激光多普勒测振技术的研究

论文摘要

在制造业中,产品的质量优化在创造经济效益与提高国内生产总值的方面有着至关重要的作用,而产品的质量好坏需要一套完善的监测系统。在零件的加工过程中,高效、高自动化和稳定的振动检测设备是不可或缺的。为掌握并进而控制振动,必须首先进行振动检测。本文首先对于现有的振动测量技术进行了详细的介绍,并选定了以激光多普勒测振技术为核心的振动信号的检测方法。激光多普勒振动测量方法作为一种非接触式测量方法,通常将激光作为测量振动的媒介。这种方法具有高精度、高灵敏度的特点,并且有着良好的环境适应性。由于现阶段的高精尖端激光多普勒测振设备的制造,均被德国、美国、日本企业所垄断,因而急需实现高精度激光多普勒测振技术的国产化,打破国外的技术垄断。随后,本文介绍了激光多普勒测振技术的几种光路结构和测量原理,对于光的波动方程与多普勒频移的公式进行了推导,并基于上述分析选定了外差测量法。该法测量频率范围宽、信号处理速度快,是一种被广泛采用的检测方法。但是在实际应用中,由于环境噪声的存在,所测信号通常存在一定的干扰,如何针对信号的特点加以处理,以提高测量精度,是本文研究的重中之重。传统的激光多普勒振动信号处理技术是利用快速傅里叶变换（FFT）,将信号从时域转换为频域进行处理并获得振动信息。但是这种信号处理方式,仅能得出振动频率近似值,处理结果误差值较大,难以达到精度要求。为此,本文在总结现有的振动测量技术和信号处理技术上,提出了一种适用于激光多普勒振动信号的新型信号处理技术——综合校正处理技术。相较于直接采用FFT进行的信号处理,本文提出的算法将时频分析、频谱细化、频谱校正三种技术相结合,在保证信号处理速度的前提下,提高了计算精度,使得获取高分辨率振动信息成为可能。本文针对激光多普勒测振系统的工作环境,对振动信号进行了仿真分析,并搭建了相应的实验平台。对于高频激光多普勒调制信号,采用正交解调法,对其解调;根据噪声信号的产生原理,采用RLS自适应滤波,对于振动信号进行处理,提高了信号的质量。最后,根据实际测量的激光多普勒信号,使用了综合校正处理技术,分别采用了FFT、Z-FFT和Z-FFT加比值校正法进行了分析,使得计算精度提高了57倍,证明了本文所提出的解调、滤波和频谱分析技术的可行性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 激光多普勒测振技术
•   1.3 激光测振技术研究现状分析
•     1.3.1 零差测量系统
•     1.3.2 外差测量系统
•   1.4 本文的主要内容和结构
• 2 激光振动测量的基础理论与基本方法
•   2.1 光的波动原理
•   2.2 激光多普勒效应基本原理
•     2.2.1 多普勒频移原理
•     2.2.2 简谐振动引起的激光多普勒频移
•   2.3 本章小结
• 3 激光多普勒测振光学系统的设计
•   3.1 激光多普勒测振系统光源
•     3.1.1 激光的特性
•     3.1.2 激光器的选择
•     3.1.3 He-Ne激光器结构与工作原理
•   3.2 激光多普勒测振系统光电探测器
•     3.2.1 光电探测器的基本特性参数
•     3.2.2 光电探测器的种类
•     3.2.3 光电探测器的具体参数
•   3.3 其他光学器件
•     3.3.1 声光频移器
•     3.3.2 分光镜的选用
•     3.3.3 光路结构其他元件的选用
•   3.4 信号处理系统
•     3.4.1 前置放大器
•     3.4.2 高通滤波器的设计
•     3.4.3 信号发生器
•     3.4.4 数字示波器
•   3.5 本章小结
• 4 激光多普勒信号的处理与研究
•   4.1 激光多普勒信号的特性
•     4.1.1 振动引起的多普勒信号的电流输出
•     4.1.2 简谐振动引起的激光多普勒信号的基本形式
•   4.2 激光多普勒信号的采集
•     4.2.1 采样定理
•     4.2.2 激光多普勒信号解调
•   4.3 多普勒信号的自适应均衡技术
•     4.3.1 两种自适应滤波器性能比较
•     4.3.2 RLS自适应滤波器的工作原理
•     4.3.3 RLS自适应滤波器的仿真研究
•   4.4 激光多普勒振动信号的处理方法
•     4.4.1 离散傅里叶变换
•     4.4.2 快速傅里叶变换法
•     4.4.3 快速傅里叶变换算法的运算规律
•     4.4.4 FFT的不足与改进方法
•   4.5 常用的频谱细化算法
•     4.5.1 线性调频Z变换
•     4.5.2 复调制选带傅里叶变换
•   4.6 频谱校正算法
•     4.6.1 比值校正算法
•     4.6.2 矩形窗
•     4.6.3 汉宁窗
•   4.7 本章小结
• 5 激光多普勒信号仿真与分析
•   5.1 模拟多普勒信号的仿真
•   5.2 窗函数的选择
•     5.2.1 信号的截断与能量泄露
•     5.2.2 常用窗函数
•   5.3 激光多普勒信号仿真处理研究
•   5.4 实际激光多普勒振动信号的处理
•     5.4.1 实验方案
•     5.4.2 实验数据分析
•   5.5 测量信号振幅特性分析
•   5.6 测量结果误差分析
•   5.7 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本文总结
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨健坤

导师: 张明

关键词: 激光多普勒效应,频谱细化,频谱校正

来源: 青岛科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,物理学,无线电电子学

单位: 青岛科技大学

分类号: O329;TN249

总页数: 98

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