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Vibrómetro láser Doppler

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:

Tipos

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

Véase también

Referencias

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