Lazer Doppler Vibrometri (LDV) tam olarak vibrasyonel ve akustik kaynakları analiz etmek için kullanılan sofistike bir optik ölçüm tekniğidir. Bu makale, hassas veya ulaşılamaz nesneler üzerinde çalışmak, yüksek çözünürlüklü veriler için temel sağlamak, araştırma ve endüstriyel uygulamalar için temel bir kaynak sağlayarak, LDV, hassas titreşim analizi için nanometre büyüklüğüne ve yerinden edilmeyi amaçlamaktadır.

Lazer Doppler Vibrometri İlkeleri

LDV, optik interferometrinin temel prensibine çalışır. Eş zamanlı bir lazer kirişi referans kirişine bölünmüş ve ölçüm kirişine odaklanmıştır. ölçüm kirişi vibrating test yüzeyine odaklanır; yüzey hareket ettiğinde, yansıyan ışık deneyimleri titreşimin hızına göre bir frekans değişimi.

Fotodetector sinyali bir taşıyıcı frekansı içerir (tipik olarak megahertz aralığında) modülasyonlar, Frekans demodülasyonu hız dalga geçiyor. Matematiksel olarak, {{f = 2v/ ⁇ , v'nin yüzeyinin kombine doğrultuşu ve ⁇ 'nin ⁇ = 633 nm bir frekans değişimi ile sağlanır.

Modern LDV sistemleri sinyal-to-noise oranını geliştirmek için heterodyne algılama kullanır. Bir Bragg hücre referans kiriş frekansına geçiş yapar, optik bir taşıyıcı oluşturabilir. fotodetector çıktısı, mikro-ve nano-öldürücü bir titreşim için frekans ayarlı bir sinyal merkezi haline gelir.Dören bir döngü veya hızlı Fourier dönüşüm (FFT) gerçek zamanlı hız ve yerinden edilme verileri sağlar.

Bir LDV Sisteminin Anahtarları

Lazer Kaynağı

Çoğu ticari LDV sistemleri sürekli bir dalga helium-neon lazer (kırmızı, 633 nm) veya diyot-pumped sağlam devlet lazer (örneğin, 532 nm) seçeneği, s.

Interferometre

Interferometre optik temeldir. Ortak tasarımlar Michelson Interferometre ( temel hız ölçüm için) ve Mach-Zehnder interferometresi (örneğin tarama sistemleri için). Interferometre, sürüklenme stabilitesini korumak zorundadır.

Fotodetector ve Demodulator

Yüksek hızlı bir fotodiode, optik sinyali elektrik akımına dönüştürür.The demodulator (analog veya dijital) hız sinyalini alır. FPGAs kullanarak dijital kesinti, gerçek zamanlı işlem yüksek doğrulukla sağlar. Bazı sistemler, hız sinyalini bütünleştiren bir yer değiştirme decoder içerir.

Scanning Mirrors

Modining LDV (SLDV), iki veyatogonal galvanometre aynaları, yüzeydeki lazer kirişi doğrudan yönlendirmektedir. Bir kontrol ünitesi, uzaysal olarak çözülebilir titreşim haritalarını etkinleştirir. Spatial çözünürlüğü, lazer leke büyüklüğüne bağlıdır (tipik olarak 10-50 μm) ve adım boyutunun taran.

Data Acquisition and Software

Modern LDV sistemleri çok kanallı veri satın alma panjurları (24 bit, 100 MS /s) ve FFT, modal analizi ve operasyonel defleksiyon şekli (ODS) görselleştirme içerir. Gelişmiş sistemler, dakikalar içinde yüzlerce ölçüm noktası alabilir.

LDV Systems Türleri

Single-Point LDV

En temel tip önlemler vibrasyonu sabit bir noktada kullanılır. Geçici yanıt, frekans yanıt işlevleri (FRF), ve test edilemez.Tek nokta LDV, yüksek çözünürlük ve ultrasonik transducer karakterizasyonu için iş.

Modining LDV (SLDV)

SLDV, bir kullanıcı tanımlı ağ üzerindeki vibrasyon ölçümünü otomatikleştirir. Bir bilgisayar kontrol ayna açılarını ve veri yakalamasını sağlar. SLDV, tam alan titreşim haritalarını (amplitude, faz, hız) modal analizi için kullanılan, yapısal sağlık izleme ve akustik kaynak yerelleştirme. Scan süreleri karar ve ölçüm bant genişliğine bağlı olarak birkaç dakikadan değişir.

3D LDV

Üç bağımsız lazer vibrometresi üç farklı yoldan vibrometreler titreşimi ölçmektedir. Üç hız bileşeni tam 3D hareket vektörünü yeniden inşa etmek için birleştirilmiştir. 3D LDV, karmaşık yapıları dış düzlem ve uzayda hareketle analiz etmek için gereklidir, çünkü Türbin bıçakları, yüksek çözünürlükçiler gibi.

Diferansiyel LDV

Yüzeydeki iki nokta arasındaki bağı ölçür (örneğin, bir çatlaklar veya menajer) İki kirişler bitişik noktalara odaklanır; Doppler farkı doğrudan susatma algılaması veya eklem analizi için kullanışlıdır.

Çok-Beam LDV

Birden fazla paralel kirişle sistemler (örneğin, 2×2 veya 4×4 dizi) aynı anda birden fazla puan alır. Multi-beam LDV, her kanal kendi Interferometre ve deküre sahip olsa da, artan maliyete sahiptir.

LDV'nin Akustik ve Titreşim Ölçümü Uygulamaları

Mikroelectromechanical Systems (MEMS)

MEMS cihazları (accelerometreler, gyroskoplar, mikro-mirorörler) mikronların milimetrelere boyutlarını milislere taşıyacaktır. İletişim sensörleri kitlesel ve alter dinamikleri ekleyecektir. LDV, temassız, yüksek bant genişliği (daha fazla spektr) reson frekansları, kaliteli faktörler ve mod şekilleri ölçümler sağlar. Araştırmacılar SLDV'i MEMS kanal hareketine ve membranlara göre haritalar ve membranlar, geçerli olmayan element modelleri sunar.

Yapısal Sağlık İzleme

LDV, havacılık, sivil ve mekanik yapılardaki erken hasarları tespit eder. köprüler üzerinde tarama, uçak ciltleri veya rüzgar türbinleri bıçakları modal parametrelerinde değişiklikler ortaya çıkarır (doğal frekans, baraj veya debonding) çatlakların göstergesi olarak, SLDV, hava kirliliği çatlaklarını uçakla tespit edebilir.

Konuşmacı ve Mikrophone Testi

Loudspeaker kone ve dome vibrasyonu doğrudan ses radyasyonunu etkiler. LDV önlemleri dürtü cevabı, kırılma modları ve kone boyunca birden çok noktadaki bozulmalar ve lazer triangulation'ın aksine, LDV hem ses grubu boyunca hem de faz bilgileri sağlar (20 Hz-20 kHz). Microphone diyafram -whether Konser, dinamik, ya da MEMS - LDV ile hassaslık, frekans yanıtı ve membran üniforması için test edilir.

Biyomedikal Araştırma

LDV, kulaklırum (tipik membran) ve osicles'in titreşimlerini ölçer ve seslendirme mekaniğine dair öngörüler sağlar. Diğer biyomedikal uygulamalar deri basıncı değerlendirme, arter pulbiber hız ve diş implant stabilitesi ölçümü için deri titreşim içerir.

Otomotiv ve Havacılık

Otomotiv NVH (göster, vibrasyon, sertlik) mühendisler SLDV'yi harita paneli titreşimleri, yüksek sıcaklıklar ve hızlar için kullanıyor.In havacılıkta, LDV ölçümlerinde bir motorda, türbülanslı akış sırasındaki kanat titreşimi gibi, yüksek sıcaklıklar ve hızlarda hayatta kalmamış bir pencere kullanarak. LDV aynı zamanda aeroakustik gürültü kaynakları için hesaplamalı akışkan dinamikleri de doğrulamaktadır.

Akustik Kaynak Tanımlama

LDV, yüksek frekanslı kaynaklar için sağlam bir yüzeyin titreşim hızını ölçebilir. Ölçülen yüzey hızı, sınır element yöntemlerine (BEM) veya eşdeğer kaynak modelleri için çok alan ses basıncı tahmin etmek için giriş olarak kullanılır.Bu karma yaklaşım düşük frekanslı kaynaklar için saf mikrofon dizileri ve sabit kaynakları ayrıştırmak için.

Müzikal Instruments

keman sesboards to gitar tops, LDV, tonal kaliteyi belirleyen modu ve barajı ortaya çıkarır. Violin üreticileri SLDV'yi aletleri karşılaştırmak ve kodlamak için kullanır.

Geleneksel Titreşim Ölçüm Yöntemleri Üzerindeki Avantajları

Geleneksel iletişim sensörleri (accelerometreler, sular, kuvvet transdüsers) yapıştırıcı veya bağlantı hattı aracılığıyla ek yükleme gerektirir. Massload, hafif yapıların dinamiklerini değiştirir (örneğin, MEMS, yüksek çözünürlükler, tam köşeli taşıma boşluklarını azaltır.)

Frekans aralığı da üstündür. Tipik hızlar 10 kHz'nin üzerinde yuvarlanır, LDV 20 MHz veya daha yüksek (özelleştirilmiş sistemler) yanıt verir. akustik uygulamalar için, LDV alt-nm / 10 m /s'den 10 m /s'e kadar boşlukları ölçebilir.

Son olarak, LDV, lazer dalga boyuna doğal olarak kalibre edilir. Hızölçerometreler birincil standarta karşı periyodik kalibrasyon gerektirir. LDV'nin izlenebilirliği sayacı tanımına göre% 1'lik doğruluk düşük maliyet sağlar.

Meydanlar ve Mitigations

Çevre Titreşimlerine Hassasiyet

LDV interferometreleri optik kafanın titreşimlerine duyarlıdır ve test yapısı birbirleriyle karşılaştırılır. Low-fret vibrasyonları (< 100 Hz) pasif vitrasyon izolasyon tabloları içerir, referans aynasına geri bildirim kullanarak aktif izolasyonu ve referans ölçümlerinde, kum torbaları ve rüzgar koruyucuları ile ağır tripodlar yardımcı olur.

Yüzey Bit ve Yansıklık

Speküler yansımalar (miror benzeri) sinyal damlaları yüzey eğimleri olarak azaltmaktadır. Diffuse yüzeyler (çoğu mühendislik malzemeleri) iyi çalışır, ancak çok karanlık veya şeffaf yüzeyler retroreflektif kaset veya boya gerektirir. Retroreflective pageing hazırlıksız yüzeylere uygulanabilir. Sıcak veya dönen nesneler için, yüksek sıcaklık boya mevcuttur.

Spekle Gürültü

Kaba bir yüzeyde ölçüm yaparken, lazer kirişi birden rastgele saçlardan yansıtır, fotodetek sinyalini modüle eden bir spektrum yaratır. Speckle gürültü, ortalama düşük frekanslı ölçümler için rastgele bir yaklaşım kullanır. Solutions, daha uzun bir dalga boyun eğlendirici bir lazer kullanarak etkilenir, sertleştirici bir çok ölçümler oluşturabilir veya spektral işaretleyici algoritmaların hareketini takip eden spektralize eder.

Line-of-Sight Gerekliliği

LDV'nin dışsal bir optik yol ihtiyacı var. İç boşluklar veya gizli yüzeyler için, aynalar veya fiber optik problar kirişleri kirişleri yönlendirebilir. Bazı sistemler fiber optik kablo ile bağlantılı bir minyatür prob kafası kullanabilir (fiber-çiftli LDV). ancak, fiber uzunlukta kaybolup kaliteli degrad için fiber uzunlukta.

Maliyet ve Kompleksi

LDV sistemleri, birçok puana ihtiyaç duyduğunda iletişim sensörlerinden 20.000 $ 'dan 20,000+'ye mal oldu.Hazırlık 3D sistemleri taramak için karmaşıktır.Ancak, ölçüm noktası genellikle birçok puana ihtiyaç duyulduğunda iletişim sensörlerinden daha düşük. Kiralama ve ölçüm hizmeti sağlayıcıları LDV'yi fırsata fırsat sunmak için bir hizmet olarak sunar.

Future Yol Tarifi

Miniaturizasyon ve Entegrasyon

Mikro-optik sistemler (MOEMS) çip-ölgezegen LDV'ye entegre lazerler, fotodetektörler ve demodülasyon elektronikleri ile ilgili olarak, tüm fotonik devreleri birkaç yüz dolara mal olabilir, üretim hatları ve yapısal izleme ağları sağlar.

Multimodal Fusion

LDV'yi, kızılötesi termograf, dijital görüntü korelasyon (DIC) ve akustik emisyonu karakterizasyonunu geliştirir. Örneğin, aynı anda LDV ve termografi bir yorgunluk testi üzerinde hem termal hem de mekanik yanıt ortaya çıkarır. Makine öğrenme algoritmaları başarısız olan birden çok modadan verileri kesti.

Gerçek Zamanlı Tam Zamanlı Ölçümler

Mevcut SLDV sistemleri, tarama başına dakikalar gerektiren bir kanıtdır. Yüksek hızlı paralel paralellikler (örneğin, 64 kirişler) ve dijital sinyal işleme donanımına sahip, canlı modal animasyonu elde edebilir.

AI-Enhanced Signal Processing

Makine öğrenme modelleri gürültüden titreşim sinyalleri ayırabilir, modu otomatik olarak tanımlayabilir ve hatta SLDV'den titreşim haritalarını öğrenme, kompozitlerde kusurları sınıflandırmak veya monte edilen yapılarda gevşek cıvataları tespit edebilir. Faz unwrapping algoritmaları kullanarak sinir ağları son derece düzensiz yüzeylerde idare edebilir.

Portre ve Alan-Deployable Systems

Battery-güçlü el-düşütülmüş LDV probları, sahada denetçiler için geliştirilmektedir. Bu sistemler bazı karar ve aralıkları feda eder, ancak tablet tabanlı yazılımlarla birlikte, köprülerin hızlı kontrollerine, boru hatlarına ve rüzgar türbinlerine itiraz etmeden sunar.

Sigara içilmeyen olmayan yüzeylerde akustik ölçüm

LDV zaten vakum odalarında, yüksek sıcaklık ortamlarında (özel optiklerle 1000 °C'ye kadar), ve radyoaktif ortamlar ( ⁇ reaktörler) ve lazer soğutmadaki gelişmeler bu yetenekleri genişletebilir, LDV'yi çekirdekli nükleer yakıt titreşim izleme için standart bir araç haline getirebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Lazer Doppler Vibrometri, sistemden iletişim tabanlı, nokta tabanlı bir görevden, tam zamanlı, yüksek çözünürlüklü bir disipline kadar vibometriye dönüştürüldü.Sistemi test etmeden elde etme yeteneği, MEMS, akustik, yapısal sağlık ve biyomekaniklerde vazgeçilmez hale getirirken, çevresel hassasiyet ve maliyetle devam eden, gerçek zamanlı algılamada mikro- ve AI-yeterli analizler, LDV'yi daha erişilebilir ve güçlü hale getirir.

[0]Further okuması: [Dönem: [Düzd:0)

  • [FONT:0)Polytec: Lazer Doppler Vibrometri Prensibi).
  • [FONT:0)Keysight: Lazer Doppler Vibrometri Çözümleri).
  • [FONT=0)Brual & Kjær: Lazer Doppler Vibrometriye Giriş).
  • [0]Sensors: Yapısal Sağlık İzlemesi için Lazer Doppler Vibrometre Üzerine Bir İnceleme (açık erişim)).
  • [FONT=0)Derin Optik Topluluğunun (Görüntü ve Vibrometri (tarihsel perspektif)).