레이저 도플러 진동계

Laser Doppler vibrometer
레이저 도플러 진동계의 기본 구성 요소

레이저 도플러 진동계(LDV)는 표면의 비접촉 진동 측정에 사용되는 과학 장비다. LDV에서 나오는 레이저 빔은 관심 표면을 향하고, 표면의 움직임으로 인해 반사된 레이저 빔 주파수의 도플러 시프트에서 진동 진폭과 주파수를 추출한다. LDV의 출력은 일반적으로 레이저 빔의 방향을 따라 목표 속도 구성요소에 정비례하는 연속 아날로그 전압이다.

가속도계와 같은 유사한 측정 장치에 비해 LDV의 몇 가지 이점은 LDV가 접근이 어렵거나 물리적 변환기를 부착하기에 너무 작거나 너무 뜨거울 수 있는 표적을 향할 수 있다는 것이다. 또한 LDV는 대상을 대량으로 적재하지 않고 진동 측정을 하므로 MEMS 기기에 특히 중요하다.

작동 원리

진동계는 일반적으로 내부 기준 빔과 시험 빔 사이의 주파수(또는 위상) 차이를 측정하는 2 빔 레이저 간섭계다. LDV에서 레이저의 가장 일반적인 유형은 헬륨-네온 레이저로 레이저 다이오드, 섬유 레이저 및 Nd:YAG 레이저도 사용된다. 시험 빔은 표적을 향해 있으며, 대상으로부터 산란된 빛을 모아 광검출기(일반적으로 광다이오드)에 있는 기준 빔을 방해한다. 대부분의 상용 진동자는 알려진 주파수 이동(일반적으로 30–40 MHz)을 빔 중 하나에 추가함으로써 헤테로디네 시스템에서 작동한다. 이 주파수 이동은 보통 Bragg 셀 또는 음향-광학 변조기에 의해 발생한다.[1]

일반적인 레이저 진동계의 개략도는 위와 같다. 주파수 f를o 가진 레이저 빔은 기준 빔과 빔플리터를 가진 테스트 빔으로 나뉜다. 그런 다음 시험 빔은 주파수 이동 f를b 추가하는 Bragg 셀을 통과한다. 이 주파수 시프트 빔은 그 후 표적을 향한다. 대상의 동작은 도플러 시프트를 fd = 2*v(t)*cos(α)/m³에 의해 주어진 빔에 추가하며, 여기서 v(t)는 시간의 함수로서 대상의 속도, α는 레이저 빔과 속도 벡터 사이의 각도, λ은 빛의 파장이다.

빛은 대상으로부터 사방으로 흩어지지만 빛의 일부분은 LDV에 의해 수집되고 빔플리터에 의해 광검출기에 반사된다. 이 빛은 fo + fb + f와d 같은 주파수를 가지고 있다. 이 산란된 빛은 광 검출기의 기준 빔과 결합된다. 레이저의 초기 주파수는 검출기의 응답보다 높은 매우 높은 (> 1014 Hz)이다. 그러나 검출기는 fb + fd(일반적으로 수십 MHz 범위에서)인 두 빔 사이의 박동 주파수에 반응한다.

광검출기의 출력은 표준 주파수 변조(FM) 신호로, Bragg 셀 주파수를 반송 주파수로 하고, 도플러 시프트를 변조 주파수로 한다. 이 신호는 진동 대상의 속도 대 시간을 유도하기 위해 강등될 수 있다.

적용들

LDV는 다양한 과학, 산업 및 의료 분야에 사용된다. 몇 가지 예는 다음과 같다.

  • 항공우주 – LDV는 항공기 구성요소의 비파괴 검사에 도구로 사용되고 있다.[2]
  • 음향 – LDV는 스피커 디자인을 위한 표준 도구로, 악기의 성능을 진단하는 데도 사용되어 왔다.[3]
  • 건축 – LDV는 교량 및 구조물 진동 시험에 사용되고 있다.[4]
  • 자동차 – LDV는 구조 다이내믹스, 브레이크 진단 및 NVH(Noise, Vibration and Harshness) 정량화, 정확한 속도 측정과 같은 많은 자동차 분야에서 광범위하게 사용되어 왔다.[5]
  • 생물학적 – LDV는 고막 진단[6] 및 곤충 통신과 같은 다양한 용도로 사용되어 왔다.[7]
  • 보정 – LDV는 빛의 파장에 직접 보정할 수 있는 움직임을 측정하기 때문에 다른 유형의 변환기를 보정하는 데 자주 사용된다.[8]
  • 하드 디스크 드라이브 진단 – LDV는 특히 헤드 포지셔닝 영역에서 하드 디스크 드라이브의 분석에 광범위하게 사용되어 왔다.[9]
  • Dental Devices - LDV는 치과 산업에서 진동 품질을 개선하기 위해 치과용 스칼러의 진동 시그니처를 측정하기 위해 사용된다.[10]
  • 지뢰 탐지 – LDV는 매립 지뢰 탐지에 큰 가능성을 보였다. 이 기술은 확성기와 같은 오디오 소스를 사용하여 지면을 흥분시켜 지면의 진동을 측정하는 데 사용되는 LDV로 지면이 매우 적은 양의 진동을 일으키게 한다. 매장된 갱도 위의 지역은 갱도-토양계의 공진 주파수에서 향상된 지상 속도를 보여준다. 단일 빔 스캐닝 LDV,[11] 일련의 LDV [12]및 다중 빔 LDV로[13] 지뢰 탐지가 입증되었다.
  • 보안 – 비접촉 진동 센서로서의 레이저 도플러 진동계(LDV)는 원격 음성 획득 기능이 있다. 시각 센서(카메라)의 도움으로 오디오 이벤트가 발생하는 환경의 다양한 표적을 LDV에 의한 음향 신호 수집을 위한 반사 표면으로 선택할 수 있다. LDV의 성능은 레이저 빔이 부딪히고 되돌아오는 장면에서 선택된 대상(서페이스)의 진동 특성에 크게 좌우된다.[14]
  • 재료 연구 – 비접촉 방식으로 인해 레이저 바이브로미터, 특히 레이저 스캐닝 바이브로미터는 탄소판과 같은 현대 재료의 표면 진동을 측정할 수 있다. 진동 정보는 결함이 없는 재료와 다른 진동 프로파일을 보여 결함을 식별하고 연구하는데 도움이 될 수 있다.[15]

종류들

  • 단일 지점 진동계 – 이것은 LDV의 가장 일반적인 유형이다.[16] 그것은 평면 이동에서 하나의 방향을 측정할 수 있다.[17]
  • 스캐닝 바이브롬터 – 스캐닝 LDV는 X-Y 스캐닝 미러 세트를 추가하여 단일 레이저 빔이 관심 표면에서 이동할 수 있도록 한다.
  • 홀로그래픽 레이저 도플러 진동(HLDV) – 디지털 홀로그래피에 의존하여 여러 지점에서 표면의 움직임을 동시에 포착하는 확장형 발광 LDV.[18][19]
주파수 분할 멀티플렉싱에 의한 음악 박스 캔틸레버의 홀로그램
  • 3-D 진동계 – 표준 LDV는 레이저 빔의 방향을 따라 대상의 속도를 측정한다. 3-D 진동계는 3개의 독립 빔으로 구성된 위치를 측정하여 3개의 다른 방향에서 표적을 타격한다. 이를 통해 대상의 전체 평면 내 및 평면 외 속도를 결정할 수 있다.[20]
  • 회전 진동계 – 회전 LDV를 사용하여 회전 또는 각도 속도를 측정한다.
  • 차동 진동계 – 차동 LDV는 목표물의 두 위치 사이의 평면 외 속도 차이를 측정한다.
  • 멀티 빔 바이브롬터 – 멀티 빔 LDV는 여러 위치에서 동시에 목표 속도를 측정한다.
  • 자체 믹싱 바이브롬터 –[21] 초소형 광학 헤드로 간단한 LDV 구성 이것들은 일반적으로 내장된 광검출기가 있는 레이저 다이오드를 기반으로 한다.[22][23]
  • 연속 스캔 레이저 도플러 진동 측정(CSLDV) – 레이저를 테스트 시편의 표면을 연속적으로 쓸어내 여러 지점에서 표면의 움직임을 동시에 포착하는 변형 LDV

참고 항목

참조

  1. ^ Lutzmann, Peter; Göhler, Benjamin; Hill, Chris A.; Putten, Frank van (2016). "Laser vibration sensing at Fraunhofer IOSB: review and applications". Optical Engineering. 56 (3): 031215. Bibcode:2017OptEn..56c1215L. doi:10.1117/1.OE.56.3.031215. ISSN 0091-3286.
  2. ^ Kilpatrick, James M.; Markov, Vladimir (2008). "<title>Matrix laser vibrometer for transient modal imaging and rapid nondestructive testing</title>". In Tomasini, Enrico P (ed.). Eighth International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques: Advances and Applications. Eighth International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques: Advances and Applications. Vol. 7098. p. 709809. doi:10.1117/12.802929.
  3. ^ Bissinger, George.; Oliver, David (July 2007). "3-D Laser Vibrometry on Legendary Old Italian Violins" (PDF). Sound and Vibration. Retrieved 2013-01-24.
  4. ^ GmbH, Polytec. "Civil Engineering". www.polytec.com.
  5. ^ Baldini, Francesco; Moir, Christopher I.; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A. (2009). "Miniature laser doppler velocimetry systems". In Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (eds.). Optical Sensors 2009. Optical Sensors 2009. Vol. 7356. pp. 73560I–73560I–12. doi:10.1117/12.819324.
  6. ^ Huber, Alexander M; Schwab, C; Linder, T; Stoeckli, SJ; Ferrazzini, M; Dillier, N; Fisch, U (2001). "Evaluation of eardrum laser doppler interferometry as a diagnostic tool" (PDF). The Laryngoscope. 111 (3): 501–7. doi:10.1097/00005537-200103000-00022. PMID 11224783.
  7. ^ Fonseca, P.J.; Popov, A.V. (1994). "Sound radiation in a cicada: the role of different structures". Journal of Comparative Physiology A. 175 (3). doi:10.1007/BF00192994.
  8. ^ Sutton, C. M. (1990). "Accelerometer Calibration by Dynamic Position Measurement Using Heterodyne Laser Interferometry". Metrologia. 27 (3): 133–138. Bibcode:1990Metro..27..133S. doi:10.1088/0026-1394/27/3/004.
  9. ^ Abdullah Al Mamun; GuoXiao Guo; Chao Bi (2007). Hard Disk Drive: Mechatronics And Control. CRC Press. ISBN 978-0-8493-7253-7. Retrieved 24 January 2013.
  10. ^ "Vibrations Inc. – Laser Doppler Vibrometers". www.vibrationsinc.com.
  11. ^ Xiang, Ning; Sabatier, James M. (2000). "<title>Land mine detection measurements using acoustic-to-seismic coupling</title>". In Dubey, Abinash C; Harvey, James F; Broach, J. Thomas; et al. (eds.). Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V. Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V. Vol. 4038. p. 645. doi:10.1117/12.396292.
  12. ^ Burgett, Richard D.; Bradley, Marshall R.; Duncan, Michael; Melton, Jason; Lal, Amit K.; Aranchuk, Vyacheslav; Hess, Cecil F.; Sabatier, James M.; Xiang, Ning (2003). "Mobile mounted laser Doppler vibrometer array for acoustic landmine detection". In Harmon, Russell S; Holloway, Jr, John H; Broach, J. T (eds.). Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VIII. Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VIII. Vol. 5089. p. 665. doi:10.1117/12.487186.
  13. ^ Lal, Amit; Aranchuk, Slava; Doushkina, Valentina; Hurtado, Ernesto; Hess, Cecil; Kilpatrick, Jim; l'Esperance, Drew; Luo, Nan; Markov, Vladimir (2006). "<title>Advanced LDV instruments for buried landmine detection</title>". In Broach, J. Thomas; Harmon, Russell S; Holloway, Jr, John H (eds.). Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets XI. Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets XI. Vol. 6217. p. 621715. doi:10.1117/12.668927.
  14. ^ Rui Li; Tao Wang; Zhigang Zhu; Wen Xiao (2011). "Vibration Characteristics of Various Surfaces Using an LDV for Long-Range Voice Acquisition". IEEE Sensors Journal. 11 (6): 1415. Bibcode:2011ISenJ..11.1415L. doi:10.1109/JSEN.2010.2093125.
  15. ^ Polytec, GmbH. "Material Research". www.polytec.com.
  16. ^ 로라 로드리게스, Aries Laser Vibmeter로 고온 표면 측정, VELA. 2012 AIVELA Conference 2012에서 제시된 원본 논문.2012년 6월.
  17. ^ "Single-Point Vibrometers".
  18. ^ a b 베리어, 니콜라스와 아틀란, 마이클 Optics Letters 5(2013); https://doi.org/10.1364/ol.38.000739; https://arxiv.org/abs/1211.5328
  19. ^ a b 프랑수아 브루노, 제롬 로랑, 다니엘 로이어, 마이클 아틀란. 용액. 물리. Let. 104, 083504(2014), https://doi.org/10.1063/1.4866390;.
  20. ^ Jorge Fernández Ereneero, LSV를 이용한 3D 진동 측정. AdMet 2012에서 제시된 원본 논문.2012년 2월.
  21. ^ "OMS – Laser Doppler Vibrometers". www.omscorporation.com.
  22. ^ Scalise, Lorenzo; Paone, Nicola (2000). "Self-mixing laser Doppler vibrometer". In Tomasini, Enrico P (ed.). Fourth International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques: Advances and Applications. Fourth International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques: Advances and Applications. Vol. 4072. pp. 25–36. doi:10.1117/12.386763.
  23. ^ 헤테로 제작된 자체 혼합 레이저 다이오드 진동계 – 미국 특허 5838439 웨이백머신에 2011-06-12 보관. 1998년 11월 17일 발행. Patentstorm.us. 2013-06-17에 검색됨.

외부 링크