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 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 del objetivo a lo largo de la dirección del rayo láser.

Algunas 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 mide la vibración sin cargar 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 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 a 40 MHz) a uno de los haces. Este cambio de frecuencia suele ser generado por una celda de Bragg o 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 . Luego, el haz de prueba 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 añade 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 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 dispersa se combina con el haz de referencia en el fotodetector. La frecuencia inicial del láser es muy alta (> 10 ¹⁴ Hz), que es mayor 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 decenas de MHz).

La salida del fotodetector es una señal de frecuencia modulada (FM) estándar, con la frecuencia de la célula de Bragg como frecuencia portadora y el desplazamiento Doppler como frecuencia de modulación. Esta señal se puede demodular para derivar la velocidad versus el tiempo del objetivo que vibra.

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]
• Acústico: 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 utilizan para pruebas de vibración de estructuras y puentes. ^[4]
• Automoción: 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 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 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 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, lo que hace que el suelo 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 mayor velocidad del suelo en la frecuencia de resonancia del sistema mina-suelo. Se ha demostrado la detección de minas con LDV de escaneo de un solo haz, ^[11] una variedad de LDV, ^[12] y LDV de múltiples haces ^{[13] .}
• Seguridad: los vibrómetros láser Doppler (LDV), como sensores de vibración sin contacto, tienen la capacidad de adquirir voz a distancia. 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 recoger señales acústicas por parte de un LDV. El rendimiento del LDV depende en gran medida de las características de vibración de los objetivos (superficies) seleccionados en la escena, sobre los que incide el rayo láser y desde donde regresa. ^[14]
• Investigación de materiales: debido al método sin contacto, los vibrómetros láser, especialmente los vibrómetros de escaneo láser, pueden medir vibraciones superficiales de materiales modernos como placas de carbono. La información sobre vibraciones 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 unidireccional fuera del plano. ^[17]
• Vibrómetros de escaneo : un LDV de escaneo agrega un conjunto de espejos de escaneo XY, lo que permite que un único rayo láser se mueva a través de la superficie de interés.
• Vibrometría láser Doppler holográfica (HLDV): un LDV de iluminación extendida que se basa en la holografía digital para la representación de imágenes y capturar el movimiento de una superficie en muchos puntos simultáneamente. ^{[18] [19]}

vibrometría holográfica de los voladizos de una caja musical mediante multiplexación por división de frecuencia ^{[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 tridimensional mide una ubicación con tres haces independientes, que golpean al objetivo desde tres direcciones diferentes. Esto permite determinar la velocidad completa dentro y fuera del plano del objetivo. ^[20]
• Vibrómetros rotacionales: un LDV rotacional se utiliza para medir la velocidad rotacional o angular.
• Vibrómetros diferenciales: un LDV diferencial mide la diferencia de velocidad fuera del plano entre dos ubicaciones del objetivo.
• Vibrómetros de haces múltiples: un LDV de haces múltiples mide la velocidad del objetivo en varios lugares simultáneamente.
• Vibrómetros automezclables : configuración LDV sencilla 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): 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

• Giroscopio de fibra óptica
• Imágenes láser Doppler
• Velocimetría láser Doppler
• micrófono láser
• Vibrometría de escaneo láser
• Tocadiscos láser
• Detección óptica heterodina

Referencias

1. Lutzmann, Pedro; Göhler, Benjamín; Colina, Chris A.; Putten, Frank van (2016). "Detección de vibraciones láser en Fraunhofer IOSB: revisión y aplicaciones". Ingeniería Óptica . 56 (3): 031215. Código bibliográfico : 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 rápidas no destructivas</title>". En Tomasini, Enrico P (ed.). Octavo Congreso Internacional sobre Mediciones de Vibraciones mediante Técnicas Láser: Avances y Aplicaciones . Octavo Congreso 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 3D en violines italianos antiguos legendarios" (PDF) . Sonido y Vibración . Consultado el 24 de enero de 2013 .
4. GmbH, Politec. "Ingeniería civil". www.polytec.com .
5. Baldini, Francisco; Muaré, Christopher I.; Homola, Jiri; Liberman, Robert A. (2009). "Sistemas de velocimetría láser Doppler en miniatura". En Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (eds.). Sensores ópticos 2009 . Sensores ópticos 2009. Vol. 7356. págs. 73560I–73560I–12. doi : 10.1117/12.819324. S2CID  123294042.
6. Huber, Alejandro M; Schwab, C; Linder, T; Stoeckli, SJ; Ferrazzini, M; Dillier, N; Fisch, U (2001). "Evaluación de la interferometría láser Doppler del tímpano como herramienta de diagnóstico" (PDF) . El laringoscopio . 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 las diferentes estructuras". Revista de fisiología comparada A. 175 (3). doi :10.1007/BF00192994. S2CID  22549133.
8. Sutton, CM (1990). "Calibración del acelerómetro mediante medición de posición dinámica mediante interferometría láser heterodina". Metrología . 27 (3): 133-138. Código Bib : 1990 Metro..27..133S. doi :10.1088/0026-1394/27/3/004. S2CID  250757084.
9. Abdullah Al Mamun; Guo Xiao Guo; Chao Bi (2007). Unidad de disco duro: mecatrónica y control. Prensa CRC . ISBN 978-0-8493-7253-7. Consultado el 24 de enero de 2013 .
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11. Xiang, Ning; Sabatier, James M. (2000). "<title>Medidas de detección de minas terrestres mediante acoplamiento acústico-sísmico</title>". En Dubey, Abinash C; Harvey, James F; Broche, J. Thomas; et al. (eds.). Tecnologías de detección y remediación de minas y objetivos similares a minas V . Tecnologías de detección y remediación de 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 vibrómetro Doppler láser montado móvil para la detección acústica de minas terrestres". En Harmon, Russell S; Holloway, hijo, John H; Broach, JT (eds.). Tecnologías de detección y remediación de minas y objetivos similares a minas VIII . Tecnologías de detección y remediación de 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, hijo, John H (eds.). Tecnologías de detección y remediación de minas y objetivos similares a minas XI . Tecnologías de detección y remediación de minas y objetivos similares a minas XI. vol. 6217. pág. 621715. doi : 10.1117/12.668927. S2CID  62566351.
14. Rui Li; Tao Wang; Zhigang Zhu; Wen Xiao (2011). "Características de vibración de varias superficies utilizando un LDV para la adquisición de voz de largo alcance". Revista de sensores IEEE . 11 (6): 1415. Código bibliográfico : 2011ISenJ..11.1415L. doi :10.1109/JSEN.2010.2093125. S2CID  37916336.
15. Politec, GmbH. "Investigación de Materiales". www.polytec.com .
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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
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21. "OMS - Vibrómetros láser Doppler". www.omscorporation.com .
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23. Vibrómetro de diodo láser heterodino y automezclable - Patente de EE. UU. 5838439 Archivado el 12 de junio de 2011 en Wayback Machine . Publicado el 17 de noviembre de 1998. Patentstorm.us. Recuperado 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.