激光振动测试仪在振动测试教学中的应用

Application of Laser Vibration Instrument in Vibration Test Teaching

摘要: 探讨了新型激光振动测试仪在振动监测实验教学中的应用，分析了仪器的工作原理和基本结构，给出了仪器的主要特点和使用场合，设计了实验台架和实验步骤，并比较了不同设置参数条件下的测试效果，得到了振动体的时域曲线和频域特征曲线；最后讨论了影响测试结果的因素以及注意事项，为激光振动测试仪在工程实际中的应用奠定基础。

Abstract: The application of a novel laser vibration tester in vibration monitoring experimental teaching is discussed. Firstly, the main characteristics and use occasions of the instrument are analyzed. Secondly, the experimental bench and experimental steps are designed. Thirdly, the different parameters under the condition of the test results are compared. Then, the time domain curve and the frequency domain characteristic curve of the vibrating body are obtained. Finally, the factors affecting the test results and the precautions are discussed, which lays a foundation for the application of laser vibration tester in engineering practice.

1. 引言

在机械设备振动测试过程中，通常采用振动加速度传感器测量设备的振动。通过对振动信号进行时域分析和频域分析，提取设备的时频特征，了解设备的运行状态和实现机械设备故障的精密诊断。文献 [1] [2] 通过振动加速度传感器测试对齿轮进行了故障诊断，文献 [3] 研究了柴油机的振动加速度测试问题，并应用盲源分离技术识别振动信号产生的原因；文献 [4] [5] 利用振动加速度信号对轴承进行故障诊断，取得了良好的效果。在扭转振动测试中，则需要采用应变式传感器进行测试，并通过应变大小来确定扭转振动的严重程度。文献 [6] 应用应变传感器测试了轴系的扭转振动。

然而在一些重要的振动测试过程中，传统的测试方法不能够满足基本测试要求。例如高温物体的振动如排气管的振动；高速旋转部分的振动，如汽轮机叶片的振动；高速旋转轴的振动；切割机高速旋转刀片的振动等。由于高温高速条件下，传统传感器已经不能可靠安装和正常工作，因而迫切需要新的振动测试仪器和测试方法来满足工程实际提出的新要求。激光振动测试仪 [7] [8] 是一种非接触式测试仪，它能够满足苛刻条件下的振动测试，例如实现对高温设备表面、高速运转部件和轻薄结构(无附加质量的影响)的振动测试，不失为一种有效的振动测试方法。但一直以来，大多实验局限在以振动加速度为主要内容，忽略了对激光振动测试的教学研究。本文探讨了PDV100激光测振仪器在实验教学中的应用。

2. 仪器工作原理和基本结构

2.1. 激光工作原理

激光(Laser)是Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation首字母的简称。研究表明，当原子受到轰击时，如果入射光子能量满足一定要求，则使原子基态处于激发态。此时电子从低能级跃迁到高能级，如图1(a)所示。激发态的原子不稳定，电子将跃迁到低能级，并释放一定频率的光子，如图1(b)所示。如果能够持续激发原子，则能够得到某一频率的光子。

采用一组镜面如图2所示，其中A为100%反射的镜面，B为95%反射的镜面。其曲率和距离尺寸满足激光产生的稳定性条件时，两个镜面形成一个共振腔。限制在轴向上运动的光子引起链式反应，不断地激发基态原子使其处于激发态，并不断地产生新的光子，这个过程周而复始，使得腔内的能量处于稳定状态。根据设计要求，将一部分光子导引出来，形成可以用于满足各种工程需要的激光。

(a) 从低能级跃迁到高能级 (b) 从高能级跃迁到低能级

Figure 1. Electron transition in different energy level

图1. 电子的能级跃迁

Figure 2. Resonant cavity of laser derivation

图2. 产生激光的共振腔

理论研究表明，当共振腔的长度，即两个镜面之间的距离d为半波长的整数倍时，腔内产生共振。

$d=m\frac{\lambda }{2},m\in Z$，因此，激光的频率为： $\upsilon =\frac{mc}{2d}$。c为光速。因此，理论上可以得到不同频率的激光，其大小是 $\frac{c}{2d}$ 的整数倍。如果光源发射的激光具有相同的相位，则形成相干光。激光的相干性与频率数成

反比，而其相干性大小用相干波长来度量。当激光为多模态时，相干波长变短。相干性是激光测振时需要关注一个重要问题。便携式振动测试仪PDV100采用了氦氖混合气体反射管产生激光，其相干波长约为30 cm。同时，激光系统输出功率处于第I级，即绝对安全级，不会对测试人员造成伤害。

2.2. 基于多普勒效应的激光测振

便携式振动测试仪PDV100利用Doppler效应进行测振。当声源S以一定速度运动时，声信号的传播频率将发生改变。如图3所示。当声源S以U的速度运动时，频率f会变成f + f_D。

Figure 3. Doppler phenomenon of acoustic source

图3. 多普勒现象

当频率f的激光作用在振动物体上时，假设振动速度 $v\left(t\right)=v_0\sin \omega t$，因此，反射回的激光的频率会变成f + f_D。如图4所示。

Figure 4. Doppler effect of vibration

图4. 振动引起的Doppler效应

因此，只要测得Doppler频率f_D，就可以得到物体的振动速度。然而，由于激光的频率非常高，传统的方法无法对信号解调得到Doppler频率f_D。因此，需要采用光学拍频(Beating)技术，将两束光叠加在一起，从而实现信号的调制。如图所示，频率为f的信号和频率为f+f_D的信号调制成2f + f_D的信号，其中包络信号的频率为f_D。如图5所示。因此，通过解调可以得到信号频率f_D。

Figure 5. Process of signal modulation

图5. 信号的调制过程

实际应用的光路图如图6所示。其中f_R为转盘的转频，对光学传感器采集到的信号进行信号处理后，就可以得到频率 $f_R+f_D$， $f_R-f_D$ 的分量，如图7所示，即可以得到Doppler频率f_D，进一步可以得到振动速度大小。

Figure 6. Diagram of laser signal of modulation

图6. 信号调制处理光路图

Figure 7. Demodulation to extract Doppler frequency

图7. 解调得到的多普勒频率

3. 试验台架

实验的仪器如表1所示。主要包括激光振动测试仪、信号发生器、功率放大器、激振器、信号采集调理模块等。便携式激光测振仪PDV100的结构如图8所示。

Table 1. Experimental equipment

表1. 实验设备列表

Figure 8. Laser vibration test instrument

图8. 激光振动测试仪

该测试设备的主要特点是：结构紧凑，工作性能稳定；激光输出功率处于安全范围；调整和使用方法简洁方便，可以用电池供电，便于现场检测使用；测试精度高。软件界面友好，容易操作。通常用来测试旋转部件和非旋转部件的振动。如图9所示。特别适用于：高温(hot)、轻薄结构(light)、高速旋转(rotate)、大冲击振动(impact)设备的振动测试。

(a) 非旋转部件的振动测试 (b) 旋转部件的振动测试

Figure 9. The application of the PDV100

图9. 便携式激光测振仪PDV100应用场合示意图

本文所测试的对象为薄壁PVC材料管路。通过图10实验测试，了解在其在不同频率下的振动传播特征。

Figure 10. The auxillary instruments in the experiment

图10. 测试所用辅助仪器

实验台如图11所示。激振器安装在管路的一端，另一端固定在支架上。通过不同的频率，可以测试出在不同测点的振动响应，从而了解振动的传播情况。

Figure 11. The rig of the pipe vibration

图11. 管道振动测试实验装置

激光振动仪的参数设置如表2所示，管路的参数如表3所示。

Table 2. Laser vibrometer parameter setup

表2. 仪器参数设置列表

Table 3. Parameter of pipeline system

表3. 管路参数列表

4. 实验步骤

实验过程中，仪器操作的具体步骤如下：

a) 将激光测试仪安装在三脚支架上，连接仪器和调理模块，通过数据线将调理模块与电脑连接；检查检定证书在有效期内；

b) 接通仪器电源，打开测试软件；

c) 调整激光挡板，并将激光聚焦在被测物体表面的反光带上；

d) 设置仪器的参数，主要包括滤波器的设置(低通滤波和高通滤波两种)和测试量程(20 mm/s, 100 mm/s, 500 mm/s)；

e) 调整激光测试仪和被测对象之间的距离，根据显示屏上信号区的尺度判断距离选择是否合适，距离合适则信号区的尺度大；

f) 调整信号发生器的频率，驱动振动台工作；调整功率放大器，改变得振动台的振动幅值；

g) 通过振动测试软件，观察时域波形和频域波形；调整采样频率和采样时间，再次观察振动信号曲线，采集数据并保存。

5. 实验结果

在25 Hz的激励频率下，第1~5测点的振动响应曲线如图12所示；振动速度最大幅值分别为：1.1087 m/s，0.8945 m/s，0.6328 m/s，0.3756 m/s，0.0966m/s，这说明该频率的振动沿着管路迅速衰减，衰减曲线如图12(f)所示。如果将激振器的位置看作是管道泄漏点产生的振动，则表明管路当距离泄漏点一定距离时，管路的振动将衰减为零，因此检测点的位置需要通过振动测试来确定。如果将激振器的位置看作是无损检测的导波发射点，则表明该管路对25 Hz频率导波具有很大的衰减效果，需要采取调整频率的方法来改善导波检测距离。

Figure 12. Vibration response analysis

图12. 振动响应分析

测试过程注意事项：测试距离应该为共振腔长度的整数倍；根据PDV100的技术规格书，最佳距离为： $dis=96\text{mm}+\left(k.l\right)\text{mm},k=0,1,2,\cdots$ ；l为共振腔的长度，l = 138 mm。因此，最佳距离为96，234，372，510 (mm)…。同时，反光带的光滑性影响也很明显，采用光滑白色反光带时，测试效果好，而采用黑色反光带时，有明显的噪声干扰，如图13所示。

Figure 13. Influence of reflective tape

图13. 不同反光带的影响

6. 结语

本文系统分析了便携式激光振动测试仪的工作原理，设备结构特征。由于激光测试仪是非接触式测试设备，因而特别适应于传统传测试方法不能有效工作的场合，如高温、高速运转以及不便于传感器安装等情况。在使用过程中，通过硬件参数设置，可以使其处于满足不同测试要求。信号分析软件界面友好，能够分析数据的时域和频域特征。为了验证该仪器的有效性，设计了薄壁管道振动测试实验，给出了实验步骤、实验测试数据图形和分析了测试的影响因素。为工程测试专业的学生在工程实际应用奠定了良好的基础。

基金项目

国家自然科学基金(51579253, 51679245)。

NOTES

^*通讯作者。