激光干涉儀在振動計量中的應用

激光測振及其常用方法

  一般振動測試大致可以分為兩類。一類是測量設備和結構所存在的振動；另一類則是對設備或結構施加某種激勵，對其產(chǎn)生的振動進行測量。此類測振的目的是研究設備或結構的力學動態(tài)特性，然后根據(jù)對所測得的振動信號進行求和、平均、積分、微分等處理，計算出被測點的位移或速度、加速度和振動頻率；或者對所測得的振動信號在時域、頻域內作進一步地分析和處理，如譜分析、相關分析等，進而確定被測對象的固有頻率、阻尼比、剛度、振型等振動參數(shù)，確定被測對象的頻率響應特性。激光測量這種非接觸測量由于其良好的精準性和實時性，已經(jīng)成為測量領域的熱點。同時由于電子學和光學技術的飛速發(fā)展，光電檢測已經(jīng)成為非接觸測量的一種主要方式。

激光干涉法

  利用激光的干涉特性，以激光的波長等參數(shù)為基礎，對元件的振動進行測量的方法叫激光干涉測振法。在振動沖擊計量測試中，我們經(jīng)常碰到量值溯源的問題，在量值溯源與傳遞系統(tǒng)鏈表里，振動沖擊計量基準可以溯源到基本量———長度和時間。振動和沖擊校準設備采用這種量值復現(xiàn)方式進行傳感器的校準時，稱其為“絕1對校準”。激光干涉儀是不可缺少的部分，其輸出的多普勒信號把已知的激光波長和振動的位移量對應起來，是一種絕1對的測量方法。目前在振動和沖擊專業(yè)中大量借助于激光干涉技術實現(xiàn)量值的復現(xiàn)，其具體實現(xiàn)就是采用激光干涉儀。

     激光干涉測量方法作為一種重要的非接觸式無損探測方法，日益得到廣泛的應用。然而該測量系統(tǒng)多采用各種分立的玻璃光學元件構成光路，不僅結構復雜，而且對光學元件的安裝、調試都有極苛刻的機械精度要求，靈活性、重復性較差，尤其是對探測系統(tǒng)位置的設置在許多重要場合的應用受到了限制。光纖傳感技術是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門新型科學。與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器具有一系列獨特的優(yōu)點，靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高壓、防爆阻燃、光路可繞曲性好、幾何形狀具有多方面適應性等，使其成為在諸多環(huán)境下的有效測量手段。

使用激光干涉儀測量，必須要考慮到的誤差源：

一、  環(huán)境誤差。激光干涉儀的絕1對精度取決于周圍條件的精準程度（或者說環(huán)境的穩(wěn)定程度）。環(huán)境溫度每產(chǎn)生1℃的變化，絕1對壓力每產(chǎn)生2.5mmHg或相對濕度每產(chǎn)生30%的誤差時，都將會導致約1PPM（百萬分子一）的測量誤差。這些誤差利用人工補償或激光干涉儀所配的自動補償裝置可部分克服。因此檢測期間保持這些條件的穩(wěn)定非常重要。

二、  機床表面溫度。即機床本身溫度變化的影響。對于用鋼制絲杠定位滑鞍的機床，絲杠理論熱膨脹系數(shù)為10.8PPM/℃，即溫度每升高1℃，他將膨脹近10.8微米/米。

三、  死徑誤差（死行程誤差）。它是一種在測量期間與環(huán)境條件的變化有關系的誤差。它是由于當圍繞激光束的大氣壓力發(fā)生變化（引起激光波長變化）時以及當固定有激光干涉儀和目標反射鏡的材料溫度發(fā)生變化（引起干涉儀和反射鏡之間的距離變化）時，激光束行程長度得不到補償而造成。

簡單的講，激光測量行程的死行程區(qū)是指激光干涉儀與測量復位點（或0點）位置間的距離。激光干涉儀自身的補償系統(tǒng)僅能補償測量復位點到測量行程終點的距離，而對于死行程區(qū)的距離是不補償?shù)摹?

四、  余弦誤差。激光束路徑對應機床運動軸線如未對準，將在測量長度同實際移動長度間產(chǎn)生一個誤差。由于這個誤差與光束和實際運動間未對準角的余弦成比例，所以未對準誤差通常稱為余弦誤差。余弦誤差=1-cosθ，對于較小的θ，余弦誤差近似于θ2/2。舉例來說，當 =1mrad (3 arcmin)，則余弦誤差為0.5ppm。

當激光測量系統(tǒng)與機床移動軸線未對準時，余弦誤差將使測量長度小于實際長度。xc余弦誤差的方法是在安裝時確保良好的對準。

五、  阿貝誤差。阿貝誤差原理是長度計量和長度計量儀器設計中最經(jīng)典的測量原理。被測軸線和測量軸線應在同一直線或其延伸線上，如果在一個偏離的被測位移的位置上進行測量時，部件的任何角運動都將產(chǎn)生一個誤差。估算角運動產(chǎn)生的誤差的一條有益經(jīng)驗是：每角秒的角運動產(chǎn)生約5um/m的偏移。對于阿貝偏移為200mm，2秒的角運動，其測量位移誤差為200mm×5um/m/角秒×2角秒=2um。

如何正確運用激光干涉儀

1、負坡度

  負坡度曲線向外運行和向內運行兩個測試均出現(xiàn)向下的坡度。在整個軸線長度上，誤差呈線性負增加，這表示激光系統(tǒng)測量的距離短于機床位置反饋系統(tǒng)指示的距離。出現(xiàn)負坡度的可能原因有以下兩種：(1)光束準直調整不正確。如果軸線短于1m則可能是材料熱膨脹補償系數(shù)不正確、材料溫度測量不正確或者波長補償不正確。(2)俯仰和扭擺造成阿貝偏置誤差、機床線性誤差。

2、正坡度

  正坡度曲線是指在整個軸線長度上，誤差呈線性正遞增。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生有以下可能：(1)材料熱膨脹補償系數(shù)不正確、材料溫度測量不正確或者波長補償不正確。(2)俯仰和扭擺造成阿貝偏置誤差、機床的線性誤差。

3、周期性曲線

  周期性曲線是整個軸線長度上的重復周期誤差。沿軸的俯仰保持不變，但幅度可能變化。導致周期性曲線的可能原因主要是機床方面的問題，如絲杠或傳動系統(tǒng)故障、編碼器問題或故障、長型門式機床軌道的軸線直線度。

4、偏移

  偏移是指去程和回程兩次測試之間具有不變的垂直偏移。產(chǎn)生偏移曲線的可能原因主要是機床方面的問題，如反向間隙未補償或不當補償、車架與導軌之間存在間隙(松動)等。

5、燕尾狀

  在去程測試中出現(xiàn)向下的坡度的情況，回程測試為去程測試的鏡像，去程和回程測試之間的偏差(或滯后或反向間隙)隨軸線離開受驅動端而逐漸提高。產(chǎn)生燕尾狀的可能原因主要是機床方面的問題，如滾珠絲杠扭轉、導軌太緊、使用的誤差補償值不正確等。

6、正反向交叉線

  正反向交叉線是指正向(向外)運行產(chǎn)生負坡度，而反向(向內)運行則產(chǎn)生正坡度。這是絲杠扭轉的一個特殊例子，其中，單向線性誤差補償和單反向值已在控制器中設置。