【正文】 共 37 頁 MaximumRatingsAverageCathodeCurrentDensity MaximumRatingsAverageCathodeCurrent*a 5 uA AmbientTemperature *b 75 deg. C LuminousSensitivity(Typ.)*c 20 uA/lm RadiantSensitivity(Typ.) at122nm RadiantSensitivity(Typ.) at254nm RadiantSensitivity(Typ.) atPeak 產(chǎn)品三：英國 thorlabs 公司，型號 PM02 光電倍增模塊 表 英國 thorlabs公司，型號 PM02光電倍增模塊 光譜范圍： 280~850 納米 端窗型光電倍增管結構 靜電和磁屏蔽 轉換增益：陽極電流 1伏 /微安 外殼 SM1 螺紋 外殼 4 個螺紋孔，用于 ER 系列籠式支桿 附帶 120 或 230 伏插接適配器電源 產(chǎn)品四：英國 thorlabs 公司，型號 FDS100CAL,校準過的光電二極管 表 英國 thorlabs公司，型號 FDS100CAL光電二極管 FP 腔 美國微光學公司， MOI(micron optics),網(wǎng)址： 產(chǎn)品名稱：FiberFabryPerotScanningInterferometer(FFPSI)，光纖法布 里 珀羅掃描儀規(guī)格。 Ve 方向恒定，假設葉片相對于測試系統(tǒng)運動為正，那么 ve 恒為正，需要從測量結果中減掉。 圖 激光多普勒測葉片振動 將葉片簡化成一個如圖 所 示的平面，其水平運動速度為 VX，垂直振動速度為VY ，反光膜水平投影距離為 l ，垂直方向投影為 h 。最好此系統(tǒng)能夠在實驗室進行預先標定。方案三不需要組建復雜而精致的幾何光路，只需用柔性的光纖連接各個光學器件即可，簡單可靠。缺點是：適合葉片的高頻振動測試，對于葉片的低頻振動，多普勒頻移量很小，會超出 FB 腔的最小分辨力。本方案的缺點是：系統(tǒng)組件較困難，適合實驗室測試而非工業(yè)測試。 方案選取 方案一，測量振動位移參數(shù)來得到葉片的振動頻率。楔形鏡面表面具有很高的光學質量及高的反射率，所以每當光線和其中任一表面碰到時僅有很少一部分光投射過去，大部分光線被反射回來。調整板件厚度 h，當兩部分反射光之間滿足關系式 ,則會產(chǎn)生相長干涉。 [24] 激光多普勒測量葉片振動（直接測量法） 本方案與方案二的區(qū)別在于用 FP 腔直接分析測量光束的頻率，不需要參考光束，幾何光路用光纖代替，系統(tǒng)結構簡單，組建方便直觀。 （ 2）利用光電倍增管（或光敏二極管）測量多普勒頻移 由于測量光束在經(jīng)過被測振動物體反射后，其頻率和參考光束存在一個差頻△ f，兩束不同頻率的光直接照射在光探測器上，產(chǎn)生了不穩(wěn)定的干涉，即兩束光由于干涉而產(chǎn)生的強度隨時間的變化可以用對應的電場強度隨時間的改變來描述。 第 22 頁 共 37 頁 圖 差拍示意圖 如圖 ，輸入頻率為 f1和 f2的兩個信號（ a）和（ b）相加后得到的結果為（ c），這是由兩個信號交替的相長和相消干涉（或差拍）形成的一個振幅以（ f1f2）調制的波形。 一種是利用光譜儀直接分析混合后的光譜 ， 可 利用法布里—— 珀羅干涉儀來實現(xiàn)。其中一條光束作為測量光束經(jīng)過另一個半透鏡后射向被測物體表 面 ， 另一束光 第 21 頁 共 37 頁 線作為參考光束經(jīng)過反射后射向圖下方的半透鏡 ， 然后和測量光束 一起射向光電倍增管。 激光器 、 半透半反鍍銀分光鏡 PBS、 反射 鏡（或角錐反射鏡 ）、 光敏二極 管（或 光電倍增管 ）、示波器（或信號處理與采集系統(tǒng)） 低頻大振幅或高頻小振幅的振動情況。 兩束光被傳送到各自的角錐反射鏡中 ， 然后反射回分光鏡 中 ， 在探測器中形成干涉光束 。通過光探測器來檢測通過某個點的光強變化，可以“數(shù)”出條紋的移動距離，來推算出物體的移動距離。 確定測量葉片振動的方法 激光干涉法測量葉片振動位移 1 光路圖如下 圖 激光干涉法測位移光路圖一 第 19 頁 共 37 頁 圖 激光干涉法測位移光路圖二 2 測量原理 （ 1）光的干涉：干涉現(xiàn)象是光的波動性獨有的特性，兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象，稱之為光的干涉現(xiàn)象。 目前基于多普勒頻移原理的測速方法有：超聲波多普勒測速、微波多普勒測速和激光多普勒測速。 振動的測量可以通過測量物體相對于平衡位置（理想穩(wěn)定狀態(tài)）的位移的幅度（位移量 s ）、相對于固定參考系的振動速度（速度量 v）以及物體由于振動而產(chǎn)生的加速度（加 速度量 a ）三種方式來實現(xiàn)。 [22]下面我們做一個簡單的推導： 如果波源和觀測者都不動，那么時間 t 內觀測者接收到 tfs 個波長。在運動的波源后面，波被拉長，波長變得較長，頻率變得較低。 4 激光多普勒測量葉片振動頻率 多普勒頻移效應 多普勒頻移效應是為了紀念克里斯琴178。1 級光經(jīng)反射鏡反射后 ,在合光棱鏡處與測量光相遇形成拍頻。于是介質的折射率相應發(fā)生改變 ,這就是當光波平行于聲波波陣面入射時 ,即可觀察到發(fā)生衍射產(chǎn)生的對稱近似等間距排列的多極衍射光 ,從而實現(xiàn)對激光進行調制的目的。 △ vD。 △ v。光電探測器 Dl 對兩倍光頻的和頻信號沒有響應 ,接收到的只是頻率為△ v 的參考差頻信號。在氦氖激光器上沿軸向施加磁場 ,由于塞曼效應激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光 f1和右旋偏振光 f2(常用的雙頻激光干涉儀把這一頻差設計成 )。 [20] （ 1） 磁光調制法 1986 年塞曼發(fā)現(xiàn)了在外磁場的作用下光的頻率有微弱的變化。頻率為 f0+fs 的參考光束和頻率為 f0+fD的反射光束混合并投射到光電探測器上產(chǎn)生拍頻信號 ,經(jīng)電子信號處理系統(tǒng)得到頻率為fDfs 的拍頻信號 ,對其進行分析和處理就可得到所需的振動信號。 3 外差多普勒測量技術 為了解決參考光測量技術的特點 ,1976 年起美國 NASA(美國宇航局 )發(fā)展了外差多普勒測量技術。光束照射點 A 處的表面速度在 X 方向的分量可通過幾何關系得到 : （ 34） 同理 ,光束照射點 B處的軸表面速度在 X 方向上的分量 第 14 頁 共 37 頁 （ 35） 式中 RA,α A及 RB, α B的幾何意義可在圖 ，分別為矢徑和夾角。返回光通過透鏡及其光具組聚焦復合于光電探測器上 ,檢出多普勒信號。K 公 司 推 出 的 角 振 動 測 量 儀TorsionalvibrationTransdueerMM0071 中的扭轉振動傳感器 MM0071 的工作原理圖。顯然 ,被測對象或儀器的移動將會影響測量精度。圖 圖。同時由于光電器件的減少，也減少了干擾因素，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另一束作為參考光束，由 PBS反射到固定的參考反射鏡，再反射回來至 PBS,并透過 PBS照射到光電倍增管，與測量光束匯合，發(fā)生干涉，形成一定的干涉條紋圖形。 [17] 1 參考光測量技術 激光多普勒參考光測量技術的基本原理為 :利用相干的激光來照射振動物體表面，從物體表面散射回來的反射光會發(fā)生頻移。國外一些知名的生產(chǎn)激光多普勒測振儀的廠家，如 Bamp。 70 年代后，國外廠商已經(jīng)開始向市場提供比較完備 的產(chǎn)品并在不斷更新。當傳播物為光波時，就稱為光的多普勒效應。通過探測該信號的變化即可以求得 z39。 激光三角法 激光三角法的振動位移測量原理如圖 23 所示。 [14] 圖 激光散斑測量光路圖 圖 所示為一個激光散斑應用實例。散斑照相法通常利用銀鹽干板做記錄介質，不僅費時費力，操作過程復雜 。 用全息干涉技術可以對物體振動進行非接觸的全場同時測量，從而克服了傳統(tǒng)逐點測量精度低、工作量大等缺點， [12]但由于要用膠片做記錄介質，需要沖洗等費時費力的化學過程，操作過程復雜，并且全息法在許多場合被認為太靈敏，它記錄信息過多，記錄介質的分辨率要求過高，因此很難在實踐中推廣應用。壓電晶體使物體做穩(wěn)定周期運動，對被激振物體進行全息照相，則葉片振動的全部信息都記錄在全息干板 H 上 。這使得全息干涉法測量振動時有很多優(yōu)點。 3 激光測振技術的理論基礎 幾種測振方法 全息干涉法測量技術 早在 1965 年 和 就將全息干涉測量技術應用于振動測試。 [10]在電子超音速傳遞期間，電子會對介質產(chǎn)生應力，從而會影響所產(chǎn)生的超聲的波形，稱為電子應變激發(fā)機理。當高強度、超短光脈沖照射半導體時，共價晶體中原子的價電子脫離原子，但電子來不及在如此短的時間內把過剩能量交給晶格，使電子和聲子在非常短暫的期間會失去熱平衡，從而使電子和聲子各有明確的不同的溫度。 [9] 用兩束來自同一激光器的光脈沖，交叉 (夾角為 ? )同時入射至樣品，在樣品中或表面形成光干涉圖 (光強峰 谷交替 )，受照射處的樣品吸收此柵狀光能而熱致產(chǎn)生超聲(聲子 ) ，稱為熱柵激發(fā)機理。但由于它每次對表面產(chǎn)生約 O． 3um的損傷。 對于金屬，當入射激光脈沖功密度大于 107/cm2時，其表面因吸收光能導致溫度急劇升高，當溫度超過材料的熔點時，會有約幾微米深的表層材料發(fā)生燒蝕， [8]部分原子脫離金屬表面，并在表面附近形成等離子體。熱彈激發(fā)超聲過程中，光能轉化為熱能的效率很低，為了提高熱彈激發(fā)超聲的效率，常在固體表面涂各種涂層 (如水，油 )，以增加表面的光吸收系數(shù) [2][3]。 當金屬表面處于自由狀態(tài)時，淺表層的體積膨脹引起的主要應力平行于材料表面，理論上它相當于時間上是階躍函數(shù) H(t)的切向力源，可以激發(fā)橫波、縱波和表面波。 當脈沖激光投射到不透明固體表面上時，它的能量一部分被反射，另一部分被吸收，并轉化為熱能，使樣品表面產(chǎn)生幾十到幾百度的溫升。對于表面干凈、無約束的固體，如果入射激光的光功率密度低于固體表面的損傷閾值 (金屬材料 — 般為 107W／ cm2)，產(chǎn)生的熱能不足以使固體表面熔化，則在產(chǎn)生超聲過程中，熱彈效應激發(fā)起主要作用；當激光功率密度較高時，固體表面溫度上升使局 部融化，以至出現(xiàn)燒蝕．此時，盡管熱彈激發(fā)效應仍然存在，但是燒蝕激發(fā)效應起決定性的作用。 利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。 激光器及產(chǎn)生超聲機理 激光激發(fā)超聲應選擇恰當?shù)募す夤庠础９怆娞綔y器的輸出信號很小，而且有噪聲，所以需要信號放大處理電路對電信號進行放大，提高信噪比。 激光超聲檢測系統(tǒng)一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。第二種是光學檢測器。 [3] 檢測激光超聲的技術有常用的方法有如下幾種。 自 1960 年以來 ,激光多普勒技術由于在測量中具有高的空間和時間分辨率 ,不接觸測量物體 ,不擾動測量對象 ,能測量原有測速技術難以測量的對象而引人注目?，F(xiàn)代測試技術越來越注重測量結果的精度、效率等，非接觸測量方法高精度、高效率等特點決定了它在未來的測試技術里面不可取代的地位。 目前對振動的測量可以分為兩種方式：接觸式和非接觸式。與傳統(tǒng)的壓電換能器技術相比 , 激光超聲最主要的優(yōu)點是非接觸檢測 , 它消除了壓電換能器技術中的耦合劑的影響 , 可用于各種較復雜形貌試樣的特性檢測 , 加上它又是一種寬帶的檢測技術 , 并能用光波波長為測量標準而精確測量超聲位移 , 所以是一種極有應用前景的新的無損檢測技術。 激光超聲學是利用激光來產(chǎn)生和檢測超聲 ,并開展超聲傳播研究和材料特性無損評估的新興交叉學科。由于振動載荷加快了機械設備的失效，降低機器設備的使用壽命甚至導致?lián)p壞釀成事故，并且振動產(chǎn)生的噪音會污染環(huán)境危害健康，因此如何測量振動并采取措施降低成為當前理論研究的熱點。 [2]目前，幾種常用的非接觸測量方法都是基于激光技術的。目前激光干涉技術已經(jīng)成為加速度計量的最基 第 2 頁 共 37 頁 本溯源手段之一，激光測振儀、激光全息干涉測振儀、電子散斑干涉測量儀、電子散斑剪切干涉測量儀、激光風速儀等各類儀器的性能不斷提高，廣泛地應用于科學實驗室和工程測量。激光多普勒測振技術現(xiàn)在成為科學技術及許多行業(yè)中不可少的檢測方法 ,己經(jīng)從流體和固體的速度測量發(fā)展到了振動測量領域。常用的換能器有電磁、電容、壓電陶瓷換能器、電磁聲換能器和電容聲換能器。作為超聲學新近發(fā)展起來的一個分支，激光超聲學涉及光學、聲學、電學、材料學等學科。光電探測器是由光電二極管構成的，它的作用是將光信號中的超聲信號轉變成電信號。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。激光器可分脈沖激光器和連續(xù)激光器，現(xiàn)在使用脈沖激光器的比較多。根據(jù)激光光束強度的不同，激勵超聲脈沖有兩種機制：熱彈機制和燒蝕機制。這時在照射點附近的表面薄層內產(chǎn)生了急劇的熱膨脹，正是這個熱彈效應激發(fā)了偏振方向與表面平行的應力波，即超聲剪切波。只要激光脈沖很短 (100ns)，則熱擴散效應就很小 [6]，熱彈源位于很薄的表層內 (約