激光測振儀校準方法研究進展與述評

王月兵，孫旭朋，，姚 磊，陳杭升，3，俞醒言，高申平

（1.中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310018；3.中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018）

激光測振儀能夠實現對物體位移、速度以及加速度等機械量的測量，具有測量精度高、動態響應快、測量范圍大、非接觸性測量、抗電磁干擾等諸多優點.鑒于激光測振儀在振動測量等方面有著獨特的優勢，它越來越受到人們的關注，并在工業生產、振動測試、故障診斷和計量校準等領域得到了廣泛的應用［1－6］.目前，國內外激光測振儀的應用范圍不斷擴大，使用種類和數量也日益增多，所以對激光測振儀的校準技術和方法的研究顯得尤為重要.因此，許多計量機構都對激光測振儀的校準工作展開了研究，相應的校準規范也被先后制定并實施.其中，德國聯邦物理技術研究院（PTB）主持編寫的國際標準ISO16063—41《激光測振儀校準》［7］給出了用振動臺作為激勵源對激光測振儀進行校準的方法，該標準于2011年正式頒布.在此之前其草案得到了廣泛的認可，目前該標準已成為國外許多國家進行激光測振儀校準的參考標準［8－10］.國內標準JJF1219—2009《激光測振儀校準規范》由中航工業北京長城計量測試技術研究所主持編寫并于2009年頒布實施，它給出了激光測振儀的振動法、沖擊法以及調頻電信號校準方法［11］.本文歸納總結了目前激光測振儀校準所用的方法，并就各種方法的校準原理、過程及存在的問題展開了分析，進而提出了相應的改進方案，可作為激光測振儀的校準方法之借鑒.

1 激光測振儀的工作原理

激光測振儀一般基于激光多普勒原理和激光干涉原理等實現振動信息的精確測量，常用的技術主要有：外差測量技術、零差測量技術、全息干涉法測量技術、散斑法測量技術等.鑒于外差測量技術具有測量頻率范圍廣、分辨率高、噪聲低、動態范圍寬、誤差小等優點［15］，激光測振儀大多采用外差測量技術.外差式激光測振儀是基于激光多普勒原理，通過測量物體表面反射回的激光光波的多普勒頻移，進而確定該測點的振動速度V.外差式激光測振儀的工作原理如圖1.

圖1 外差式激光測振儀工作原理圖Figure 1 Working principle diagram of heterodyne laser vibrometers

激光器發出頻率為f的激光束經分光棱鏡分為參考光和測量光兩束光路，參考光經過布拉格盒聲光調制器增加頻率fB，測量光入射到被測物表面，由于被測物表面的振動，反射光將產生多普勒頻移ΔfD，頻率為f＋fB的參考光束和頻率為f＋ΔfD反射光，經反光鏡反射共同投射到光電探測器上產生了拍頻信號，經過電子信號處理系統，最后得到頻率為fB±ΔfD拍頻的電信號經后續數據采集、處理電路，得到物體振動信號.由于光電探測器的輸出信號包含了方向、頻率已知的參考光束，因此能夠分辨出被測物的運動方向、運動幅度（即位移大?。┮约斑\動頻率等振動特性信息.

由激光測振儀的工作原理可知，要對其進行校準，必須提供一個可溯源的標準激勵信號，通過對比被校激光測振儀的輸出信號與標準激勵信號的參數值，實現對激光測振儀的校準.目前，激光測振儀的校準方法按激勵源的類型不同可分為機械運動信號校準（包括振動校準和沖擊校準）、調頻電信號校準和調頻光信號校準.

2 機械運動信號校準

2.1 機械運動信號校準方法

機械運動信號校準是激光測振儀校準方法中應用最普遍、最廣泛的方法，主要包括振動校準和沖擊校準.其校準原理是通過機械運動裝置直接為激光測振儀提供一個標準機械運動量，通常使用振動臺或者沖擊臺作為激勵源.通過測量振動臺（或沖擊臺）的幅值（位移、速度、加速度）和相位，實現對激光測振儀的校準.由于振動臺（或沖擊臺）運動量的幅值和相位信息可通過標準激光測振儀或者參考傳感器獲取，因而校準方法有激光干涉絕對法校準和與參考傳感器比較的比較法校準［3］.激光測振儀絕對法校準采用的標準激光測振儀采用激光干涉技術與數據處理技術（包括條紋計數法、最小點法和正弦逼近法等的任一種）相結合，即需要通過數字化解調激光電路輸出的調頻多普勒原始信號，以實現其溯源性.激光測振儀相對法校準所用的主標準器——標準加速度計套組必須經過激光干涉儀校準，并且其不確定度要小于被校儀器的最大允許誤差的1／3.

機械運動信號校準激光測振儀的原理框圖如圖2.通過上位機控制信號發生器產生標準電信號，通過功率放大器放大后驅動標準振動（或者沖擊）裝置運動，被校激光測振儀和標準激光測振儀（或者參考標準傳感器）同時測量標準振動臺同一點處的振動，對獲取的振動量信息進行采集分析，即可得到被校激光測振儀與參考標準量之間的測量偏差，從而實現對激光測振儀的校準.

圖2 機械運動信號校準激光測振儀原理圖Figure 2 Schematic of mechanical motion signal calibration of laser vibrometers

2.2 機械運動信號校準法存在的問題

機械運動信號校準方法存在有以下問題：1）校準頻率和幅值量程不足.ISO16063—41中指出振動校準法適用于頻率范圍為0.4Hz至50kHz，幅值量程為1nm至1m（位移）、0.1mm／s至1m／s（速度）和0.1m／s2至20km／s2（加速度）的激光測振儀的校準.隨著激光技術和數字信號處理技術的飛速發展，激光測振儀的測量頻率范圍和量程越來越大，盡管G.S.Pineda等人推出標準ISO 16063—41中的方法在振動激勵足夠大的情況下，可以適用于100kHz甚至更高頻率的測量［12］，但受振動臺機械運動的限制，振動校準方法無法覆蓋激光測振儀的振動頻率、幅值量程.沖擊臺彌補了振動臺加速度幅值量程的不足，但其校準頻率、速度量程范圍仍不能滿足校準需求.2）振動臺振動時易產生橫向振動以及失真，影響測量結果；沖擊臺重復性較差，測量不確定度較大.3）采用比較法校準時，通過標準加速度計套組來獲得振動臺的運動參數，不一定保證其不確定度小于被校激光測振儀最大允許誤差的1／3，對高準確度要求的激光測振儀校準該方法欠科學合理.

3 調頻電信號校準

3.1 調頻電信號校準方法

激光測振儀激光干涉部分利用載波技術將被測物的運動信息轉換為調頻電信號，以便信號采集、處理模塊進行后處理分析，得到物體振動特性.調頻電信號校準就是通過模擬激光干涉部分輸出的包含振動信息FM信號，作為標準激勵源對被校外差式激光測振儀的信號采集、處理模塊進行校準.

調頻電信號校準過程如圖3，使用正弦（或方波）調制的FM信號作為校準激勵，載波頻率為被校外差式激光測振儀內布拉格盒產生的已知偏移頻率fB，調制信號頻率為在實際振動頻率測量區間［fL，fH］內選取的任一振動頻率點fi，根據校準的速度量值選擇調制頻率偏移Δfi，通過調制可得到一個包含振動信息的FM信號，其數學表達式為

圖3 調頻電信號校準激光測振儀原理圖Figure 3 Schematic of FM electric signal calibration of laser vibrometers

將該FM信號分成兩路，一路接入被校激光測振儀的信號采集、處理模塊，經其解調處理輸出正弦響應信號S1（或方波信號）；另一路接入數字存儲示波器.數字存儲示波器同步采集激光測振儀輸出的正弦信號S1和原始FM信號，將采集到的FM信號用數字化解調方法、最小二乘擬合方法得到標準調制信號S2，通過信號S1與信號S2對比獲得相移、延遲等關鍵參數［13－14］.

3.2 調頻電信號校準存在的問題及改進方案

該方法彌補了振動臺測量量程不足的缺陷，實現了50kHz以上激光測振儀校準的溯源問題，但該方法存在以下局限.

1）整體方法上：該方法只能校準外差式激光測振儀的信號采集、處理模塊，而無法校準激光干涉測量部分，即不能對激光測振儀整體進行校準.同時，該校準方法存在應用局限性，只適于激光干涉部分與信號采集、處理模塊可分離且留有信號輸入接口的外差式激光測振儀.

2）測量準確度上：采用數字化解調對測量結果帶來的誤差無法進行定量測量，因此該方法忽略了數字化解調對測量結果帶來的影響.另外，數字存儲示波器通道間延遲時間也會對測量結果帶來影響，如果需要準確的測量結果，或者被校和標準延遲時間量值比較小時，必須考慮通道間延時問題，減小其影響.

3）實際操作中：調頻電信號校準法在理論上所能校準的頻率范圍和速度范圍很寬，但實際操作時發現其對FM信號源和數字存儲示波器提出了很高的要求.一方面，FM信號發生模塊必須保證所能調制的頻率范圍要覆蓋被校激光測振儀的測量頻率范圍（0.2Hz～50kHz甚至更高）.根據多普勒原理公式ΔfD＝2V／λ計算可得，若要達到V＝10m／s的速度，則頻偏ΔfD＝31.6MHz.寬的調制頻率范圍以及大的頻率偏移量，這對FM信號發生模塊提出了很高的要求；另一方面，數字存儲示波器需采集高頻FM信號，以便用數字化解調方法解調出調制信號.要實現FM信號的數字化解調，需要采集至少包含一個調制信號周期以上的FM信號，為保證波形不失真，要使每個載波信號周期采集4個點以上，這就對數字存儲示波器的存儲深度提出了很高的要求.

上述問題可采用以下方法進行改進：采用數字化解調的目的是為了排除頻率調制過程帶來的影響，保證測量數據的準確性.若能夠保證FM信號發生模塊在進行頻率調制過程中，對原始調制波形造成的延時和上升時間等的影響很小，在可接受的允差之內，便可用原始調制信號代替數字化解調出的信號，省去了數字化解調過程，從而消除了軟件解調過程帶來的影響，降低對數字存儲示波器的要求.

通過在FPGA內設計基于雙DDS電路結構的信號發生器，用數字的方法直接實現了標準波形和FM調制波形的雙通道輸出，保證其能同步發出方波調制的FM信號和參考方波信號，且實現了調制頻率范圍覆蓋0.1Hz至300kHz.通過實驗對該FM信號發生模塊的性能指標進行了驗證，調制信號為0.1Hz至300kHz的方波，通過NI 5782以250MS／s的更新率發出載波頻率為100MHz的FM信號（最大±20MHz的頻偏），以500MS／s的采樣率對FM信號和原始方波信號進行采集并對FM信號進行實時解調，解調后的信號（虛線）與原始方波信號（實線）的波形如圖4.

由于時鐘運行頻率為50MHz，故顯示窗口中每兩個數據點之間的時間間隔為20ns.從圖4中可以看出解調出的調制方波信號與原始參考方波信號之間的延時和上升時間偏差均在2個時間間隔之內，即其帶來的影響小于40ns，遠小于激光測振儀自身的延時和上升時間（毫秒級）.因此用原始信號代替數字化解調的信號對激光測振儀信號采集、處理模塊進行校準的方法是可行的，能夠消除數字化解調對測量結果帶來的影響，并降低了對數字存儲示波器采樣率和存儲深度的要求.

圖4 解調出的方波信號與原始參考方波信號波形圖Figure 4 The waveforms of demodulated square wave signals and original reference square wave signals

4 調頻光信號校準方法

4.1 調頻光信號校準方法

所謂的調頻光信號校準方法就是采用包含振動信息的標準調頻光信號作為激勵源，輸入到被校激光測振儀測量光路，通過被校激光測振儀顯示的振動量與標準調頻光信號所包含的標準振動量的比對來實現校準.其中，標準調頻光信號可通過光柵調制、電光調制、聲光調制等方式實現［16］.

用調頻光信號校準激光測振儀在原理上是可行的，中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所申請的發明專利［17］中給出了校準裝置的理論模型.圖5中激光測振儀發出的激光經過測量光束適配器和分光鏡后進入光頻調制器，光頻調制器實現對測量光的頻率調制，其出射光經平面反射鏡1、2、3后回到分光鏡，之后沿原路徑經測量光束適配器返回到激光測振儀，激光測振儀測量返回激光的頻率并將其轉化為電信號，經數據采集、處理系統將電壓信號轉換為速度信號，并與設定的標準速度信號進行比較處理，從而實現對激光測振儀的校準.

圖5 光頻法校準激光測振儀裝置示意圖Figure 5 Schematic of FM optical signal calibration method of laser vibrometers

4.2 調頻光信號校準法存在的問題及改進方案

上述方法對激光測振儀的測量光直接進行頻率調制，用被校激光測振儀自身的激光源進行校準，并不完全符合計量校準溯源的要求（即標準器不能為被測設備）.目前，尚無相關文獻資料給出利用光頻法校準激光測振儀的實驗數據及結果，光頻法所能校準的頻率范圍、速度范圍以及測量準確度等問題還處在理論研究階段，有待進一步的研究探索.

針對上述不符合計量校準溯源要求的問題，可以采用外源調頻光信號校準法予以解決.用包含振動信息的標準外源激光調制信號代替被校激光測振儀測量光束，通過設計合理的校準光路及精密姿態調整裝置、角度調整裝置等對激光光束進行適應性的調整，使其能夠精確地按原路返回到被校激光測振中.對于被校激光測振儀的自身測量光路，可采用空間光隔離器等光學器件予以消除，排除其對測量結果的影響，實現對激光測振儀的校準.

5 結 語

目前激光測振儀校準方法發展趨勢可歸納為：1）對激光測振儀進行整機校準.2）校準的頻率范圍、幅值范圍更寬；3）校準準確度更高.機械運動信號校準法能夠實現整機校準但其校準頻率、幅值范圍不寬；調頻電信號校準法校準的頻率、幅值范圍較寬，可以實現50kHz以上激光測振儀校準的溯源問題.本文提出的改進方案降低了對硬件設備的要求，并提高了校準準確度和校準范圍，使其能更好地應用于激光測振儀的校準，但該方法無法進行整機校準；調頻光信號校準法理論上可以彌補上述兩種校準方法的不足，但至今仍處于理論研究階段，將其應用到激光測振儀的校準是未來研究的方向.

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