Lazer Doppler vibrometre - Laser Doppler vibrometer

Lazer Doppler vibrometrenin temel bileşenleri

Bir lazer Doppler vibrometre (LDV) temassız yapmak için kullanılan bilimsel bir araçtır. titreşim bir yüzeyin ölçüleri. lazer LDV'den gelen ışın, ilgilenilen yüzeye yönlendirilir ve titreşim genliği ve frekansı, Doppler Yüzeyin hareketine bağlı olarak yansıyan lazer ışını frekansının kayması. Bir LDV'nin çıktısı genellikle, lazer ışınının yönü boyunca hedef hız bileşeniyle doğru orantılı olan sürekli bir analog voltajdır.

Bir LDV'nin benzer ölçüm cihazlarına göre bazı avantajları ivmeölçer LDV'nin erişilmesi zor hedeflere yönlendirilebileceğini veya fiziksel bir bağlantı için çok küçük veya çok sıcak olabileceğini dönüştürücü. Ayrıca, LDV titreşim ölçümünü hedefi toplu yüklemeden yapar, bu özellikle aşağıdakiler için önemlidir: MEMS cihazlar.

Operasyon prensipleri

Bir vibrometre genellikle iki ışınlı bir lazerdir interferometre bir dahili referans ışını ile bir test ışını arasındaki frekans (veya faz) farkını ölçer. Bir LDV'deki en yaygın lazer türü, helyum-neon lazer, olmasına rağmen lazer diyotları, fiber lazerler, ve Nd: YAG lazerleri ayrıca kullanılmaktadır. Test ışını hedefe yönlendirilir ve hedeften saçılan ışık toplanır ve bir referans ışını ile engellenir. fotodetektör, tipik olarak bir fotodiyot. Çoğu ticari vibrometre, bir heterodin ışınlardan birine bilinen bir frekans kayması (tipik olarak 30-40 MHz) ekleyerek rejim. Bu frekans kayması genellikle bir Bragg hücresi veya acousto-optik modülatör.[1]

Tipik bir lazer vibrometre şeması yukarıda gösterilmiştir. F frekansı olan lazerden gelen ışınÖ, bir referans kirişine ve bir Işın ayırıcı. Test ışını daha sonra bir frekans kayması f ekleyen Bragg hücresinden geçer.b. Bu frekans kaydırmalı ışın daha sonra hedefe yönlendirilir. Hedefin hareketi, f tarafından verilen ışına bir Doppler kayması ekler.d = 2 * v (t) * cos (α) / λ, burada v (t) zamanın bir fonksiyonu olarak hedefin hızı, α lazer ışını ile hız vektörü arasındaki açı ve λ dalga boyudur ışığın.

Işık hedeften her yöne dağılır, ancak ışığın bir kısmı LDV tarafından toplanır ve ışın ayırıcı tarafından fotodetektöre yansıtılır. Bu ışığın frekansı f'ye eşittirÖ + fb + fd. Bu dağınık ışık, foto detektörde referans ışını ile birleştirilir. Lazerin başlangıç ​​frekansı çok yüksektir (> 1014 Hz), dedektörün tepkisinden daha yüksektir. Ancak dedektör, dövmek f olan iki ışın arasındaki frekansb + fd (tipik olarak onlarca MHz aralığında).

Fotodetektörün çıktısı bir standarttır frekans modülasyonlu (FM) sinyali, Bragg hücre frekansı ile taşıyıcı frekansı ve modülasyon frekansı olarak Doppler kayması. Bu sinyal, titreşen hedefin hızına karşı zamanını türetmek için demodüle edilebilir.

Başvurular

LDV'ler çok çeşitli bilimsel, endüstriyel ve tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Aşağıda bazı örnekler verilmiştir:

  • Havacılık - LDV'ler, uçak bileşenlerinin tahribatsız muayenesinde araç olarak kullanılmaktadır.[2]
  • Akustik - LDV'ler, hoparlör tasarımı için standart araçlardır ve ayrıca müzik aletlerinin performansını teşhis etmek için de kullanılmıştır.[3]
  • Mimari - LDV'ler köprü ve yapı titreşim testleri için kullanılmaktadır.[4]
  • Otomotiv - LDV'ler, yapısal dinamikler, fren teşhisi ve kantifikasyon gibi birçok otomotiv uygulamasında yaygın olarak kullanılmıştır. Gürültü, titreşim ve sertlik (NVH), doğru hızın ölçümü.[5]
  • Biyolojik - LDV'ler kulak zarı teşhisi gibi çeşitli uygulamalar için kullanılmıştır[6] ve böcek iletişimi.[7]
  • Kalibrasyon - LDV'ler, doğrudan ışığın dalga boyuna kalibre edilebilen hareketi ölçtüğü için, sıklıkla diğer dönüştürücü türlerini kalibre etmek için kullanılırlar.[8]
  • Sabit disk sürücüsü tanılaması - LDV'ler, özellikle kafa konumlandırma alanında sabit disk sürücülerinin analizinde yaygın olarak kullanılmıştır.[9]
  • Dental Cihazlar - LDV'ler, dişçilik endüstrisinde titreşim kalitesini artırmak için diş taşı temizleyicilerinin titreşim imzasını ölçmek için kullanılır.[10]
  • Kara mayını tespiti - LDV'ler gömülü kara mayınlarının tespitinde büyük umut vaat ediyor. Teknik, zemini heyecanlandırmak için hoparlör gibi bir ses kaynağı kullanır ve zeminin çok küçük bir miktarda titreşmesine neden olarak, zeminin genliğini ölçmek için kullanılan LDV ile yer titreşimleri. Gömülü bir madenin üzerindeki alanlar, maden-toprak sisteminin rezonans frekansında gelişmiş bir yer hızı gösterir. Tek ışın taramalı LDV'ler ile mayın tespiti,[11] bir dizi LDV,[12] ve çok ışınlı LDV'ler[13] Gösterildi.
  • Güvenlik - Temassız titreşim sensörleri olarak Lazer Doppler vibrometreler (LDV'ler), uzaktan ses edinme özelliğine sahiptir. Görsel bir sensör (kamera) yardımıyla, bir ses olayının gerçekleştiği ortamdaki çeşitli hedefler, bir LDV tarafından akustik sinyalleri toplamak için yansıtıcı yüzeyler olarak seçilebilir. LDV'nin performansı büyük ölçüde, bir lazer ışınının çarptığı ve geri döndüğü sahnedeki seçilen hedeflerin (yüzeylerin) titreşim özelliklerine bağlıdır.[14]
  • Malzeme Araştırması - Temassız yöntem sayesinde, Lazerli Vibrometreler, özellikle Lazer Taramalı Vibrometreler, karbon plakalar gibi modern malzemelerin yüzey titreşimlerini ölçebilir. Kusurlu malzemeler, hatasız malzemelere kıyasla farklı bir titreşim profili göstereceğinden, titreşim bilgileri kusurların tanımlanmasına ve incelenmesine yardımcı olabilir.[15]

Türler

  • Tek noktalı vibrometreler - Bu, en yaygın LDV türüdür.[16] Tek yönlü düzlem dışı hareketi ölçebilir.[17]
  • Vibrometrelerin taranması - Bir tarama LDV'si, bir dizi X-Y tarama aynası ekleyerek tek lazer ışınının ilgilenilen yüzey boyunca hareket etmesini sağlar.
  • 3-D vibrometreler - Standart bir LDV, lazer ışınının yönü boyunca hedefin hızını ölçer. Hedefin hızının üç bileşenini de ölçmek için, 3 boyutlu bir vibrometre, hedefi üç farklı yönden vuran üç bağımsız ışının bulunduğu bir konumu ölçer. Bu, hedefin tam düzlem içi ve düzlem dışı hızının belirlenmesine izin verir.[18]
  • Rotasyonel vibrometreler - Rotasyonel veya açısal hızı ölçmek için rotasyonel bir LDV kullanılır.
  • Diferansiyel vibrometreler - Bir diferansiyel LDV, hedef üzerindeki iki konum arasındaki düzlem dışı hız farkını ölçer.
  • Çok huzmeli vibrometreler - Çok huzmeli bir LDV, aynı anda birkaç yerde hedef hızı ölçer.
  • Kendinden karışan vibrometreler - Ultra kompakt optik kafa ile basit LDV konfigürasyonu.[19] Bunlar genellikle yerleşik bir fotodetektörlü bir lazer diyotuna dayanır.[20][21]
  • Sürekli tarama lazer Doppler vibrometri (CSLDV) - Bir yüzeyin hareketini aynı anda birçok noktada yakalamak için lazeri test numunesinin yüzeyi boyunca sürekli olarak süpüren değiştirilmiş bir LDV
  • Holografik lazer Doppler vibrometri (HLDV) - Aşağıdakilere dayanan genişletilmiş aydınlatma LDV dijital holografi Aynı anda birçok noktada bir yüzeyin hareketini yakalamak için görüntü oluşturma için [22].

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Lutzmann, Peter; Göhler, Benjamin; Hill, Chris A .; Putten, Frank van (2016). "Fraunhofer IOSB'de lazer titreşim algılama: inceleme ve uygulamalar". Optik Mühendisliği. 56 (3): 031215. Bibcode:2017OptEn..56c1215L. doi:10.1117 / 1.OE.56.3.031215. ISSN  0091-3286.
  2. ^ Kilpatrick, James M .; Markov Vladimir (2008). " Geçici modal görüntüleme ve hızlı tahribatsız testler için matris lazer titreşim ölçer ". Tomasini, Enrico P (ed.). Sekizinci Uluslararası Lazer Teknikleri ile Titreşim Ölçümleri Konferansı: Gelişmeler ve Uygulamalar. Lazer Teknikleriyle Titreşim Ölçümleri Üzerine Sekizinci Uluslararası Konferans: Gelişmeler ve Uygulamalar. 7098. s. 709809. doi:10.1117/12.802929.
  3. ^ Bissinger, George .; Oliver, David (Temmuz 2007). "Efsanevi Eski İtalyan Kemanlarında 3 Boyutlu Lazer Vibrometri" (PDF). Ses ve Titreşim. Alındı 2013-01-24.
  4. ^ GmbH, Polytec. "İnşaat mühendisliği". www.polytec.com.
  5. ^ Baldini, Francesco; Moir, Christopher I .; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A. (2009). "Minyatür lazer doppler hız ölçüm sistemleri". Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (editörler). Optik Sensörler 2009. Optik Sensörler 2009. 7356. s. 73560I – 73560I – 12. doi:10.1117/12.819324.
  6. ^ Huber, Alexander M; Schwab, C; Linder, T; Stoeckli, SJ; Ferrazzini, M; Dillier, N; Fisch, U (2001). "Bir tanı aracı olarak kulak zarı lazer doppler interferometrinin değerlendirilmesi" (PDF). Laringoskop. 111 (3): 501–7. doi:10.1097/00005537-200103000-00022. PMID  11224783.
  7. ^ Fonseca, P.J .; Popov, A.V. (1994). "Bir ağustosböceği içinde ses radyasyonu: farklı yapıların rolü". Karşılaştırmalı Fizyoloji Dergisi A. 175 (3). doi:10.1007 / BF00192994.
  8. ^ Sutton, C.M. (1990). "Heterodin Lazer İnterferometri Kullanılarak Dinamik Konum Ölçümü ile İvme Ölçer Kalibrasyonu". Metroloji. 27 (3): 133–138. Bibcode:1990Metro..27..133S. doi:10.1088/0026-1394/27/3/004.
  9. ^ Abdullah Al Mamun; GuoXiao Guo; Chao Bi (2007). Sabit Disk Sürücüsü: Mekatronik ve Kontrol. CRC Basın. ISBN  978-0-8493-7253-7. Alındı 24 Ocak 2013.
  10. ^ "Vibrations Inc. - Lazer Doppler Vibrometreler". www.vibrationsinc.com.
  11. ^ Xiang, Ning; Sabatier, James M. (2000). " Akustik-sismik bağlantı kullanarak kara mayını algılama ölçümleri ". Dubey'de Abinash C; Harvey, James F; Broach, J. Thomas; et al. (eds.). Madenler ve Maden Benzeri Hedefler için Tespit ve İyileştirme Teknolojileri V. Madenler ve Maden Benzeri Hedefler için Tespit ve İyileştirme Teknolojileri V. 4038. s. 645. doi:10.1117/12.396292.
  12. ^ Burgett, Richard D .; Bradley, Marshall R .; Duncan, Michael; Melton, Jason; Lal, Amit K .; Aranchuk, Vyacheslav; Hess, Cecil F .; Sabatier, James M .; Xiang Ning (2003). "Akustik kara mayını tespiti için mobil monte lazer Doppler vibrometre dizisi". Harmon'da Russell S; Holloway, Jr, John H; Broach, J.T (editörler). Madenler ve Maden Benzeri Hedefler için Tespit ve İyileştirme Teknolojileri VIII. Madenler ve Maden Benzeri Hedefler için Tespit ve İyileştirme Teknolojileri VIII. 5089. s. 665. doi:10.1117/12.487186.
  13. ^ Lal, Amit; Aranchuk, Slava; Doushkina, Valentina; Hurtado, Ernesto; Hess, Cecil; Kilpatrick, Jim; l'Esperance, Drew; Luo, Nan; Markov Vladimir (2006). " Gömülü kara mayını tespiti için gelişmiş LDV cihazları ". Broach, J. Thomas; Harmon, Russell S; Holloway, Jr, John H. (editörler). Madenler ve Maden Benzeri Hedefler için Tespit ve İyileştirme Teknolojileri XI. Madenler ve Maden Benzeri Hedefler için Tespit ve İyileştirme Teknolojileri XI. 6217. s. 621715. doi:10.1117/12.668927.
  14. ^ Rui Li; Tao Wang; Zhigang Zhu; Wen Xiao (2011). "Uzun Menzilli Ses Edinimi için LDV Kullanan Çeşitli Yüzeylerin Titreşim Özellikleri". IEEE Sensörleri Dergisi. 11 (6): 1415. Bibcode:2011ISenJ..11.1415L. doi:10.1109 / JSEN.2010.2093125.
  15. ^ OptoMET, GmbH. "Materyal Araştırması". www.optomet.com.
  16. ^ Laura Rodríguez, Aries Lazer Vibrometre, VELA ile yüksek sıcaklıkta yüzey ölçümü. AIVELA Conferences 2012'de sunulan orijinal bildiri, Haziran 2012.
  17. ^ "Tek Noktalı Vibrometreler".
  18. ^ Jorge Fernández Heredero, LSV kullanarak 3D Titreşim Ölçümü. AdMet 2012'de sunulan orijinal bildiri, Şubat 2012.
  19. ^ "OMS - Lazer Doppler Vibrometreler". www.omscorporation.com.
  20. ^ Scalise, Lorenzo; Paone, Nicola (2000). "Kendinden karışan lazer Doppler vibrometre". Tomasini, Enrico P (ed.). Lazer Teknikleriyle Titreşim Ölçümleri Üzerine Dördüncü Uluslararası Konferans: Gelişmeler ve Uygulamalar. Lazer Teknikleriyle Titreşim Ölçümleri Üzerine Dördüncü Uluslararası Konferans: Gelişmeler ve Uygulamalar. 4072. s. 25–36. doi:10.1117/12.386763.
  21. ^ Heterodinlenmiş kendi kendine karışan lazer diyot vibrometre - ABD Patenti 5838439 Arşivlendi 2011-06-12 de Wayback Makinesi. 17 Kasım 1998'de yayınlandı. Patentstorm.us. Erişim tarihi: 2013-06-17.
  22. ^ François Bruno, Jérôme Laurent, Daniel Royer ve Michael Atlan. Appl. Phys. Lett. 104, 083504 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4866390;https://arxiv.org/abs/1401.5344

Dış bağlantılar