Vibrómetro láser Doppler

Instrumento para detectar vibraciones microscópicas de una superficie.

Componentes básicos de un vibrómetro láser Doppler

Un vibrómetro láser Doppler ( LDV ) es un instrumento científico que se utiliza para realizar mediciones de vibración sin contacto de una superficie. El haz láser del LDV se dirige a la superficie de interés y la amplitud y frecuencia de vibración se extraen del desplazamiento Doppler de la frecuencia del haz 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 del objetivo a lo largo de la dirección del haz láser.

Algunas ventajas de un LDV sobre dispositivos de medición similares, como un acelerómetro , son que el LDV puede dirigirse a objetivos a los que es difícil acceder o que pueden ser demasiado pequeños o demasiado calientes para conectar un transductor físico . Además, el LDV realiza la medición de vibración sin cargar el objetivo, lo que es especialmente importante para los dispositivos MEMS .

Principios de funcionamiento

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 de láser más común en un LDV es el láser de helio-neón , aunque también se utilizan diodos láser , láseres de fibra y láseres Nd:YAG . El haz de prueba se dirige al objetivo, y la luz dispersada 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 añadiendo un cambio de frecuencia conocido (normalmente 30–40 MHz) a uno de los haces. Este cambio de frecuencia suele generarse mediante 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 pasa luego a través de la celda de Bragg, que agrega un desplazamiento de frecuencia f _b . Este haz desplazado de frecuencia 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 haz 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 a f _o + f _b + f _d . Esta luz dispersada 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 es f _b + f _d (normalmente en el rango de las decenas de MHz).

La salida del fotodetector es una señal modulada en frecuencia (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 en función del tiempo del objetivo vibrante.

Aplicaciones

Las LDV se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones científicas, industriales y médicas. A continuación se ofrecen algunos ejemplos:

• Aeroespacial: Los LDV se utilizan como herramientas en la inspección no destructiva de componentes de aeronaves. ^[2]
• Acústica: los LDV son herramientas estándar para el diseño de altavoces y también se han utilizado para diagnosticar el rendimiento de instrumentos musicales. ^[3]
• Arquitectura: los LDV se utilizan 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 aspereza (NVH), medición de velocidad precisa. ^[5]
• Biológicos: los LDV se han utilizado para diversas aplicaciones, como el diagnóstico del tímpano ^[6] y la comunicación con 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 del cabezal. ^[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 han demostrado ser muy prometedores en la detección de minas terrestres enterradas. La técnica utiliza una fuente de audio, como un altavoz, para excitar el suelo, lo que hace que este vibre una cantidad muy pequeña con el LDV utilizado para medir la amplitud de las vibraciones del suelo . Las áreas sobre una mina enterrada muestran una velocidad del suelo mejorada en la frecuencia de resonancia del sistema mina-suelo. Se ha demostrado la detección de minas con LDV de escaneo de haz único, ^[11] una matriz 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 captar la voz de forma remota. Con la ayuda de un sensor visual (cámara), se pueden seleccionar varios objetivos del entorno en el que se produce un evento sonoro como superficies reflectantes para captar señales acústicas mediante 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 de los que regresa. ^[14]
• Investigación de materiales: gracias al método sin contacto, los vibrómetros láser, especialmente los vibrómetros de escaneo láser, pueden medir las vibraciones de la superficie de materiales modernos como las placas de carbono. La información sobre las vibraciones puede ayudar a identificar y estudiar defectos, ya que los materiales con defectos mostrarán un perfil de vibración diferente al de los materiales sin defectos. ^[15]

Tipos

• Vibrómetros de punto único: este es el tipo más común de LDV. ^[16] Puede medir un movimiento fuera del plano direccional. ^[17]
• Vibrómetros de escaneo : un vibrómetro de escaneo agrega un conjunto de espejos de escaneo XY, lo que permite que un solo rayo láser se mueva a través de la superficie de interés.
• Vibrometría láser Doppler holográfica (HLDV): una LDV de iluminación extendida que se basa en la holografía digital para la representación de imágenes para capturar el movimiento de una superficie en muchos puntos simultáneamente. ^{[18] [19]}

Vibrometría holográfica de los voladizos de una caja de música mediante multiplexación por división de frecuencia ^{[18] [19]}

• Vibrómetros 3D: un LDV estándar mide la velocidad del objetivo a lo largo de la dirección del haz láser. Para medir los tres componentes de la velocidad del objetivo, un vibrómetro 3D mide una ubicación con tres haces independientes, que inciden en el objetivo desde tres direcciones diferentes. Esto permite determinar la velocidad completa del objetivo en el plano y fuera del plano. ^[20]
• Vibrómetros rotacionales: se utiliza un vibrómetro rotacional para medir la velocidad rotacional o angular.
• Vibrómetros diferenciales: un LDV diferencial mide la diferencia de velocidad fuera del plano entre dos ubicaciones en el objetivo.
• Vibrómetros multihaz: un vibrómetro multihaz mide la velocidad del objetivo en varias ubicaciones simultáneamente.
• Vibrómetros automezcladores : configuración LDV simple con cabezal óptico ultracompacto. ^[21] Generalmente se basan en un diodo láser con un fotodetector incorporado. ^{[22] [23]}
• Vibrometría láser Doppler de barrido continuo (CSLDV): una LDV modificada que barre el láser de forma continua a lo largo de la superficie de la muestra de prueba para capturar el movimiento de una superficie en muchos puntos simultáneamente.

Véase también

• Giroscopio de fibra óptica
• Imágenes láser Doppler
• Velocimetría láser Doppler
• Micrófono láser
• Vibrometría por escaneo láser
• Plato giratorio láser
• Detección heterodina óptica

Referencias

1. Lutzmann, Peter; Göhler, Benjamin; Hill, Chris A.; Putten, Frank van (2016). "Detección de vibraciones por 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. S2CID  125618909.
2. Kilpatrick, James M.; Markov, Vladimir (2008). "<title>Vibrómetro láser matricial para imágenes modales transitorias y pruebas no destructivas rápidas</title>". En Tomasini, Enrico P (ed.). Octava Conferencia Internacional sobre Mediciones de Vibraciones mediante Técnicas Láser: Avances y Aplicaciones . Vol. 7098. pág. 709809. doi :10.1117/12.802929. S2CID  109520649.
3. Bissinger, George.; Oliver, David (julio de 2007). "Vibrometría láser 3-D en violines italianos antiguos legendarios" (PDF) . Sonido y vibración . Consultado el 24 de enero de 2013 .
4. GmbH, Polytec. "Ingeniería civil". www.polytec.com .
5. Baldini, Francesco; Moir, Christopher I.; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A. (2009). "Sistemas de velocimetría láser Doppler en miniatura". En Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (eds.). Sensores ópticos 2009. Vol. 7356. págs. doi :10.1117/12.819324. S2CID  123294042.
6. Huber, Alexander M; Schwab, C; Linder, T; Stoeckli, SJ; Ferrazzini, M; Dillier, N; Fisch, U (2001). "Evaluación de la interferometría láser Doppler del tímpano como herramienta diagnóstica" (PDF) . The Laryngoscope . 111 (3): 501–7. doi :10.1097/00005537-200103000-00022. PMID  11224783. S2CID  8296563.
7. Fonseca, PJ; Popov, AV (1994). "Radiación sonora en una cigarra: el papel de diferentes estructuras". Journal of Comparative Physiology A . 175 (3). doi :10.1007/BF00192994. S2CID  22549133.
8. Sutton, CM (1990). "Calibración de acelerómetros mediante medición de posición dinámica utilizando interferometría láser heterodino". Metrologia . 27 (3): 133–138. Bibcode :1990Metro..27..133S. doi :10.1088/0026-1394/27/3/004. S2CID  250757084.
9. Abdullah Al Mamun; GuoXiao Guo; Chao Bi (2007). Unidad de disco duro: mecatrónica y control. CRC Press . ISBN 978-0-8493-7253-7. Recuperado el 24 de enero de 2013 .
10. "Vibrations Inc. – Vibrómetros láser Doppler". www.vibrationsinc.com .
11. Xiang, Ning; Sabatier, James M. (2000). "<title>Mediciones de detección de minas terrestres mediante acoplamiento acústico-sísmico</title>". En Dubey, Abinash C; Harvey, James F; Broach, J. Thomas; et al. (eds.). Tecnologías de detección y remediación para minas y objetivos similares a minas V. Vol. 4038. pág. 645. doi :10.1117/12.396292. S2CID  12131129.
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). "Matriz de vibrómetros láser Doppler montados en dispositivos móviles para la detección acústica de minas terrestres". En Harmon, Russell S; Holloway, Jr., John H; Broach, J. T (eds.). Tecnologías de detección y remediación para minas y objetivos similares a minas VIII . Vol. 5089. pág. 665. doi :10.1117/12.487186. S2CID  62559102.
13. Lal, Amit; Aranchuk, Slava; Doushkina, Valentina; Hurtado, Ernesto; Hess, Cecil; Kilpatrick, Jim; l'Esperance, Drew; Luo, Nan; Markov, Vladimir (2006). "<title>Instrumentos LDV avanzados para la detección de minas terrestres enterradas</title>". En Broach, J. Thomas; Harmon, Russell S; Holloway, Jr, John H (eds.). Tecnologías de detección y remediación para minas y objetivos similares a minas XI . Vol. 6217. pág. 621715. doi :10.1117/12.668927. S2CID  62566351.
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15. Polytec, GmbH. "Investigación de materiales". www.polytec.com .
16. Laura Rodríguez, Medición de superficies a alta temperatura con el vibrómetro láser Aries, VELA . Trabajo original presentado en las conferencias AIVELA 2012. Junio ​​2012.
17. "Vibrómetros de punto único".
18. Verrier, Nicolas y Atlan, Michael. Optics Letters 5 (2013); https://doi.org/10.1364/ol.38.000739; https://arxiv.org/abs/1211.5328
19. François Bruno, Jérôme Laurent, Daniel Royer y Michael Atlan. Aplica. Física. Letón. 104, 083504 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4866390; https://arxiv.org/abs/1401.5344
20. Jorge Fernández Heredero, Medición de vibraciones en 3D mediante LSV . Artículo original presentado en AdMet 2012. Febrero de 2012.
21. "OMS – Vibrómetros láser Doppler". www.omscorporation.com .
22. Scalise, Lorenzo; Paone, Nicola (2000). "Vibrómetro láser Doppler automezclador". En Tomasini, Enrico P (ed.). Cuarta Conferencia Internacional sobre Mediciones de Vibraciones mediante Técnicas Láser: Avances y Aplicaciones . Vol. 4072. págs. 25–36. doi :10.1117/12.386763. S2CID  119778488.
23. Vibrómetro de diodo láser automezclador heterodino – Patente de EE. UU. 5838439 Archivado el 12 de junio de 2011 en Wayback Machine . Publicado el 17 de noviembre de 1998. Patentstorm.us. Consultado el 17 de junio de 2013.

Enlaces externos

• El principio de medición de los vibrómetros láser Doppler y las fuentes láser utilizadas habitualmente
• Introducción a los vibrómetros láser Doppler y principios físicos
• Vídeo de los principios básicos de la vibrometría láser Doppler