【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(hào) PM02 光電倍增模塊 表 英國 thorlabs公司，型號(hào) PM02光電倍增模塊 光譜范圍： 280~850 納米 端窗型光電倍增管結(jié)構(gòu) 靜電和磁屏蔽 轉(zhuǎn)換增益：陽極電流 1伏 /微安 外殼 SM1 螺紋 外殼 4 個(gè)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(hào) FDS100CAL,校準(zhǔn)過的光電二極管 表 英國 thorlabs公司，型號(hào) FDS100CAL光電二極管 FP 腔 美國微光學(xué)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(shè)葉片相對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)為正，那么 ve 恒為正，需要從測(cè)量結(jié)果中減掉。 圖 激光多普勒測(cè)葉片振動(dòng) 將葉片簡化成一個(gè)如圖 所 示的平面，其水平運(yùn)動(dòng)速度為 VX，垂直振動(dòng)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定。方案三不需要組建復(fù)雜而精致的幾何光路，只需用柔性的光纖連接各個(gè)光學(xué)器件即可，簡單可靠。缺點(diǎn)是：適合葉片的高頻振動(dòng)測(cè)試，對(duì)于葉片的低頻振動(dòng)，多普勒頻移量很小，會(huì)超出 FB 腔的最小分辨力。本方案的缺點(diǎn)是：系統(tǒng)組件較困難，適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試而非工業(yè)測(cè)試。 方案選取 方案一，測(cè)量振動(dòng)位移參數(shù)來得到葉片的振動(dòng)頻率。楔形鏡面表面具有很高的光學(xué)質(zhì)量及高的反射率，所以每當(dāng)光線和其中任一表面碰到時(shí)僅有很少一部分光投射過去，大部分光線被反射回來。調(diào)整板件厚度 h，當(dāng)兩部分反射光之間滿足關(guān)系式 ,則會(huì)產(chǎn)生相長干涉。 [24] 激光多普勒測(cè)量葉片振動(dòng)（直接測(cè)量法） 本方案與方案二的區(qū)別在于用 FP 腔直接分析測(cè)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(jié)構(gòu)簡單，組建方便直觀。 （ 2）利用光電倍增管（或光敏二極管）測(cè)量多普勒頻移 由于測(cè)量光束在經(jīng)過被測(cè)振動(dòng)物體反射后，其頻率和參考光束存在一個(gè)差頻△ f，兩束不同頻率的光直接照射在光探測(cè)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(qiáng)度隨時(shí)間的變化可以用對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)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(gè)信號(hào)（ a）和（ b）相加后得到的結(jié)果為（ c），這是由兩個(gè)信號(hào)交替的相長和相消干涉（或差拍）形成的一個(gè)振幅以（ f1f2）調(diào)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(shí)現(xiàn)。其中一條光束作為測(cè)量光束經(jīng)過另一個(gè)半透鏡后射向被測(cè)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(cè)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(hào)處理與采集系統(tǒng)） 低頻大振幅或高頻小振幅的振動(dòng)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(cè)器中形成干涉光束 。通過光探測(cè)器來檢測(cè)通過某個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)變化，可以“數(shù)”出條紋的移動(dòng)距離，來推算出物體的移動(dòng)距離。 確定測(cè)量葉片振動(dòng)的方法 激光干涉法測(cè)量葉片振動(dòng)位移 1 光路圖如下 圖 激光干涉法測(cè)位移光路圖一 第 19 頁 共 37 頁 圖 激光干涉法測(cè)位移光路圖二 2 測(cè)量原理 （ 1）光的干涉：干涉現(xiàn)象是光的波動(dòng)性獨(dú)有的特性，兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)相互疊加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)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(cè)速方法有：超聲波多普勒測(cè)速、微波多普勒測(cè)速和激光多普勒測(cè)速。 振動(dòng)的測(cè)量可以通過測(cè)量物體相對(duì)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(duì)于固定參考系的振動(dòng)速度（速度量 v）以及物體由于振動(dòng)而產(chǎn)生的加速度（加 速度量 a ）三種方式來實(shí)現(xiàn)。 [22]下面我們做一個(gè)簡單的推導(dǎo)： 如果波源和觀測(cè)者都不動(dòng)，那么時(shí)間 t 內(nèi)觀測(cè)者接收到 tfs 個(gè)波長。在運(yùn)動(dòng)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(cè)量葉片振動(dòng)頻率 多普勒頻移效應(yīng) 多普勒頻移效應(yīng)是為了紀(jì)念克里斯琴178。1 級(jí)光經(jīng)反射鏡反射后 ,在合光棱鏡處與測(cè)量光相遇形成拍頻。于是介質(zhì)的折射率相應(yīng)發(fā)生改變 ,這就是當(dāng)光波平行于聲波波陣面入射時(shí) ,即可觀察到發(fā)生衍射產(chǎn)生的對(duì)稱近似等間距排列的多極衍射光 ,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制的目的。 △ vD。 △ v。光電探測(cè)器 Dl 對(duì)兩倍光頻的和頻信號(hào)沒有響應(yīng) ,接收到的只是頻率為△ v 的參考差頻信號(hào)。在氦氖激光器上沿軸向施加磁場(chǎng) ,由于塞曼效應(yīng)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(shè)計(jì)成 )。 [20] （ 1） 磁光調(diào)制法 1986 年塞曼發(fā)現(xiàn)了在外磁場(chǎng)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(cè)器上產(chǎn)生拍頻信號(hào) ,經(jīng)電子信號(hào)處理系統(tǒng)得到頻率為fDfs 的拍頻信號(hào) ,對(duì)其進(jìn)行分析和處理就可得到所需的振動(dòng)信號(hào)。 3 外差多普勒測(cè)量技術(shù) 為了解決參考光測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn) ,1976 年起美國 NASA(美國宇航局 )發(fā)展了外差多普勒測(cè)量技術(shù)。光束照射點(diǎn) A 處的表面速度在 X 方向的分量可通過幾何關(guān)系得到 : （ 34） 同理 ,光束照射點(diǎn) 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(fù)合于光電探測(cè)器上 ,檢出多普勒信號(hào)。K 公 司 推 出 的 角 振 動(dòng) 測(cè) 量 儀TorsionalvibrationTransdueerMM0071 中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳感器 MM0071 的工作原理圖。顯然 ,被測(cè)對(duì)象或儀器的移動(dòng)將會(huì)影響測(cè)量精度。圖 圖。同時(shí)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(cè)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(cè)量技術(shù) 激光多普勒參考光測(cè)量技術(shù)的基本原理為 :利用相干的激光來照射振動(dòng)物體表面，從物體表面散射回來的反射光會(huì)發(fā)生頻移。國外一些知名的生產(chǎn)激光多普勒測(cè)振儀的廠家，如 Bamp。 70 年代后，國外廠商已經(jīng)開始向市場(chǎng)提供比較完備 的產(chǎn)品并在不斷更新。當(dāng)傳播物為光波時(shí)，就稱為光的多普勒效應(yīng)。通過探測(cè)該信號(hào)的變化即可以求得 z39。 激光三角法 激光三角法的振動(dòng)位移測(cè)量原理如圖 23 所示。 [14] 圖 激光散斑測(cè)量光路圖 圖 所示為一個(gè)激光散斑應(yīng)用實(shí)例。散斑照相法通常利用銀鹽干板做記錄介質(zhì)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，操作過程復(fù)雜 。 用全息干涉技術(shù)可以對(duì)物體振動(dòng)進(jìn)行非接觸的全場(chǎng)同時(shí)測(cè)量，從而克服了傳統(tǒng)逐點(diǎn)測(cè)量精度低、工作量大等缺點(diǎn)， [12]但由于要用膠片做記錄介質(zhì)，需要沖洗等費(fèi)時(shí)費(fèi)力的化學(xué)過程，操作過程復(fù)雜，并且全息法在許多場(chǎng)合被認(rèn)為太靈敏，它記錄信息過多，記錄介質(zhì)的分辨率要求過高，因此很難在實(shí)踐中推廣應(yīng)用。壓電晶體使物體做穩(wěn)定周期運(yùn)動(dòng)，對(duì)被激振物體進(jìn)行全息照相，則葉片振動(dòng)的全部信息都記錄在全息干板 H 上 。這使得全息干涉法測(cè)量振動(dòng)時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)。 3 激光測(cè)振技術(shù)的理論基礎(chǔ) 幾種測(cè)振方法 全息干涉法測(cè)量技術(shù) 早在 1965 年 和 就將全息干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)試。 [10]在電子超音速傳遞期間，電子會(huì)對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而會(huì)影響所產(chǎn)生的超聲的波形，稱為電子應(yīng)變激發(fā)機(jī)理。當(dāng)高強(qiáng)度、超短光脈沖照射半導(dǎo)體時(shí)，共價(jià)晶體中原子的價(jià)電子脫離原子，但電子來不及在如此短的時(shí)間內(nèi)把過剩能量交給晶格，使電子和聲子在非常短暫的期間會(huì)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(shí)入射至樣品，在樣品中或表面形成光干涉圖 (光強(qiáng)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(jī)理。但由于它每次對(duì)表面產(chǎn)生約 O． 3um的損傷。 對(duì)于金屬，當(dāng)入射激光脈沖功密度大于 107/cm2時(shí)，其表面因吸收光能導(dǎo)致溫度急劇升高，當(dāng)溫度超過材料的熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)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(zhuǎn)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(dāng)金屬表面處于自由狀態(tài)時(shí)，淺表層的體積膨脹引起的主要應(yīng)力平行于材料表面，理論上它相當(dāng)于時(shí)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(dāng)脈沖激光投射到不透明固體表面上時(shí)，它的能量一部分被反射，另一部分被吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能，使樣品表面產(chǎn)生幾十到幾百度的溫升。對(duì)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(yīng)激發(fā)起主要作用；當(dāng)激光功率密度較高時(shí)，固體表面溫度上升使局 部融化，以至出現(xiàn)燒蝕．此時(shí)，盡管熱彈激發(fā)效應(yīng)仍然存在，但是燒蝕激發(fā)效應(yīng)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(jī)理 激光激發(fā)超聲應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)募す夤庠?。光電探測(cè)器的輸出信號(hào)很小，而且有噪聲，所以需要信號(hào)放大處理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，提高信噪比。 激光超聲檢測(cè)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(xué)檢測(cè)器。 [3] 檢測(cè)激光超聲的技術(shù)有常用的方法有如下幾種。 自 1960 年以來 ,激光多普勒技術(shù)由于在測(cè)量中具有高的空間和時(shí)間分辨率 ,不接觸測(cè)量物體 ,不擾動(dòng)測(cè)量對(duì)象 ,能測(cè)量原有測(cè)速技術(shù)難以測(cè)量的對(duì)象而引人注目?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)越來越注重測(cè)量結(jié)果的精度、效率等，非接觸測(cè)量方法高精度、高效率等特點(diǎn)決定了它在未來的測(cè)試技術(shù)里面不可取代的地位。 目前對(duì)振動(dòng)的測(cè)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(shù)相比 , 激光超聲最主要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸檢測(cè) , 它消除了壓電換能器技術(shù)中的耦合劑的影響 , 可用于各種較復(fù)雜形貌試樣的特性檢測(cè) , 加上它又是一種寬帶的檢測(cè)技術(shù) , 并能用光波波長為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)而精確測(cè)量超聲位移 , 所以是一種極有應(yīng)用前景的新的無損檢測(cè)技術(shù)。 激光超聲學(xué)是利用激光來產(chǎn)生和檢測(cè)超聲 ,并開展超聲傳播研究和材料特性無損評(píng)估的新興交叉學(xué)科。由于振動(dòng)載荷加快了機(jī)械設(shè)備的失效，降低機(jī)器設(shè)備的使用壽命甚至導(dǎo)致?lián)p壞釀成事故，并且振動(dòng)產(chǎn)生的噪音會(huì)污染環(huán)境危害健康，因此如何測(cè)量振動(dòng)并采取措施降低成為當(dāng)前理論研究的熱點(diǎn)。 [2]目前，幾種常用的非接觸測(cè)量方法都是基于激光技術(shù)的。目前激光干涉技術(shù)已經(jīng)成為加速度計(jì)量的最基 第 2 頁 共 37 頁 本溯源手段之一，激光測(cè)振儀、激光全息干涉測(cè)振儀、電子散斑干涉測(cè)量儀、電子散斑剪切干涉測(cè)量儀、激光風(fēng)速儀等各類儀器的性能不斷提高，廣泛地應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和工程測(cè)量。激光多普勒測(cè)振技術(shù)現(xiàn)在成為科學(xué)技術(shù)及許多行業(yè)中不可少的檢測(cè)方法 ,己經(jīng)從流體和固體的速度測(cè)量發(fā)展到了振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)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(xué)新近發(fā)展起來的一個(gè)分支，激光超聲學(xué)涉及光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科。光電探測(cè)器是由光電二極管構(gòu)成的，它的作用是將光信號(hào)中的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。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(qiáng)度的不同，激勵(lì)超聲脈沖有兩種機(jī)制：熱彈機(jī)制和燒蝕機(jī)制。這時(shí)在照射點(diǎn)附近的表面薄層內(nèi)產(chǎn)生了急劇的熱膨脹，正是這個(gè)熱彈效應(yīng)激發(fā)了偏振方向與表面平行的應(yīng)力波，即超聲剪切波。只要激光脈沖很短 (100ns)，則熱擴(kuò)散效應(yīng)就很小 [6]，熱彈源位于很薄的表層內(nèi) (約