Un vibrómetro láser Doppler ( LDV ) es un instrumento científico que se utiliza para realizar mediciones de vibraciones sin contacto de una superficie. El rayo láser del LDV se dirige a la superficie de interés, y la amplitud y frecuencia de la vibración se extraen del desplazamiento Doppler de la frecuencia del rayo láser reflejado debido al movimiento de la superficie. La salida de un LDV es generalmente un voltaje analógico continuo que es directamente proporcional al componente de velocidad objetivo a lo largo de la dirección del rayo láser.
Algunas de las ventajas de un LDV sobre dispositivos de medición similares, como un acelerómetro, son que el LDV puede dirigirse a objetivos de difícil acceso o que pueden ser demasiado pequeños o demasiado calientes para conectar un transductor físico . Además, el LDV realiza la medición de vibraciones sin cargar masivamente el objetivo, lo cual es especialmente importante para los dispositivos MEMS .
Principios de Operación
Un vibrómetro es generalmente un interferómetro láser de dos haces que mide la diferencia de frecuencia (o fase) entre un haz de referencia interno y un haz de prueba. El tipo común la mayor parte de láser en una LDV es el láser de helio-neón , aunque los diodos láser , láseres de fibra , y Nd: YAG también se utilizan. El haz de prueba se dirige al objetivo y la luz dispersa del objetivo se recoge e interfiere con el haz de referencia en un fotodetector , normalmente un fotodiodo . La mayoría de los vibrómetros comerciales funcionan en un régimen heterodino al agregar un cambio de frecuencia conocido (típicamente 30-40 MHz) a uno de los haces. Este cambio de frecuencia suele ser generado por una celda de Bragg o un modulador acústico-óptico. [1]
Arriba se muestra un esquema de un vibrómetro láser típico. El haz del láser, que tiene una frecuencia f o , se divide en un haz de referencia y un haz de prueba con un divisor de haz . El haz de prueba luego pasa a través de la celda de Bragg, lo que agrega un cambio de frecuencia f b . Este haz de frecuencia desplazada luego se dirige al objetivo. El movimiento del objetivo agrega un desplazamiento Doppler al haz dado por f d = 2 * v (t) * cos (α) / λ, donde v (t) es la velocidad del objetivo en función del tiempo, α es el ángulo entre el rayo láser y el vector de velocidad, y λ es la longitud de onda de la luz.
La luz se dispersa desde el objetivo en todas las direcciones, pero una parte de la luz es recogida por el LDV y reflejada por el divisor de haz hacia el fotodetector. Esta luz tiene una frecuencia igual af o + f b + f d . Esta luz dispersa se combina con el haz de referencia en el fotodetector. La frecuencia inicial del láser es muy alta (> 10 14 Hz), que es más alta que la respuesta del detector. Sin embargo, el detector responde a la frecuencia de batido entre los dos haces, que está en f b + f d (típicamente en el rango de las decenas de MHz).
La salida del fotodetector es una señal de frecuencia modulada (FM) estándar , con la frecuencia de la celda de Bragg como frecuencia portadora y el desplazamiento Doppler como frecuencia de modulación. Esta señal se puede demodular para derivar la velocidad frente al tiempo del objetivo vibrante.
Aplicaciones
Los LDV se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones científicas, industriales y médicas. A continuación se proporcionan algunos ejemplos:
- Aeroespacial: los LDV se utilizan como herramientas en la inspección no destructiva de componentes de aeronaves. [2]
- Acústicos: los LDV son herramientas estándar para el diseño de altavoces y también se han utilizado para diagnosticar el rendimiento de instrumentos musicales. [3]
- Arquitectónico: los LDV se están utilizando para pruebas de vibración de puentes y estructuras. [4]
- Automotriz: los LDV se han utilizado ampliamente en muchas aplicaciones automotrices, como dinámica estructural, diagnóstico de frenos y cuantificación de ruido, vibración y dureza (NVH), medición de velocidad precisa. [5]
- Biológicos: los LDV se han utilizado para diversas aplicaciones, como el diagnóstico del tímpano [6] y la comunicación de insectos. [7]
- Calibración: dado que los LDV miden el movimiento que se puede calibrar directamente a la longitud de onda de la luz, se utilizan con frecuencia para calibrar otros tipos de transductores. [8]
- Diagnóstico de unidades de disco duro: los LDV se han utilizado ampliamente en el análisis de unidades de disco duro, específicamente en el área de posicionamiento de cabezales. [9]
- Dispositivos dentales: los LDV se utilizan en la industria dental para medir la firma de vibración de los raspadores dentales para mejorar la calidad de la vibración. [10]
- Detección de minas terrestres: los LDV se han mostrado muy prometedores en la detección de minas terrestres enterradas. La técnica utiliza una fuente de audio como un altavoz para excitar el suelo, haciendo que el suelo vibre una cantidad muy pequeña con el LDV utilizado para medir la amplitud de las vibraciones del suelo . Las áreas por encima de una mina enterrada muestran una mayor velocidad del suelo a la frecuencia de resonancia del sistema mina-suelo. Se ha demostrado la detección de minas con LDV de barrido de haz único, [11] una serie de LDV, [12] y LDV de haz múltiple [13] .
- Seguridad: los vibrómetros láser Doppler (LDV) como sensores de vibración sin contacto tienen la capacidad de adquisición de voz remota. Con la ayuda de un sensor visual (cámara), se pueden seleccionar varios objetivos en el entorno, donde tiene lugar un evento de audio, como superficies reflectantes para recolectar señales acústicas por un LDV. El rendimiento del LDV depende en gran medida de las características de vibración de los objetivos seleccionados (superficies) en la escena, sobre los que incide un rayo láser y desde el cual regresa. [14]
- Investigación de materiales: debido al método sin contacto, los vibrómetros láser, especialmente los vibrómetros de escaneo láser, pueden medir las vibraciones de la superficie de materiales modernos como placas de carbono. La información de vibración puede ayudar a identificar y estudiar defectos, ya que los materiales con defectos mostrarán un perfil de vibración diferente en comparación con los materiales sin defectos. [15]
Tipos
- Vibrómetros de un solo punto: este es el tipo más común de LDV. [16] Puede medir un movimiento direccional fuera del plano. [17]
- Vibrómetros de escaneo : un LDV de escaneo agrega un conjunto de espejos de escaneo XY, lo que permite que el rayo láser único se mueva a través de la superficie de interés.
- Vibrometría holográfica láser Doppler (HLDV): un LDV de iluminación extendida que se basa en la holografía digital para la reproducción de imágenes para capturar el movimiento de una superficie en muchos puntos simultáneamente. [18] [19]
- Vibrómetros 3-D: un LDV estándar mide la velocidad del objetivo a lo largo de la dirección del rayo láser. Para medir los tres componentes de la velocidad del objetivo, un vibrómetro 3-D mide una ubicación con tres rayos independientes, que golpean al objetivo desde tres direcciones diferentes. Esto permite una determinación de la velocidad completa en el plano y fuera del plano del objetivo. [20]
- Vibrómetros rotacionales: se utiliza un LDV rotacional para medir la velocidad angular o de rotación.
- Vibrómetros diferenciales: un LDV diferencial mide la diferencia de velocidad fuera del plano entre dos ubicaciones en el objetivo.
- Vibrómetros multihaz: un LDV multihaz mide la velocidad del objetivo en varios lugares simultáneamente.
- Vibrómetros de automezcla: configuración LDV simple con cabezal óptico ultracompacto. [21] Estos se basan generalmente en un diodo láser con un fotodetector incorporado. [22] [23]
- Vibrometría Doppler láser de barrido continuo (CSLDV): un LDV modificado que barre el láser continuamente a través de la superficie de la muestra de prueba para capturar el movimiento de una superficie en muchos puntos simultáneamente.
Ver también
- Imágenes láser Doppler
- Velocimetría láser Doppler
- Micrófono láser
- Vibrometría de escaneo láser
- Detección óptica de heterodinos
Referencias
- ^ Lutzmann, Peter; Göhler, Benjamin; Hill, Chris A .; Putten, Frank van (2016). "Detección de vibraciones láser en Fraunhofer IOSB: revisión y aplicaciones". Ingeniería óptica . 56 (3): 031215. Bibcode : 2017OptEn..56c1215L . doi : 10.1117 / 1.OE.56.3.031215 . ISSN 0091-3286 .
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enlaces externos
- El principio de medición de los vibrómetros láser Doppler y las fuentes láser de uso habitual
- Introducción a los vibrómetros láser Doppler y principios físicos.
- Vídeo de los principios básicos de la vibrometría láser Doppler