光外差干涉对超声振动信号的解调

《光外差干涉对超声振动信号的解调》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、光外差干涉对超声振动信号的解调张志伟1，2，3郝华伟1(中北大学信息与通信工程学院1，电子测试技术重点实验室2，仪器科学与动态测试教育部重点实验室3，太原030051)摘要为了解调出微弱超声振动信号，设计了具有较高检测灵敏度的外差干涉系统。实验没有采用特殊的线偏振激光，而是采用普通氦氖激光器作为光源，然后通过PBS来产生相同的线偏振光;再让两束P光在光电检测器中形成外差干涉。实验结果显示，获得了幅值较大的外差干涉信号，幅值将近70mV，频率达到了79.37MHz，与标准的80MHz的相对误差频率仅为0.7%;同时得到当振动信号频率

2、为5kHz，幅值为1V时通过解调获得的超声振动信号最明显。关键词外差干涉中图法分类号TN247;激光超声线偏振光文献标志码A相敏检测在我们通常使用的超声检测中，产生超声波的装置是由压电或压磁换能器所产生的。由于有限的带宽，超声波的传播只能在固体或液体中，并且需要使用耦合剂来耦合样品才能进行超声波的检测。激光超声技术从20世纪70年代开始，因其频带较宽、模式多样、时间空间分辨率较高的特点，在无损探伤领域的关注和应用越来越广泛，已发展成为超声学的一个重要分支［1，2］。而且由于激光超声微弱的振动信号及幅值的特性［3—5］。我们多用光学

3、检测方法。光学检测超声可分成两类:一类是非干涉法，如狭缝法、刀刃法等;另一类是干涉法，主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等［6］。外差干涉法较常用［7］，且最大的特点是将微弱激光超声加载到高频范围内处理，从而避开1/f的低频噪声干扰。通常的外差干涉系统，因使用的光学器件多，会出现许多杂光，信噪比低，对微弱激光超声信号的检测会不利，因此，本文使用偏振分光棱镜使出射光为线偏振光，改善传统的干涉光路系统，使用压电振动代替超声装置，实验得到了外差信号，并且解调出了超声振动信号，而且结构简单，成本较低。角棱镜、反射镜M2、偏振分光

4、棱镜PBS，在偏振分光棱镜上发生全透射通过的为P光，再在分光棱镜BS上发生全透射不改变原来的偏振态仍然为P光。1级光经过反射镜M1、偏振分光棱镜PBS，在PBS上发生全透射产生P光，再在分光棱镜BS上发生全透射，到达样品，经样品反射后再通过分光棱镜BS反射，而分光棱镜BS不改变偏振态，产生的还是P光，调整光路使0级光和1级光重合，重合的两束P光汇聚到光电检测器上发生干涉。图1光外差对微弱激光超声信号检测示意图1激光外差干涉系统的组成图1为本文所设计的对微弱激光超声信号检测图2为实物图。与传统的线偏振外差干涉系统相比本系统的优点如下

5、:第一，光源发出的激光经布拉格器件产生两束光(0级光和1级光)，频差为80MHz，高频率更好地抑制了低频部分的噪声，而且得到的布拉格衍射光能量分布比较集中。第二，对于0级光和1级光在发生干涉之前，没的示意图。采用功率为大于2mW的DH-HN250氦氖激光器作为光源，发出的光的波长为632.8nm，光束通过布拉格器件产生频率不同的两束光:0级光和1级光［8，9］，其频差为80MHz。0级光通过三有使用传统的1λ波片来改变振动方向，而是直接2013年11月5日收到第一作者简介:郝华伟(1989—)，男，硕士生，研究方向:光外差干涉信号

6、。E-mail:hhwyxc@163．com。2采用PBS发生全透射产生P光。这避免了在使用波片来改变振动方向时的较大误差。而且减少了器10期郝华伟，等:光外差干涉对超声振动信号的解调225件的使用，使对光路的调试更加容易，同时干扰因素也减少。第三，最后在汇聚到光电检测器时没有使用透镜，虽然透镜可以使光强增加，增加干涉光的幅值，但是在聚焦点的精确控制上有一定的难度，同时由于使用的是开放式的光路，所以会同时把一些污染光给聚焦进去，对信号造成污染，使噪声增加。而且两束光经过PBS后形成P光本身的噪声就已经比较少了。在相敏检波器处相乘并

7、整理得:[0]+4πtu(t)λ×I(t)U(t)W(t)AAcos2πf+φ==×B11AAcos(2πft+φ)=ss12cos(4πfBt+φ0+φs)4πu(t)++λ[0s]1AAcos4πu(t)+－(3)φφ1λ2调整相位使φ0与φs相差90°，并通过低通滤波器滤除上式的第一项，又(4π/λ)u(t)很小以致接近于0，所以可得:I(t)1AAsin[4πu(t)]≈2πAAλ=u(t)=Ku(t)112λ(4)因此输出电流正比于［其中比例系数K=(2π/λ)AA1］超声振动位移，据此可检测超声信息。实验结果分析经过调

8、试光路，在示波器上可以观察到明显的差拍信号如图4所示。它的频率为79.37MHz，与理想的80MHz的频率相对误差只有0.7%，幅值为3图2光外差对微弱激光超声信号检测实物图mV，接近70mV，比传统的光路的幅值要大出将66近15mV。2微弱超声信