激光多普勒振动检测技术的研究
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摘要
随着现代工程技术的飞跃发展，特别是航空、航天、机械制造等技术的发展，需要对振动进行高精度测量。尤其是在地球物理勘探中，地震勘探已成为一种最有效、应用最广的勘探方法，广泛用于石油矿藏、煤炭、地热、工程地质、水文地质等的勘探。因此对振动信号的采集和处理、系统辩识、振动和噪声控制等方面的研究变得尤为重要。通过对多种振动测量方法的比较，考虑到激光多普勒效应具有精度高、动态响应快、测量范围大、非接触性测量、抗电磁干扰、对横向振动干扰不敏感等优点，因此本论文选取激光多普勒方法进行振动检测。
本论文是国家自然科学基金项目“激光多普勒效应检测地震波的方法和理论研究”研究工作的一部分，考虑到本课题应用的范围，作者主要研究振动频率为2Hz～10Hz范围内的多普勒振动检测技术。
主要完成了以下工作：
完成多普勒效应测振技术的理论分析研究，设计了差动式激光多普勒光路，采用声光调制器，提高信号的信噪比，使光路的抗干扰能力增强。
根据散斑理论，分析了光学结构参数与多普勒信号强度的关系。根据高斯光束理论，针对振动检测的特点，优化了激光多普勒差动光路各项参数，使之具有更高的分辨力和信噪比。
研究用锁相放大电路来接收微弱信号，采用NI的数据采集卡进行数据的实时采集。完成了整个系统的调试、数据的记录，并对实验数据进行分析。最采用软件编程的方法得到振动幅度和频率参数。
With the rapid development of modern engineering and technology, especially in the area of aviation, spaceflight and machine produce, it’s necessary to make high accuracy vibration measurement. Especially, in the domain of physical geography probe, seism probe has become the most effective and widely used method, which can be used in probing petroleum mineral resources, coal, terrestrial heat, engineering geology and hydrological geology. Therefore, it’s important to acquire and process vibration signals, differentiate and analyze the system, control the vibration and noise. After comparing many vibration detecting methods, considering that the Laser Doppler method has many advantages such as high accuracy, rapid dynamic response, large measuring range, non-contact, resisting electron-magnetic interference, avoiding landscape orientation interference, it is selected to detect vibration in this paper.
The works of this paper is one part of the project “research on method and theory of Laser Doppler effect detecting seism wave”. Based on the applied domain of the project, the measurement of signal with vibration frequency range from 2Hz to 10Hz has been studied.
The following results are achived:
1. Theory of the measurement of vibration using Laser Doppler effect are researched and differential Laser Doppler optical system are designed. Especially, acousto-optic modulator is used in this system, which can improve the signals’ SNR and anti-jamming ability of the optical system.
2. According to speckle principle, Relation between intensities of laser Doppler signals and structure parameters of optical system is analysed. Based on Gauss beam theory and characteristic of vibration detecting, the parameters of the optical system are optimized, which has improved the system’s resolution and SNR.
3. Lock-in amplifier is researched to detect weak signals, and NI’s DAQ card are used to acquire data. The adjustment of the whole system, acquisition of data and analysis of experiment data are completed. In the end, the software method is applied to get amplitude and frequency parameters of vibration.
本论文是国家自然科学基金项目“激光多普勒效应检测地震波的方法和理论研究”研究工作的一部分，考虑到本课题应用的范围，作者主要研究振动频率为2Hz～10Hz范围内的多普勒振动检测技术。
主要完成了以下工作：
完成多普勒效应测振技术的理论分析研究，设计了差动式激光多普勒光路，采用声光调制器，提高信号的信噪比，使光路的抗干扰能力增强。
根据散斑理论，分析了光学结构参数与多普勒信号强度的关系。根据高斯光束理论，针对振动检测的特点，优化了激光多普勒差动光路各项参数，使之具有更高的分辨力和信噪比。
研究用锁相放大电路来接收微弱信号，采用NI的数据采集卡进行数据的实时采集。完成了整个系统的调试、数据的记录，并对实验数据进行分析。最采用软件编程的方法得到振动幅度和频率参数。
With the rapid development of modern engineering and technology, especially in the area of aviation, spaceflight and machine produce, it’s necessary to make high accuracy vibration measurement. Especially, in the domain of physical geography probe, seism probe has become the most effective and widely used method, which can be used in probing petroleum mineral resources, coal, terrestrial heat, engineering geology and hydrological geology. Therefore, it’s important to acquire and process vibration signals, differentiate and analyze the system, control the vibration and noise. After comparing many vibration detecting methods, considering that the Laser Doppler method has many advantages such as high accuracy, rapid dynamic response, large measuring range, non-contact, resisting electron-magnetic interference, avoiding landscape orientation interference, it is selected to detect vibration in this paper.
The works of this paper is one part of the project “research on method and theory of Laser Doppler effect detecting seism wave”. Based on the applied domain of the project, the measurement of signal with vibration frequency range from 2Hz to 10Hz has been studied.
The following results are achived:
1. Theory of the measurement of vibration using Laser Doppler effect are researched and differential Laser Doppler optical system are designed. Especially, acousto-optic modulator is used in this system, which can improve the signals’ SNR and anti-jamming ability of the optical system.
2. According to speckle principle, Relation between intensities of laser Doppler signals and structure parameters of optical system is analysed. Based on Gauss beam theory and characteristic of vibration detecting, the parameters of the optical system are optimized, which has improved the system’s resolution and SNR.
3. Lock-in amplifier is researched to detect weak signals, and NI’s DAQ card are used to acquire data. The adjustment of the whole system, acquisition of data and analysis of experiment data are completed. In the end, the software method is applied to get amplitude and frequency parameters of vibration.
引文
[1]Watrasiewicz,B.M. and Rudd,M.J., Laser Doppler Measurement, London:Buttworths,1976
[2]N.Aksel and M.Schmidtchen,Analysis of the Overall Accuracy in LDV Measurement of Film Flow in an Inclined Channel, Meas.Sci.Technol.7,1996,1140～1147
[3]L.E.DRAIN，激光多普勒技术，王仕康，沈熊，周作元译，北京：清华大学出版社，1985，2～7，41～59，86～90，105～108
[4]陈长缨，一种新型激光多普勒振动传感器，光电工程，1997，24（2）：12～17
[5]洪昕，远距离固体散射面内位移激光多普勒测量技术的研究：［硕士学位论文］，天津；天津大学，1999
[6]孙义雁，国外用于位置和振动测量的激光干涉测量法，测控技术，1990，（3）：28～30
[7]郑志敏，丁天怀，用于非金属目标非接触位置检测的单片式电容传感器，清华大学学报：自然科学版，2003，43（2）：172～174
[8]王文生，干涉测试技术，北京：兵器工业出版社，1992，84～87，122～125，138，140，143～144，188～192
[9]吕海宝，严树华，罗武胜，激光光电检测，长沙：国防科技大学出版社，2000，131～133，142～147，199～201
[10]邓开发，激光技术与应用，长沙：国防科技大学出版社，2002，174～177
[11]丁俊华等，激光原理及应用，北京：清华大学出版社，1987
[12]约瑟夫·W．古德曼，蒙蒂·罗斯主编，激光应用，庞立，刘海龄，刘钰译，刘海蓬，刘士英校，北京：国防工业出版社，1990，26～28
[13]于光，王树国，数字散斑干涉技术及应用，激光技术，2002，26（3）：238。
[14]一种基于光三角法的激光测振仪，张文伟，庄葆华，张吉华，光电工程，1999，26（3）：53～55
[15]Intergrated optical units for laser anemometry, Durst F., Whitelaw, J.Phys.E.Sci.Isrtum.4,1971
[16]郭继华，石玲，钱忠，殷纯永，激光多普勒振动传感器的信号处理系统，仪器仪表学报，1992，13（4）：345～347
[17]C.E.Riva, B.L.Petrig, R.D.Shonat and C.J.Pournaras, Scattering Process in LDV from Retinal Vessels,Appl.Opt.28,1989,1078～1083
[18]Ralph P.Tatam,Special Issue on Optical Flow Measurement Recent Advances and Applications,Optics and Laser in Engineering,1997,27,529～530
[19]K.Patorski, M.Kujawinska, Automatic Interferogram Analysis,Optics and Laser in Engineering,1991,14,235～237
[20]Toyohiko Yatagai,Automated Fringe Analysis Techniques in Japan,Optics and Lasers in Engineering,1991,15,79～91
[21]张永立，相对论导论，昆明：云南出版社，1980，38～44
[22]邹泓，激光多普勒技术在大范围横向位移测量方面的研究：［硕士学位论文］，北京：清华大学，2000
[23]桑波，赵宏，2－D激光多普勒振动测试仪的研究，光子学报，2001，30（5）：614～616
[24]王保华，周志畅，调频无线电技术，上海：上海科学技术出版社，1978，1～5
[25]郁道银，谈恒英，工程光学，北京：机械工业出版社，2000，364～367
[26]贺顺忠，刘彦宇等，面内位移测量的激光多普勒信号研究,，光学学报，2003，23（1）：72
[27]张霄元，利用激光多普勒效应远距离目标切向位移测量技术研究：［博士学位论文］，天津：天津大学，2001
[28]刘培森，散斑统计光学基础[M]，北京：科学出版社，1987
[29]刘炳初，泛函分析[M]. 科学出版社，1999
[30]周炳琨，高以智，陈倜嵘等，激光原理，北京：国防工业出版社，1980，102～108，261，318，348,353～359
[31]沈柯编，激光原理教程，北京：北京工业学院出版社，1986，211～220
[32]刘彦宇，物体离面位移的激光多普勒测量技术的研究：［硕士学位论文］，天津：天津大学，2003
[33]Shunzhong He, Xin Yao, Design of differential optical system of in-plane remote displacement measurement, Chinese Optics Letters,2003,1(3):145～146
[34]林理忠，宋敏编著，微弱信号检测学导论，北京：中国计量出版社，1996
[35]陈佳圭，微弱信号检测，北京：中央广播电视大学出版社，1987
[36]常丹华，郑德忠，郑绳楦，微弱信号检测的调理电路研究，电子测量与仪器学报，2000，14（1）：7～12
[37]Phase-sensitive detection as a means to recover signals buried in noise, Blair D.P. and Sydenham, P.H.J.Phys.E:Sci.Instrum.,8,1980,621～627
[38]刘红丽，李昌禧，一种测量微弱信号的锁定放大电路设计，武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2002，26（5）：619～621
[39]Analog Device, AD8001 Data Sheet,1999
[40]ON Semiconductor, MC1496, MC1496B Balanced Modulators/Demodulators Data sheet, 2003
[41]D.E.约翰逊，J.R.约翰逊，H.P.穆尔著，李国荣译，有源滤波器精确设计手册，北京：电子工业出版社，1984，26～27，35～37
[42]National Instruments, Where to use your 6023e/6024e/6025e, 1998
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