使前后两个时刻光信号在光探测器上发生光学混频，进而直接测量到转轴转动角加速度，实现扭振测量。与其它激光多普勒扭振测量方法相比，极大地扩大了扭振测量的动态范围，对大型回转机械运行状态监测和故障诊断具有实用价值。     

干涉型光纤传感器光正交外差解调技术研究

针对干涉型光纤传感器信号传感的原理特点,本文提出了一种光正交外差解调技术.该方法使用可调光纤延时线进行传感光信号延迟的精确调整以实现正交外差解调,从而减少了光电探测器的低频噪声影响.与常规的外差解调技术相比,提出的解调结构方案消除了电子移相元件所带来的额外电子噪声与环境温度变换引起的相位漂移.通过压电陶瓷环谐振特性测量实验,表明了提出的基于光正交外差的干涉型光纤传感器解调技术可以有效地进行干涉振动信号的解调,实验取得的最小可探测相移量可达到9.2× 10-5 rad.     

基于MATLAB的PDV系统数据处理算法与实现

光子多普勒测振(Photonic Doppler Vibrometer,PDV)系统具有测量精度高、空间分辨力高、动态响应快等优点,适用于高温、高压、高速等特殊环境,应用范围广泛。数据处理是PDV系统的重要技术部分,旨在从含有大量噪声的测量数据中获得被测运动体的速度信息。本文在条纹法的基础上,针对原始信号的去噪、奇异点等问题,分别采用移动均值滤波以及小波变换法进行处理,最终得到被测物体的振动信息。利用激振台与经校准的激光测振仪进行振动测试对比实验,验证了该数据处理方法的可靠性和普适性。     

远距离高精度多普勒位移测量

通过泛函、激光散斑理论和随机过程各态遍历的研究,导出激光多普勒信号强度与聚焦光斑直径、接收透镜通光口径、光电接收器响应等参数间的关系,在此基础上设计出一种适用于远距离处面内位移测量的光路。此光路将高斯光束束腰聚焦在被测体上,实现最小聚焦光斑和平面波叠加,此外采用大口径透镜接收散射光,用响应度高的光电接收器转换光电信号等措施获得高强度高信噪比的测量信号。将此光路用于 100m 处面内位移(49.70mm)测量,其精度可达 2%。此设计方法能用于振动或地震波的高精度检测。