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LAM | 全息妙用：高分辨振动测量

2022-05-16 08:10

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | Lance（华中科技大学，博士生）

振动是自然界最普遍的现象之一，从基本粒子的布朗运动（名词解释>）到人体的鼓膜和声带，振动无处不在。作为物质的一种基本运动形式，广义上的振动是描述一切物质运动状态的物理量在某一数值附近做周期性的变化。

因此，测量振动的物理变量，探讨各种振动现象的机理，阐明振动的基本规律，可以为解决实践中可能产生的振动问题提供理论依据。

在工程技术领域，机械系统运行和刀具切削过程中的振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度和光洁度，加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和结构物的使用寿命。振动还可能引起结构的大变形破坏，建筑结构和桥梁在风或地震载荷下因振动而坍毁，飞机机翼的颤振和机轮的抖振造成事故，如图1所示。

图1：桥梁震动（图源：Brown University）

对变形和振动的精确测量是工业应用中的关键。目前应用最广泛的振动测量方式是激光多普勒测振仪（LDV）（名词解释>），它能够实现在高时间和空间分辨率下的物体振动测量。但由于测量原理限制，LDV往往只能进行单点测量，一旦需要多个区域的同步测量，布置多个LDV装置的方案不仅成本高昂且难以实施。

针对多个位置的振动同步测量，目前的主要的发展方向为多波束LDV和多传感器，但这些方案要么受到波束定向灵活性的限制，要么在传感器头调整、信号同步方面成本高昂。

虽然也有方法如扫描激光干涉仪，可用于测量全场振动，但它无法在测量时同步获得信号，因此无法测量瞬态信号。

鉴于此，来自德国斯图加特大学的 Wolfgang Osten 教授的研究小组提出了一种灵活适用的高分辨多点实时振动测量方法。

该成果以“Multi-positional image-based vibration measurement by holographic image replication”为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

该方法基于成像测量原理，将单个光源的全息图像复制到图像传感器上，可在148 mm×110 mm的范围内同时测量多个位置的绝对和相对振动，可以清晰地检测到100 nm的振幅和1000 Hz的频率。并且，所有实验均使用最先进的振动计进行了验证。

与传统的振动测量方法相比，该方法不需要对小振幅进行校准，并具备同时测量多个光源之间相对运动的能力。研究小组进一步证明了在省略带通滤波的情况下，可以实现监控多个目标点之间的相对振荡。

物体振动测量的基本方法如图2所示。多个光点（显示为红色）被照射到振动物体上，并将其成像到摄像机上。通过以固定采集帧率监测每个光点的位置，可以将每个帧之间的移动归因于物体振动和实验室环境振动的叠加。同时，一个静态光点（绿色）未照射到振动对象，它仅暴露于环境振动中。通过计算物体和静态光点之间的相对位移，可以补偿环境误差源，如空气湍流和传感器噪声。

图2：振动测量方法示意图（图源：Light: Advanced Manufacturing）

基于空间平均原理，研究人员将单个光源的光斑以全息方式复制成一组N=21个光斑。如图3所示，通过使用光刻制作的衍射光学元件（DOE）生成光斑簇，放置在双远心透镜的傅里叶平面中。根据傅里叶移位定理可知，如果光源移动，所有复制的光点移动量相同。通过计算光斑簇中所有光斑中心的平均值，理想的光源位置精度可以提高√N倍。