基于声光调制的激光相干振动测量技术研究

论文摘要

随着科学技术的飞速发展,各行业对振动测量技术提出了更高的要求,尤其在微机电系统和数据硬盘组件等精密器件的研究和开发中,用到的振动测量仪器需要达到纳米级分辨率且拥有良好的动态特性。激光多普勒干涉测振技术就是在这样的形势下以其高分辨率非破坏性的优势成为现代测振技术研究的主流。针对国内激光多普勒测振分辨率较低、信号噪声严重的研究现状,本论文提出一种基于声光调制的双通道激光相干振动测量技术,以期实现高分辨率和高信噪比的现场测量。首先,本论文对激光相干振动测量的数学方法进行了研究,建立了基于声光调制的双通道激光相干振动测量系统数学模型。应用激光多普勒测量原理,保证了系统具有较高的测量分辨率;通过激光相干测量结构的设计,提高了光路的抗干扰能力;采用声光调制在测量光和参考光之间引入80120MHz的稳定频差,进一步提高了系统的测量分辨率。其次,经过对声光器件性能的实际测试,系统选定声光调制驱动模块的中心频率为100.4MHz,此时衍射效率达到88.9%,最大限度提高了系统的测量分辨率;针对传统光路复杂且难以调试的问题,引入光纤进行传导并研究出高效的光纤耦合系统,简化了光路,提高了系统的抗干扰能力。再次,鉴于从光电探测器输出的信号非常微弱且频率成分复杂的特点,研究出分步移频解调电路,提高了系统的信噪比;采用快速傅里叶变换算法将多普勒信号转换到频域进行分析,提出Zoom-FFT和比值校正相结合的算法,解决了频谱分析精度不高的问题,精准提取多普勒频率,实现高分辨率和高信噪比的振动测量。最后,对激光相干振动测量实验系统进行了振动测试及测量不确定度的评定。结果表明,本论文提出的基于声光调制的双通道激光相干振动测量系统在0.1Hz4.5kHz的扫频测试中动态误差小于1%,在频率为160Hz,幅值为80um处的测量不确定度（k（28）2）小于0.6%,而且在现场测量中展现了较高的信噪比和测量分辨率,具有一定的可行性和实用意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究的背景
•     1.1.1 振动测量及应用
•     1.1.2 振动测量技术的发展
•     1.1.3 全息干涉测振技术
•     1.1.4 散斑干涉测振技术
•     1.1.5 激光多普勒测探技术
•   1.2 国内外研究水平和发展现状
•   1.3 论文的研究意义和主要研究内容
•     1.3.1 论文的研究意义
•     1.3.2 论文的主要研究内容
• 第二章 激光相干测振数学方法的研究
•   2.1 振动测量中的多普勒效应
•     2.1.1 光的描述
•     2.1.2 物体振动引起的多普勒频移
•   2.2 激光相干测量结构
•     2.2.1 光学混频
•     2.2.2 光外差干涉
•   2.3 声光调制
•   2.4 数学模型的建立
•   2.5 本章小结
• 第三章 激光相干测振系统光路的设计
•   3.1 光源模块的设计
•   3.2 声光调制模块中心频率的确定
•   3.3 光电探测器的选取
•   3.4 光纤耦合系统的设计
•   3.5 本章小结
• 第四章 激光相干测振系统信号处理模块的设计
•   4.1 几种典型多普勒信号处理方法的比较
•     4.1.1 频谱分析法
•     4.1.2 频率跟踪法
•     4.1.3 计数法
•     4.1.4 快速傅里叶变换法
•   4.2 分步移频解调电路的设计
•     4.2.1 选频放大电路
•     4.2.2 混频电路
•     4.2.3 低通滤波电路
•   4.3 数字信号处理模块的设计
•     4.3.1 快速傅里叶变换法的误差分析
•     4.3.2 窗函数的选择
•     4.3.3 频谱细化算法
•     4.3.4 比值校正法
•   4.4 本章小结
• 第五章 振动测试及测量不确定度评定
•   5.1 实验系统振动测试
•     5.1.1 正弦扫频振动测试
•     5.1.2 现场测振对比测试
•   5.2 测量不确定度的来源分析及评定
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 在读期间公开发表的文章
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 柳康

导师: 王辉林

关键词: 振动测量,激光多普勒,声光调制,光纤耦合,不确定度

来源: 山东理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 山东理工大学

分类号: TN249

DOI: 10.27276/d.cnki.gsdgc.2019.000154

总页数: 68

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