王月兵，孫旭朋，，姚 磊，陳杭升，3，俞醒言，高申平

（1.中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省計量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018；3.中國計量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

激光測振儀能夠?qū)崿F(xiàn)對物體位移、速度以及加速度等機(jī)械量的測量，具有測量精度高、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大、非接觸性測量、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn).鑒于激光測振儀在振動測量等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，它越來越受到人們的關(guān)注，并在工業(yè)生產(chǎn)、振動測試、故障診斷和計量校準(zhǔn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1－6］.目前，國內(nèi)外激光測振儀的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，使用種類和數(shù)量也日益增多，所以對激光測振儀的校準(zhǔn)技術(shù)和方法的研究顯得尤為重要.因此，許多計量機(jī)構(gòu)都對激光測振儀的校準(zhǔn)工作展開了研究，相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范也被先后制定并實(shí)施.其中，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）主持編寫的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO16063—41《激光測振儀校準(zhǔn)》［7］給出了用振動臺作為激勵源對激光測振儀進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，該標(biāo)準(zhǔn)于2011年正式頒布.在此之前其草案得到了廣泛的認(rèn)可，目前該標(biāo)準(zhǔn)已成為國外許多國家進(jìn)行激光測振儀校準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)［8－10］.國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)JJF1219—2009《激光測振儀校準(zhǔn)規(guī)范》由中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所主持編寫并于2009年頒布實(shí)施，它給出了激光測振儀的振動法、沖擊法以及調(diào)頻電信號校準(zhǔn)方法［11］.本文歸納總結(jié)了目前激光測振儀校準(zhǔn)所用的方法，并就各種方法的校準(zhǔn)原理、過程及存在的問題展開了分析，進(jìn)而提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，可作為激光測振儀的校準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)振動信息的精確測量，常用的技術(shù)主要有：外差測量技術(shù)、零差測量技術(shù)、全息干涉法測量技術(shù)、散斑法測量技術(shù)等.鑒于外差測量技術(shù)具有測量頻率范圍廣、分辨率高、噪聲低、動態(tài)范圍寬、誤差小等優(yōu)點(diǎn)［15］，激光測振儀大多采用外差測量技術(shù).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(jìn)而確定該測點(diǎn)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(fā)出頻率為f的激光束經(jīng)分光棱鏡分為參考光和測量光兩束光路，參考光經(jīng)過布拉格盒聲光調(diào)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(chǎn)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(jīng)反光鏡反射共同投射到光電探測器上產(chǎn)生了拍頻信號，經(jīng)過電子信號處理系統(tǒng)，最后得到頻率為fB±ΔfD拍頻的電信號經(jīng)后續(xù)數(shù)據(jù)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(yùn)動方向、運(yùn)動幅度（即位移大小）以及運(yùn)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(jìn)行校準(zhǔn)，必須提供一個可溯源的標(biāo)準(zhǔn)激勵信號，通過對比被校激光測振儀的輸出信號與標(biāo)準(zhǔn)激勵信號的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對激光測振儀的校準(zhǔn).目前，激光測振儀的校準(zhǔn)方法按激勵源的類型不同可分為機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)（包括振動校準(zhǔn)和沖擊校準(zhǔn)）、調(diào)頻電信號校準(zhǔn)和調(diào)頻光信號校準(zhǔn).

2 機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)

2.1 機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)方法

機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)是激光測振儀校準(zhǔn)方法中應(yīng)用最普遍、最廣泛的方法，主要包括振動校準(zhǔn)和沖擊校準(zhǔn).其校準(zhǔn)原理是通過機(jī)械運(yùn)動裝置直接為激光測振儀提供一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械運(yùn)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(shí)現(xiàn)對激光測振儀的校準(zhǔn).由于振動臺（或沖擊臺）運(yùn)動量的幅值和相位信息可通過標(biāo)準(zhǔn)激光測振儀或者參考傳感器獲取，因而校準(zhǔn)方法有激光干涉絕對法校準(zhǔn)和與參考傳感器比較的比較法校準(zhǔn)［3］.激光測振儀絕對法校準(zhǔn)采用的標(biāo)準(zhǔn)激光測振儀采用激光干涉技術(shù)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)（包括條紋計數(shù)法、最小點(diǎn)法和正弦逼近法等的任一種）相結(jié)合，即需要通過數(shù)字化解調(diào)激光電路輸出的調(diào)頻多普勒原始信號，以實(shí)現(xiàn)其溯源性.激光測振儀相對法校準(zhǔn)所用的主標(biāo)準(zhǔn)器——標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組必須經(jīng)過激光干涉儀校準(zhǔn)，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(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)激光測振儀的原理框圖如圖2.通過上位機(jī)控制信號發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電信號，通過功率放大器放大后驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)振動（或者沖擊）裝置運(yùn)動，被校激光測振儀和標(biāo)準(zhǔn)激光測振儀（或者參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器）同時測量標(biāo)準(zhǔn)振動臺同一點(diǎn)處的振動，對獲取的振動量信息進(jìn)行采集分析，即可得到被校激光測振儀與參考標(biāo)準(zhǔn)量之間的測量偏差，從而實(shí)現(xiàn)對激光測振儀的校準(zhǔn).

圖2 機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)激光測振儀原理圖Figure 2 Schematic of mechanical motion signal calibration of laser vibrometers

2.2 機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)法存在的問題

機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)方法存在有以下問題：1）校準(zhǔn)頻率和幅值量程不足.ISO16063—41中指出振動校準(zhǔn)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(zhǔn).隨著激光技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)械運(yùn)動的限制，振動校準(zhǔn)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(bǔ)了振動臺加速度幅值量程的不足，但其校準(zhǔn)頻率、速度量程范圍仍不能滿足校準(zhǔn)需求.2）振動臺振動時易產(chǎn)生橫向振動以及失真，影響測量結(jié)果；沖擊臺重復(fù)性較差，測量不確定度較大.3）采用比較法校準(zhǔn)時，通過標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組來獲得振動臺的運(yùn)動參數(shù)，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(zhǔn)確度要求的激光測振儀校準(zhǔn)該方法欠科學(xué)合理.

3 調(diào)頻電信號校準(zhǔn)

3.1 調(diào)頻電信號校準(zhǔn)方法

激光測振儀激光干涉部分利用載波技術(shù)將被測物的運(yùn)動信息轉(zhuǎn)換為調(diào)頻電信號，以便信號采集、處理模塊進(jìn)行后處理分析，得到物體振動特性.調(diào)頻電信號校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)激勵源對被校外差式激光測振儀的信號采集、處理模塊進(jìn)行校準(zhǔn).

調(diào)頻電信號校準(zhǔn)過程如圖3，使用正弦（或方波）調(diào)制的FM信號作為校準(zhǔn)激勵，載波頻率為被校外差式激光測振儀內(nèi)布拉格盒產(chǎn)生的已知偏移頻率fB，調(diào)制信號頻率為在實(shí)際振動頻率測量區(qū)間［fL，fH］內(nèi)選取的任一振動頻率點(diǎn)fi，根據(jù)校準(zhǔn)的速度量值選擇調(diào)制頻率偏移Δfi，通過調(diào)制可得到一個包含振動信息的FM信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖3 調(diào)頻電信號校準(zhǔn)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(jīng)其解調(diào)處理輸出正弦響應(yīng)信號S1（或方波信號）；另一路接入數(shù)字存儲示波器.數(shù)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(shù)字化解調(diào)方法、最小二乘擬合方法得到標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號S2，通過信號S1與信號S2對比獲得相移、延遲等關(guān)鍵參數(shù)［13－14］.

3.2 調(diào)頻電信號校準(zhǔn)存在的問題及改進(jìn)方案

該方法彌補(bǔ)了振動臺測量量程不足的缺陷，實(shí)現(xiàn)了50kHz以上激光測振儀校準(zhǔn)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(zhǔn)外差式激光測振儀的信號采集、處理模塊，而無法校準(zhǔn)激光干涉測量部分，即不能對激光測振儀整體進(jìn)行校準(zhǔn).同時，該校準(zhǔn)方法存在應(yīng)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(zhǔn)確度上：采用數(shù)字化解調(diào)對測量結(jié)果帶來的誤差無法進(jìn)行定量測量，因此該方法忽略了數(shù)字化解調(diào)對測量結(jié)果帶來的影響.另外，數(shù)字存儲示波器通道間延遲時間也會對測量結(jié)果帶來影響，如果需要準(zhǔn)確的測量結(jié)果，或者被校和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際操作中：調(diào)頻電信號校準(zhǔn)法在理論上所能校準(zhǔn)的頻率范圍和速度范圍很寬，但實(shí)際操作時發(fā)現(xiàn)其對FM信號源和數(shù)字存儲示波器提出了很高的要求.一方面，F(xiàn)M信號發(fā)生模塊必須保證所能調(diào)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(jù)多普勒原理公式ΔfD＝2V／λ計算可得，若要達(dá)到V＝10m／s的速度，則頻偏ΔfD＝31.6MHz.寬的調(diào)制頻率范圍以及大的頻率偏移量，這對FM信號發(fā)生模塊提出了很高的要求；另一方面，數(shù)字存儲示波器需采集高頻FM信號，以便用數(shù)字化解調(diào)方法解調(diào)出調(diào)制信號.要實(shí)現(xiàn)FM信號的數(shù)字化解調(diào)，需要采集至少包含一個調(diào)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(diǎn)以上，這就對數(shù)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(jìn)行改進(jìn)：采用數(shù)字化解調(diào)的目的是為了排除頻率調(diào)制過程帶來的影響，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.若能夠保證FM信號發(fā)生模塊在進(jìn)行頻率調(diào)制過程中，對原始調(diào)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(nèi)，便可用原始調(diào)制信號代替數(shù)字化解調(diào)出的信號，省去了數(shù)字化解調(diào)過程，從而消除了軟件解調(diào)過程帶來的影響，降低對數(shù)字存儲示波器的要求.

通過在FPGA內(nèi)設(shè)計基于雙DDS電路結(jié)構(gòu)的信號發(fā)生器，用數(shù)字的方法直接實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)波形和FM調(diào)制波形的雙通道輸出，保證其能同步發(fā)出方波調(diào)制的FM信號和參考方波信號，且實(shí)現(xiàn)了調(diào)制頻率范圍覆蓋0.1Hz至300kHz.通過實(shí)驗(yàn)對該FM信號發(fā)生模塊的性能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，調(diào)制信號為0.1Hz至300kHz的方波，通過NI 5782以250MS／s的更新率發(fā)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(jìn)行采集并對FM信號進(jìn)行實(shí)時解調(diào)，解調(diào)后的信號（虛線）與原始方波信號（實(shí)線）的波形如圖4.

由于時鐘運(yùn)行頻率為50MHz，故顯示窗口中每兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時間間隔為20ns.從圖4中可以看出解調(diào)出的調(diào)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(nèi)，即其帶來的影響小于40ns，遠(yuǎn)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(shù)字化解調(diào)的信號對激光測振儀信號采集、處理模塊進(jìn)行校準(zhǔn)的方法是可行的，能夠消除數(shù)字化解調(diào)對測量結(jié)果帶來的影響，并降低了對數(shù)字存儲示波器采樣率和存儲深度的要求.

圖4 解調(diào)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(diào)頻光信號校準(zhǔn)方法

4.1 調(diào)頻光信號校準(zhǔn)方法

所謂的調(diào)頻光信號校準(zhǔn)方法就是采用包含振動信息的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)調(diào)頻光信號所包含的標(biāo)準(zhǔn)振動量的比對來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn).其中，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)頻光信號可通過光柵調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制等方式實(shí)現(xiàn)［16］.

用調(diào)頻光信號校準(zhǔn)激光測振儀在原理上是可行的，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所申請的發(fā)明專利［17］中給出了校準(zhǔn)裝置的理論模型.圖5中激光測振儀發(fā)出的激光經(jīng)過測量光束適配器和分光鏡后進(jìn)入光頻調(diào)制器，光頻調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對測量光的頻率調(diào)制，其出射光經(jīng)平面反射鏡1、2、3后回到分光鏡，之后沿原路徑經(jīng)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(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)將電壓信號轉(zhuǎn)換為速度信號，并與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)速度信號進(jìn)行比較處理，從而實(shí)現(xiàn)對激光測振儀的校準(zhǔn).

圖5 光頻法校準(zhǔn)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(diào)頻光信號校準(zhǔn)法存在的問題及改進(jìn)方案

上述方法對激光測振儀的測量光直接進(jìn)行頻率調(diào)制，用被校激光測振儀自身的激光源進(jìn)行校準(zhǔn)，并不完全符合計量校準(zhǔn)溯源的要求（即標(biāo)準(zhǔn)器不能為被測設(shè)備）.目前，尚無相關(guān)文獻(xiàn)資料給出利用光頻法校準(zhǔn)激光測振儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果，光頻法所能校準(zhǔn)的頻率范圍、速度范圍以及測量準(zhǔn)確度等問題還處在理論研究階段，有待進(jìn)一步的研究探索.

針對上述不符合計量校準(zhǔn)溯源要求的問題，可以采用外源調(diào)頻光信號校準(zhǔn)法予以解決.用包含振動信息的標(biāo)準(zhǔn)外源激光調(diào)制信號代替被校激光測振儀測量光束，通過設(shè)計合理的校準(zhǔn)光路及精密姿態(tài)調(diào)整裝置、角度調(diào)整裝置等對激光光束進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)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(xué)器件予以消除，排除其對測量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)對激光測振儀的校準(zhǔn).

5 結(jié) 語

目前激光測振儀校準(zhǔn)方法發(fā)展趨勢可歸納為：1）對激光測振儀進(jìn)行整機(jī)校準(zhǔn).2）校準(zhǔn)的頻率范圍、幅值范圍更寬；3）校準(zhǔn)準(zhǔn)確度更高.機(jī)械運(yùn)動信號校準(zhǔn)法能夠?qū)崿F(xiàn)整機(jī)校準(zhǔn)但其校準(zhǔn)頻率、幅值范圍不寬；調(diào)頻電信號校準(zhǔn)法校準(zhǔn)的頻率、幅值范圍較寬，可以實(shí)現(xiàn)50kHz以上激光測振儀校準(zhǔn)的溯源問題.本文提出的改進(jìn)方案降低了對硬件設(shè)備的要求，并提高了校準(zhǔn)準(zhǔn)確度和校準(zhǔn)范圍，使其能更好地應(yīng)用于激光測振儀的校準(zhǔn)，但該方法無法進(jìn)行整機(jī)校準(zhǔn)；調(diào)頻光信號校準(zhǔn)法理論上可以彌補(bǔ)上述兩種校準(zhǔn)方法的不足，但至今仍處于理論研究階段，將其應(yīng)用到激光測振儀的校準(zhǔn)是未來研究的方向.

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