技术报告关于振动及其传感器3

激光多普勒测振仪由发射激光的光学头和处理反射光多普勒频率的转换单元组成。

来自变换部的信号是与对象物体的移动速度成比例的电压信号。将该信号输入FFT分析器等，可变换为加速度、位移。另外，通过对该信号进行频率分析，可分析对象物体的动作。

<原则>

当具有一定频率成分的声波，无线电波或光波击中以一定速度移动的物体时，频率与移动物体的速度成分成比例地变化。这称为多普勒偏移或多普勒效应。此时，在发射频率和反射回来的频率之间存在以下关系:。

(1)	物体靠近时→	辐射频率 < 反射频率
(1)	物体远离→	辐射频率 > 反射频率
(2)	辐射频率和反射频率之间的差异与物体的移动速度有关，并且频率差异通常随着速度的增加而增加。

激光多普勒测振仪正是利用了这一原理。当一束激光照射到运动目标上时，由于多普勒效应，目标反射光的频率会相对于入射光的原始频率发生多普勒频移。关于多普勒频移的大小，如果我们设 f _<sub>D</sub>为频移后的频率，V 为目标的速度，λ 为入射光的波长，θ 为入射光方向与目标运动方向之间的夹角，则以下等式成立：

此处，若激光束频率为_f0，则反射光频率为_f0 + _fD。由于激光多普勒测振仪所用激光束的波长λ极其稳定，多普勒频率_fD与目标运动速度V成正比。此外，在激光多普勒测振仪中，激光照射方向与目标运动方向之间的夹角θ通常设置为0度（仅检测反射光相对于入射光的平行分量：面外振动^*），因此通过测量多普勒频率_fD，即可确定目标在照射方向上的运动速度。然而，激光束本身的频率极高，难以直接测量，因此通常通过干涉照射光（_f0）和反射光（_f0 + _fD）来检测多普勒频率_fD。

<类型>

根据结构，激光多普勒测振仪可分为以下几类。我们相应的型号列于右侧。

种类	支持的公司型号
面外振动参考光型	LV-1710、LV-1720A
三维振动	LV-3300

来自光源的激光束通过光束分离器分为两个光束，一个是射向未测量物体的入射束，另一个是返回到设备内部的参考束。从目标返回的反射光束根据非测量物体的振动速度产生多普勒移位，并且通过干扰预先在AOM声光调制器中给出频率移位的参考光束，获得节拍频率。该节拍信号仅在检测电路中提取多普勒移位的频率分量，并在FM解调电路中作为与振动速度相对应的电压信号输出。

物体的振动并非总是单向的，而是涉及复杂的三维运动。近年来，随着产品小型化和精密化程度的不断提高，测量和分析这种复杂三维运动的需求日益增长。LV-3300 采用三个参考型激光多普勒测振仪，对每个测振仪采集的信号进行矢量计算，从而同时测量物体在 X、Y 和 Z 三个方向上的振动速度和方向。LV-3300 的光学头结构和矢量计算公式如下所示。

三个光学头中的一个具有与入射光束和目标的移动方向 (Z方向) 之间的角度相匹配的角度，而另外两个光学头具有各自的角度(ZX、ZY)。从具有该角度的两台机器获得的信号分别是ZX方向和ZY方向的振动速度和振动方向。因此，来自总共三个光学头的反射光束具有目标的Z方向，ZX方向和ZY方向的振动分量，并且通过将这三个信号输入到矢量运算器，可以同时测量X·Y·Z3方向的每个振动。

激光多普勒测振仪的优点和注意事项

优势	非接触测量测量动态范围宽空间分辨率高传感器头更小
注意事项	传感器头必须面对目标确保激光束的反射光量受目标油和水的影响小心测量旋转体 (表面粗糙度噪声的影响)

<使用激光多普勒测振仪时的测量点>

由于是非接触测量，不会对被测量物产生影响。此外，由于可以相应地分离传感器头和目标(LV-1710/1720,典型值100毫米到5米)，即使目标发出高温，也可以在不影响传感器头的情况下进行测量。
LV-1710具有速度测量范围0.3μm/s~10 m/s测量频率范围1 Hz~3 MHz (可扩展至20 MHz) 的动态范围。如果在高频范围内转换位移，则可以测量高达0.01 nm (1e-05μm) 。
靶材上激光的光斑直径尺寸非常小，从几十μm到几百μm (LV-1710/1720:20μm至400μm)，因此可以测量精确的靶材振动。此外，如果将其结合到专用显微镜中，则可以测量较小目标的点振动。
无法在测量对象表面有油·水等流动的状态下进行测量。另外，测量对象上附着有油、水时，也会成为产生误差的原因，因此必须尽可能地将其除去。这是由于不必要的激光反射发生在油和水表面上，这不仅妨碍准确地捕获测量对象本身的振动量，而且由于漫反射，可能无法测量。
对于旋转体等相对于激光束有明显横向移动或振动成分的测量对象，由于测量对象的表面粗糙度和形状，反射光瞬间缺失，输出信号可能会产生须状噪声，表现为测量误差。