【正文】 最后，在此也感謝各位學(xué)術(shù)前輩對(duì)本文的評(píng)議和指導(dǎo)！ 第 40 頁(yè) 共 37 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。afion of Ultrasonic Waves Using an Array of Laser Sorces” ,Ultrasonics,1996， 34(1)： 6977. [24] 錢夢(mèng)碌，張萬(wàn)容，吳田成，激光熱彈激發(fā)起聲脈沖的特性研究 [J]，聲學(xué)學(xué)報(bào)， 1995， 20(1)： 110. [25] ， R， Crygier,P． Hess,etal．“ Broad bend detection of laserexcited surface acoustic waves by a novel transducer employing ferroelectric 第 38 頁(yè) 共 37 頁(yè) polymers”． JAcoustic, Soc． Ant， 1992,92(5)： 28902983． [26] 尹向?qū)?，趙玉華，激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)代物理知識(shí) [J],2020， 15： 2527 [27] 白世武，龔育良，空間準(zhǔn)直性對(duì)激光外差干涉信噪比的影響 [J]，光學(xué)儀器， 1994， 16： 1— 5 [28] 趙洋，周抵李達(dá)成外差干涉儀中聲光調(diào)制器特性對(duì)測(cè)量精度的影響 [J]，光學(xué)學(xué)報(bào) 1999,19(10)： 13681374． [29] ． “ Nearfield ultrasonic Rayleigh waves form a laser line South”，Ultrasonic, 1996， 34： 18. [30] Qia Menflu, Pan Yongdong, Zhang Zhongxian ， “ Measurement of ultrasonic Displacement vector whith a FP interferometer”， Acoust． Soc． Am， 1998， 103（ 5）： 3048. [31] RJ． Dewhurst,Q． Shan． “ Optical remote measurement of ultrasound” ,Meas Sci． Technal 10： 139168(1999). 第 39 頁(yè) 共 37 頁(yè) 致 謝 本課題的全部工作是在我的導(dǎo)師 王洪福 教授的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的。還可以測(cè)量高頻振動(dòng)加速度峰值和平均值，測(cè)量低頻振動(dòng)速度有效值。使用激光進(jìn)行非接觸式測(cè)量，記錄被測(cè)體在振動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，并用最大值減去最小值得到振幅。和普通振動(dòng)測(cè)量?jī)x不同，不僅可以測(cè)量齒輪的振動(dòng)程度和頻率，還可以測(cè)量作業(yè)中的齒輪的輪廓，從而檢測(cè)齒輪的損耗程度，對(duì)齒輪性能、安全進(jìn)行評(píng)估，使用軟件算法對(duì)齒輪耗損程度作出智能判斷和報(bào)警輸出。 小結(jié) 激光測(cè)振與人類的生產(chǎn)生活是息息相關(guān)的，在材料探傷、機(jī)械系統(tǒng)的故障診斷、噪聲消除、結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)特性分析及振動(dòng)的有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證等方面廣泛應(yīng)用。檢測(cè)樣品表面被高度拋光。 [28] 光聲能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題 增強(qiáng)激光超聲的強(qiáng)度就提高激光能量轉(zhuǎn)換到超聲能量的效率。 快速超聲掃描成像 由于超聲波的產(chǎn)生與接收均不需要耦合劑，而且激光的掃描速度也比機(jī)械式快許多，因此利用激光超聲系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)快速超聲掃描成像。對(duì)于氮化硅，碳化硅，三氧化二鋁和二氧化鋯等陶瓷材料，利用激光超聲測(cè)定它們的楊氏模量和泊松比，精度可達(dá) l％。 缺陷檢測(cè)。 材料特性的檢測(cè) 由于超聲能透入金屬 內(nèi)部，大多數(shù)需要測(cè)量的材料特性參數(shù)不是影響超聲速度，就是影響超聲衰減，或者對(duì)二者都有影響。在這種檢測(cè)系統(tǒng)中，最引人注目的系統(tǒng)之一，就是 LGAP 與光探針相結(jié)合，所構(gòu)成的全光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。 圖 激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集 （ a）低轉(zhuǎn)速的有效時(shí)程 第 32 頁(yè) 共 37 頁(yè) （ b）低轉(zhuǎn)速時(shí)的傅里葉譜 （ c）低轉(zhuǎn)速時(shí)的傅里葉譜 —— 去直流分量 圖 葉片低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的時(shí)域和頻域特性曲線 實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明 ， 該技術(shù)適合測(cè)量葉片振動(dòng)的高頻成分 。系統(tǒng)包括激光測(cè)振儀、示波器、信號(hào)分析儀和風(fēng)扇，如圖 。 表 光纖法布 里 珀羅掃描儀規(guī)格 光學(xué)參數(shù) 工作波長(zhǎng)范圍 8001600nm 光譜范圍 GHz 3db 帶寬 1550MHz 第 30 頁(yè) 共 37 頁(yè) 插入損失 3到 5db 輸入功率 100mW 電學(xué)參數(shù) 控制電壓 12V 電容值 轉(zhuǎn)換速率 10V/ms 最大控制電壓 70V 外觀參數(shù) 尺寸 179。 假設(shè)從光電倍增管或法布里 —— 泊羅解調(diào)處的測(cè)量光束頻移量為 f，那么葉片垂直方向振動(dòng)總速度為： 第 27 頁(yè) 共 37 頁(yè) （ 413） 器件的選擇 激光器 產(chǎn)品一：日本 hamamatsu 公司，產(chǎn)品如下： 表 hamamatsu公司 可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光器編號(hào)為 L10209。假設(shè)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，反光膜粘貼在葉片半徑為 r 處。 2．準(zhǔn)備一種接觸式測(cè)量方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。 具體實(shí)施如下： 1．架設(shè)光路。優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于組建，可以重復(fù)使用，適用于工業(yè)測(cè)試。優(yōu)點(diǎn)是：由于采用光探測(cè)器來(lái)解調(diào)混合后的光信號(hào)，測(cè)試范圍較廣，與濾波電路配合可以很靈活地處理數(shù)據(jù)。由于葉片運(yùn)動(dòng)速度引起的多普勒頻移會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的干擾，系統(tǒng)適用于低頻大振幅或高頻小振幅的振動(dòng)情況。 [25]這樣經(jīng)過(guò)多次反射后，每次反射的透射光線經(jīng)過(guò)透鏡的聚焦，在 一點(diǎn)發(fā)生干涉。 圖 法布里 珀羅干的多束光反射 （ 2 ）法布里 —— 珀羅干涉儀 第 25 頁(yè) 共 37 頁(yè) 法布里 —— 珀羅干涉儀是光譜分辨率極高的多光束干涉儀，其原理：平行表面反射所產(chǎn)生的多光束之間的干涉是法布里 —— 珀羅干涉儀的基礎(chǔ)。 第 24 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 基于 FP腔的激光多普勒測(cè)振光路圖 FP 腔（ Fabryperot Cavity）是基于法布里 —— 珀羅干涉原理的高精密光譜分析器件。 假設(shè)沒(méi)有發(fā)生多普勒頻移的光束所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間 t 的改變表 示為： （ 46） 式中： Es電場(chǎng)幅度 第 23 頁(yè) 共 37 頁(yè) Fx激光頻率 發(fā)生多普勒頻移后的廣場(chǎng)強(qiáng)度為： （ 47） 式中：△ f多普勒頻移 對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)的幅度 Es 是一個(gè)常數(shù)，光電倍增管處測(cè)量的光的電場(chǎng)強(qiáng)度 I（ t）是兩者的疊加，可以表示為： （ 48） 經(jīng)過(guò)三角函數(shù)變換后： （ 49） 因?yàn)槎嗥绽疹l移△ f 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波本身的頻率 fs ，實(shí)際上測(cè)量的得到電場(chǎng)強(qiáng)度的幅值被余弦函數(shù) cos(2π△ ft)調(diào)制。將（ c）整流或檢測(cè)后產(chǎn)生輸出（ d），其中包含了一個(gè)直流分量和以拍頻（ f1f2）變化的輸出。 （ 1） 光學(xué)差拍 光學(xué)差拍技術(shù)是兩個(gè)光束的外差或依賴于時(shí)間的干涉。測(cè)量光束經(jīng)過(guò)測(cè)量物體的漫反射（或貼反光膜反射）后， 頻率發(fā)生改變 fs???f， 與參考光束一起進(jìn)入光電倍增管進(jìn)行混頻。由于多普勒頻移的存在，使得測(cè)量結(jié) 果受到一定影響，如果振動(dòng)速度不大，對(duì)于測(cè)量平均位移來(lái)說(shuō)仍有較高的精度。 如果兩光光程差不變化 ， 探測(cè)器將在相長(zhǎng)干涉和 相消干 涉 的兩 端 之間 的 某 第 20 頁(yè) 共 37 頁(yè) 個(gè)位 置 觀察 到 一個(gè) 穩(wěn) 定的信 號(hào) （即 干 涉條 紋 不動(dòng) ）。 如圖 ，一個(gè)角錐反射鏡緊緊固定在分光鏡上，形成固定長(zhǎng)度參考光束。明與暗的間隔為半個(gè)波長(zhǎng)，即λ /2 。超聲波多普勒測(cè)速在日常生活中常見的應(yīng)用包括：自動(dòng)門開關(guān)、防盜報(bào)警、交警對(duì)超速車輛的監(jiān)查、氣象雷達(dá)等。由數(shù)學(xué)關(guān)系：， ,。如果觀測(cè)者相對(duì)于波源以速度 v 運(yùn)動(dòng)（向波源方向運(yùn)動(dòng)為正，相反為負(fù)），那么相當(dāng)于在時(shí)間 t內(nèi)，觀測(cè)者多接收到了 vt/λ 個(gè)波長(zhǎng)。波源的速度越高，產(chǎn)生的頻移效應(yīng)越大。多普勒178。當(dāng)棱鏡 M移動(dòng)時(shí) ,由于多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生頻率變化△ f。 圖 聲光調(diào)制測(cè)量系統(tǒng)光路圖 圖 為利用聲光調(diào)制測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行位移測(cè)量的原理圖。多普勒頻移對(duì)測(cè)量時(shí)間積分 ,也就是說(shuō)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)就可以測(cè)出測(cè)量反射鏡的位移量。 (正負(fù)號(hào)取決于測(cè)量反射鏡的運(yùn)動(dòng)方向 ),D2接收到的測(cè)量信號(hào)頻率為△ v177。另一束光透過(guò)半透半反鏡 B1 向前傳播 ,進(jìn)入偏振分光棱鏡 B2后 ,偏振方向垂直紙面的 vl被完全反射 ,偏振方向在紙面內(nèi)的 v2完全透射。通過(guò) 1/4 波片后 ,f1和 f2變成相互垂直的線偏振光 vl和 v2,又被半透半反鏡 (PBS)Bl分成兩束。光源發(fā)出的光在磁場(chǎng)的作用下 ,由于分裂成有一定頻率差的左旋偏振光和右旋偏振光。這種光路結(jié)構(gòu)能分辨出被測(cè)表面的運(yùn)動(dòng)方向。其原理是通過(guò)光頻調(diào)制器將參考光作一頻移。 兩反射光經(jīng)光具組會(huì)聚在同意光電二極管上，迭加后的合成光強(qiáng)為： （ 36） 上式中 2ω d/λ即為多普勒拍頻。圖 ,軸的橫截面形狀可以是任意的。 第 13 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 角振動(dòng)測(cè)量?jī)x光路圖 傳感器的發(fā)光元件是激光器。二是在實(shí)際中 ,被測(cè)對(duì)象會(huì)出現(xiàn)橫振現(xiàn)象 ,該振動(dòng)在切向上的分量將會(huì)混淆數(shù)據(jù) ,差動(dòng)結(jié)構(gòu)不能把橫振從扭振 中區(qū)分出來(lái)。在該光學(xué)結(jié)構(gòu)中 ,光電探測(cè)器輸出的多普勒拍頻 fD為： (33) 式中 v是在光束交叉點(diǎn)處的切向表面速度 ,λ是激光波長(zhǎng) ,(2一 3)θ是入射激光束的夾角。 [18]但是由于參考 光和測(cè)量光是同一束激光經(jīng)分光鏡一分為二得來(lái)的，當(dāng)測(cè)量光發(fā)生頻移和參考光混頻時(shí)，無(wú)論測(cè)量光的頻率怎樣變，兩束光的差頻總是正的。當(dāng)被測(cè)物發(fā)生振動(dòng)時(shí)，測(cè)量光束與參考光束的光程差發(fā)生變化，干涉條紋移動(dòng)，光電倍增管接受到的光信號(hào)發(fā)生明暗交替的變化。利用光學(xué)與電子學(xué)的方法測(cè)出散射光的頻移，便可得到振動(dòng)表面的振幅、振頻、速度和加速度等各個(gè)振動(dòng)參數(shù)。K公司、德國(guó)的 Polytec 公司，已經(jīng)制造出了相應(yīng)型號(hào)的激光多普勒測(cè)振儀。激光多普勒測(cè)振方法現(xiàn)在成為科學(xué)技術(shù)及許多行業(yè)中不可少的控測(cè)方法，已經(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。 [16] 激光的多普勒效應(yīng)最初用于 流體的流速的測(cè)量，如今其應(yīng)用已發(fā)展到很多場(chǎng)合，如血液流速測(cè)量、風(fēng)速測(cè)量、位移測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等等。則 z 為 (31) 通常為了安裝方便使 PSD 平面與透鏡 L2 的光軸垂直。 HeNe 激光器發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射透鏡L1 匯聚于被測(cè)物體表面的 O點(diǎn)處形成入射光點(diǎn)，該光點(diǎn)在空間的部分散射，光通過(guò)接收透鏡 L2 匯聚到光電探測(cè)器 PSD(位置敏感器件 )上形成像光點(diǎn) O39。由激光發(fā)生器發(fā)出的光經(jīng)反射鏡 M，到分光鏡 M2，在 M2處分成光強(qiáng)相等的兩束相干光，兩束光分別經(jīng)反射鏡 M3 和 M4，擴(kuò)束鏡 M8和 M5 擴(kuò)束和準(zhǔn)直鏡 M7 和 M6 變?yōu)閮墒叫泄馊肷涞戒X板背面，在鋁板表面前方相互干涉形成散斑場(chǎng)。而且干涉條紋圖的處理極其費(fèi)時(shí)，這導(dǎo)致了推廣干涉技術(shù)的困難。 第 7 頁(yè) 共 37 頁(yè) 散斑法測(cè)量技術(shù) 激光散斑振動(dòng)測(cè)量技術(shù)是利用激光的高相干性，激光照射到物體粗糙表面時(shí)將產(chǎn)生散斑場(chǎng)，該散 斑場(chǎng)記錄了被測(cè)物體表面的信息，并對(duì)該散斑場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字圖像處理，就能以干涉條紋的形式得出被測(cè)信息的等高線，通過(guò)條紋判斷使能得到振動(dòng)物體的位移。處理干板后，用參考光再現(xiàn)，便可得到葉片在某固有頻率下的振型圖。例如葉片振動(dòng)測(cè)量 :在葉片的損壞中，有近 90%是由于共振振裂或振斷 的。全息干涉測(cè)量技術(shù)是將同一光束在不同時(shí)刻的波全紀(jì)錄于同一張全息圖上，當(dāng)用原參考 第 6 頁(yè) 共 37 頁(yè) 光再現(xiàn)時(shí)就會(huì)形成兩個(gè)以上的三維像。電子對(duì)介質(zhì)的應(yīng)力將加寬波形，加寬的程度和電子 聲子復(fù)合程度有關(guān)。其中。熱柵法已能激發(fā)頻率可變 (3MHz 30G Hz)的超聲。所以只能用于某些場(chǎng)合，且通常用來(lái)產(chǎn)生縱波。這一過(guò)程可產(chǎn)生很強(qiáng)的垂直于表面的反 f作用力脈沖，相當(dāng)于給表面施加 — 個(gè)時(shí)間為沖擊函數(shù)δ（ t）的法向力。同樣，采用脈沖寬度極窄的高能量密度光束照射，也可以獲得較高的聲波能量。在熱彈機(jī)制下，主要的應(yīng)力是與表面平行的，雖然也有與表面垂直方向的應(yīng)力，但很小。對(duì)于電導(dǎo)率很大的固體 (如金屬 )。