激光测振仪校准方法研究进展与述评

王月兵，孙旭朋，，姚 磊，陈杭升，3，俞醒言，高申平

（1.中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018；3.中国计量学院 机电工程学院，浙江 杭州 310018）

激光测振仪能够实现对物体位移、速度以及加速度等机械量的测量，具有测量精度高、动态响应快、测量范围大、非接触性测量、抗电磁干扰等诸多优点.鉴于激光测振仪在振动测量等方面有着独特的优势，它越来越受到人们的关注，并在工业生产、振动测试、故障诊断和计量校准等领域得到了广泛的应用［1－6］.目前，国内外激光测振仪的应用范围不断扩大，使用种类和数量也日益增多，所以对激光测振仪的校准技术和方法的研究显得尤为重要.因此，许多计量机构都对激光测振仪的校准工作展开了研究，相应的校准规范也被先后制定并实施.其中，德国联邦物理技术研究院（PTB）主持编写的国际标准ISO16063—41《激光测振仪校准》［7］给出了用振动台作为激励源对激光测振仪进行校准的方法，该标准于2011年正式颁布.在此之前其草案得到了广泛的认可，目前该标准已成为国外许多国家进行激光测振仪校准的参考标准［8－10］.国内标准JJF1219—2009《激光测振仪校准规范》由中航工业北京长城计量测试技术研究所主持编写并于2009年颁布实施，它给出了激光测振仪的振动法、冲击法以及调频电信号校准方法［11］.本文归纳总结了目前激光测振仪校准所用的方法，并就各种方法的校准原理、过程及存在的问题展开了分析，进而提出了相应的改进方案，可作为激光测振仪的校准方法之借鉴.

1 激光测振仪的工作原理

激光测振仪一般基于激光多普勒原理和激光干涉原理等实现振动信息的精确测量，常用的技术主要有：外差测量技术、零差测量技术、全息干涉法测量技术、散斑法测量技术等.鉴于外差测量技术具有测量频率范围广、分辨率高、噪声低、动态范围宽、误差小等优点［15］，激光测振仪大多采用外差测量技术.外差式激光测振仪是基于激光多普勒原理，通过测量物体表面反射回的激光光波的多普勒频移，进而确定该测点的振动速度V.外差式激光测振仪的工作原理如图1.

图1 外差式激光测振仪工作原理图Figure 1 Working principle diagram of heterodyne laser vibrometers

激光器发出频率为f的激光束经分光棱镜分为参考光和测量光两束光路，参考光经过布拉格盒声光调制器增加频率fB，测量光入射到被测物表面，由于被测物表面的振动，反射光将产生多普勒频移ΔfD，频率为f＋fB的参考光束和频率为f＋ΔfD反射光，经反光镜反射共同投射到光电探测器上产生了拍频信号，经过电子信号处理系统，最后得到频率为fB±ΔfD拍频的电信号经后续数据采集、处理电路，得到物体振动信号.由于光电探测器的输出信号包含了方向、频率已知的参考光束，因此能够分辨出被测物的运动方向、运动幅度（即位移大小）以及运动频率等振动特性信息.

由激光测振仪的工作原理可知，要对其进行校准，必须提供一个可溯源的标准激励信号，通过对比被校激光测振仪的输出信号与标准激励信号的参数值，实现对激光测振仪的校准.目前，激光测振仪的校准方法按激励源的类型不同可分为机械运动信号校准（包括振动校准和冲击校准）、调频电信号校准和调频光信号校准.

2 机械运动信号校准

2.1 机械运动信号校准方法

机械运动信号校准是激光测振仪校准方法中应用最普遍、最广泛的方法，主要包括振动校准和冲击校准.其校准原理是通过机械运动装置直接为激光测振仪提供一个标准机械运动量，通常使用振动台或者冲击台作为激励源.通过测量振动台（或冲击台）的幅值（位移、速度、加速度）和相位，实现对激光测振仪的校准.由于振动台（或冲击台）运动量的幅值和相位信息可通过标准激光测振仪或者参考传感器获取，因而校准方法有激光干涉绝对法校准和与参考传感器比较的比较法校准［3］.激光测振仪绝对法校准采用的标准激光测振仪采用激光干涉技术与数据处理技术（包括条纹计数法、最小点法和正弦逼近法等的任一种）相结合，即需要通过数字化解调激光电路输出的调频多普勒原始信号，以实现其溯源性.激光测振仪相对法校准所用的主标准器——标准加速度计套组必须经过激光干涉仪校准，并且其不确定度要小于被校仪器的最大允许误差的1／3.

机械运动信号校准激光测振仪的原理框图如图2.通过上位机控制信号发生器产生标准电信号，通过功率放大器放大后驱动标准振动（或者冲击）装置运动，被校激光测振仪和标准激光测振仪（或者参考标准传感器）同时测量标准振动台同一点处的振动，对获取的振动量信息进行采集分析，即可得到被校激光测振仪与参考标准量之间的测量偏差，从而实现对激光测振仪的校准.

图2 机械运动信号校准激光测振仪原理图Figure 2 Schematic of mechanical motion signal calibration of laser vibrometers

2.2 机械运动信号校准法存在的问题

机械运动信号校准方法存在有以下问题：1）校准频率和幅值量程不足.ISO16063—41中指出振动校准法适用于频率范围为0.4Hz至50kHz，幅值量程为1nm至1m（位移）、0.1mm／s至1m／s（速度）和0.1m／s2至20km／s2（加速度）的激光测振仪的校准.随着激光技术和数字信号处理技术的飞速发展，激光测振仪的测量频率范围和量程越来越大，尽管G.S.Pineda等人推出标准ISO 16063—41中的方法在振动激励足够大的情况下，可以适用于100kHz甚至更高频率的测量［12］，但受振动台机械运动的限制，振动校准方法无法覆盖激光测振仪的振动频率、幅值量程.冲击台弥补了振动台加速度幅值量程的不足，但其校准频率、速度量程范围仍不能满足校准需求.2）振动台振动时易产生横向振动以及失真，影响测量结果；冲击台重复性较差，测量不确定度较大.3）采用比较法校准时，通过标准加速度计套组来获得振动台的运动参数，不一定保证其不确定度小于被校激光测振仪最大允许误差的1／3，对高准确度要求的激光测振仪校准该方法欠科学合理.

3 调频电信号校准

3.1 调频电信号校准方法

激光测振仪激光干涉部分利用载波技术将被测物的运动信息转换为调频电信号，以便信号采集、处理模块进行后处理分析，得到物体振动特性.调频电信号校准就是通过模拟激光干涉部分输出的包含振动信息FM信号，作为标准激励源对被校外差式激光测振仪的信号采集、处理模块进行校准.

调频电信号校准过程如图3，使用正弦（或方波）调制的FM信号作为校准激励，载波频率为被校外差式激光测振仪内布拉格盒产生的已知偏移频率fB，调制信号频率为在实际振动频率测量区间［fL，fH］内选取的任一振动频率点fi，根据校准的速度量值选择调制频率偏移Δfi，通过调制可得到一个包含振动信息的FM信号，其数学表达式为

图3 调频电信号校准激光测振仪原理图Figure 3 Schematic of FM electric signal calibration of laser vibrometers

将该FM信号分成两路，一路接入被校激光测振仪的信号采集、处理模块，经其解调处理输出正弦响应信号S1（或方波信号）；另一路接入数字存储示波器.数字存储示波器同步采集激光测振仪输出的正弦信号S1和原始FM信号，将采集到的FM信号用数字化解调方法、最小二乘拟合方法得到标准调制信号S2，通过信号S1与信号S2对比获得相移、延迟等关键参数［13－14］.

3.2 调频电信号校准存在的问题及改进方案

该方法弥补了振动台测量量程不足的缺陷，实现了50kHz以上激光测振仪校准的溯源问题，但该方法存在以下局限.

1）整体方法上：该方法只能校准外差式激光测振仪的信号采集、处理模块，而无法校准激光干涉测量部分，即不能对激光测振仪整体进行校准.同时，该校准方法存在应用局限性，只适于激光干涉部分与信号采集、处理模块可分离且留有信号输入接口的外差式激光测振仪.

2）测量准确度上：采用数字化解调对测量结果带来的误差无法进行定量测量，因此该方法忽略了数字化解调对测量结果带来的影响.另外，数字存储示波器通道间延迟时间也会对测量结果带来影响，如果需要准确的测量结果，或者被校和标准延迟时间量值比较小时，必须考虑通道间延时问题，减小其影响.

3）实际操作中：调频电信号校准法在理论上所能校准的频率范围和速度范围很宽，但实际操作时发现其对FM信号源和数字存储示波器提出了很高的要求.一方面，FM信号发生模块必须保证所能调制的频率范围要覆盖被校激光测振仪的测量频率范围（0.2Hz～50kHz甚至更高）.根据多普勒原理公式ΔfD＝2V／λ计算可得，若要达到V＝10m／s的速度，则频偏ΔfD＝31.6MHz.宽的调制频率范围以及大的频率偏移量，这对FM信号发生模块提出了很高的要求；另一方面，数字存储示波器需采集高频FM信号，以便用数字化解调方法解调出调制信号.要实现FM信号的数字化解调，需要采集至少包含一个调制信号周期以上的FM信号，为保证波形不失真，要使每个载波信号周期采集4个点以上，这就对数字存储示波器的存储深度提出了很高的要求.

上述问题可采用以下方法进行改进：采用数字化解调的目的是为了排除频率调制过程带来的影响，保证测量数据的准确性.若能够保证FM信号发生模块在进行频率调制过程中，对原始调制波形造成的延时和上升时间等的影响很小，在可接受的允差之内，便可用原始调制信号代替数字化解调出的信号，省去了数字化解调过程，从而消除了软件解调过程带来的影响，降低对数字存储示波器的要求.

通过在FPGA内设计基于双DDS电路结构的信号发生器，用数字的方法直接实现了标准波形和FM调制波形的双通道输出，保证其能同步发出方波调制的FM信号和参考方波信号，且实现了调制频率范围覆盖0.1Hz至300kHz.通过实验对该FM信号发生模块的性能指标进行了验证，调制信号为0.1Hz至300kHz的方波，通过NI 5782以250MS／s的更新率发出载波频率为100MHz的FM信号（最大±20MHz的频偏），以500MS／s的采样率对FM信号和原始方波信号进行采集并对FM信号进行实时解调，解调后的信号（虚线）与原始方波信号（实线）的波形如图4.

由于时钟运行频率为50MHz，故显示窗口中每两个数据点之间的时间间隔为20ns.从图4中可以看出解调出的调制方波信号与原始参考方波信号之间的延时和上升时间偏差均在2个时间间隔之内，即其带来的影响小于40ns，远小于激光测振仪自身的延时和上升时间（毫秒级）.因此用原始信号代替数字化解调的信号对激光测振仪信号采集、处理模块进行校准的方法是可行的，能够消除数字化解调对测量结果带来的影响，并降低了对数字存储示波器采样率和存储深度的要求.

图4 解调出的方波信号与原始参考方波信号波形图Figure 4 The waveforms of demodulated square wave signals and original reference square wave signals

4 调频光信号校准方法

4.1 调频光信号校准方法

所谓的调频光信号校准方法就是采用包含振动信息的标准调频光信号作为激励源，输入到被校激光测振仪测量光路，通过被校激光测振仪显示的振动量与标准调频光信号所包含的标准振动量的比对来实现校准.其中，标准调频光信号可通过光栅调制、电光调制、声光调制等方式实现［16］.

用调频光信号校准激光测振仪在原理上是可行的，中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所申请的发明专利［17］中给出了校准装置的理论模型.图5中激光测振仪发出的激光经过测量光束适配器和分光镜后进入光频调制器，光频调制器实现对测量光的频率调制，其出射光经平面反射镜1、2、3后回到分光镜，之后沿原路径经测量光束适配器返回到激光测振仪，激光测振仪测量返回激光的频率并将其转化为电信号，经数据采集、处理系统将电压信号转换为速度信号，并与设定的标准速度信号进行比较处理，从而实现对激光测振仪的校准.

图5 光频法校准激光测振仪装置示意图Figure 5 Schematic of FM optical signal calibration method of laser vibrometers

4.2 调频光信号校准法存在的问题及改进方案

上述方法对激光测振仪的测量光直接进行频率调制，用被校激光测振仪自身的激光源进行校准，并不完全符合计量校准溯源的要求（即标准器不能为被测设备）.目前，尚无相关文献资料给出利用光频法校准激光测振仪的实验数据及结果，光频法所能校准的频率范围、速度范围以及测量准确度等问题还处在理论研究阶段，有待进一步的研究探索.

针对上述不符合计量校准溯源要求的问题，可以采用外源调频光信号校准法予以解决.用包含振动信息的标准外源激光调制信号代替被校激光测振仪测量光束，通过设计合理的校准光路及精密姿态调整装置、角度调整装置等对激光光束进行适应性的调整，使其能够精确地按原路返回到被校激光测振中.对于被校激光测振仪的自身测量光路，可采用空间光隔离器等光学器件予以消除，排除其对测量结果的影响，实现对激光测振仪的校准.

5 结 语

目前激光测振仪校准方法发展趋势可归纳为：1）对激光测振仪进行整机校准.2）校准的频率范围、幅值范围更宽；3）校准准确度更高.机械运动信号校准法能够实现整机校准但其校准频率、幅值范围不宽；调频电信号校准法校准的频率、幅值范围较宽，可以实现50kHz以上激光测振仪校准的溯源问题.本文提出的改进方案降低了对硬件设备的要求，并提高了校准准确度和校准范围，使其能更好地应用于激光测振仪的校准，但该方法无法进行整机校准；调频光信号校准法理论上可以弥补上述两种校准方法的不足，但至今仍处于理论研究阶段，将其应用到激光测振仪的校准是未来研究的方向.

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