miniatura|300x300px|Components bàsics d'un vibròmetre làser Doppler Un vibròmetre làser Doppler (LDV) és un instrument científic que s'utilitza per fer mesures de vibració sense contacte d'una superfície. El feix làser de l'LDV es dirigeix a la superfície d'interès, i l'amplitud i la freqüència de vibració s'extreuen del desplaçament Doppler de la freqüència del feix làser reflectit a causa del moviment de la superfície. La sortida d'un LDV és generalment un voltatge analògic continu que és directament proporcional al component de velocitat objectiu al llarg de la direcció del feix làser.
Alguns avantatges d'un LDV respecte a dispositius de mesura similars, com ara un acceleròmetre, són que l'LDV es pot dirigir a objectius de difícil accés o que poden ser massa petits o massa calents per connectar-hi un transductor físic. A més, l'LDV fa la mesura de la vibració sense carregar massa l'objectiu, cosa que és especialment important per als dispositius MEMS.
Principis de funcionament Un vibròmetre és generalment un interferòmetre làser de dos feixos que mesura la diferència de freqüència (o fase) entre un feix de referència intern i un feix de prova. El tipus de làser més comú en un LDV és el làser d'heli-neó, tot i que també s'utilitzen díodes làser, làsers de fibra i làsers Nd:YAG . El feix de prova es dirigeix a l'objectiu i la llum dispersa de l'objectiu es recull i interfereix amb el feix de referència en un fotodetector, normalment un fotodíode. La majoria dels vibròmetres comercials funcionen en un règim heterodí afegint un canvi de freqüència conegut (normalment 30-40 MHz) a un dels feixos. Aquest canvi de freqüència normalment el genera una cel·la de Bragg o un modulador acustoòptic.
A dalt es mostra un esquema d'un vibròmetre làser típic. El feix del làser, que té una freqüència f o, es divideix en un feix de referència i un feix de prova amb un divisor de feix. El feix de prova passa a través de la cel·la de Bragg, que afegeix un desplaçament de freqüència fb . Aquest feix desplaçat de freqüència es dirigeix aleshores cap a l'objectiu. El moviment de l'objectiu afegeix un desplaçament Doppler al feix donat per fd = 2 * v (t) * cos (α)/λ, on v(t) és la velocitat de l'objectiu en funció del temps, α és l'angle entre el feix làser i el vector de velocitat i λ és la longitud d'ona de la llum.
La llum es dispersa des de l'objectiu en totes direccions, però una part de la llum és recollida pel LDV i reflectida pel divisor de feix fins al fotodetector. Aquesta llum té una freqüència igual a fo + fb + fd . Aquesta llum dispersada es combina amb el feix de referència al fotodetector. La freqüència inicial del làser és molt alta (> 1014 Hz), que és superior a la resposta del detector. Tanmateix, el detector respon a la freqüència de batec entre els dos feixos, que es troba a fb + fd (normalment en el rang de desenes de MHz).
La sortida del fotodetector és un senyal de freqüència estàndard modulada (FM), amb la freqüència de la cel·la de Bragg com a freqüència portadora i el desplaçament Doppler com a freqüència de modulació. Aquest senyal es pot desmodular per obtenir la velocitat en funció del temps de l'objectiu vibrant.
Aplicacions Els LDV s'utilitzen en una àmplia varietat d'aplicacions científiques, industrials i mèdiques. A continuació es proporcionen alguns exemples:
Aeroespacial: les LDV s'utilitzen com a eines en la inspecció no destructiva de components d'aeronaus. Acústiques: les LDV són eines estàndard per al disseny d'altaveus i també s'han utilitzat per diagnosticar el rendiment d'instruments musicals. Arquitectònica: les LDV s'utilitzen per a proves de vibració de ponts i estructures. Automoció: els LDV s'han utilitzat àmpliament en moltes aplicacions d'automoció, com ara la dinàmica estructural, el diagnòstic de frens i la quantificació de soroll, vibracions i duresa (NVH), i la mesura de la velocitat precisa. Biològics: els LDV s'han utilitzat per a diverses aplicacions, com ara el diagnòstic del timpà i la comunicació amb insectes. Calibratge: com que els LDV mesuren un moviment que es pot calibrar directament a la longitud d'ona de la llum, s'utilitzen sovint per calibrar altres tipus de transductors. Diagnòstic de discs durs: els LDV s'han utilitzat àmpliament en l'anàlisi de discs durs, concretament en l'àrea del posicionament del capçal. Dispositius dentals: els LDV s'utilitzen a la indústria dental per mesurar la signatura de vibració dels raspadors dentals per millorar la qualitat de la vibració. Detecció de mines terrestres: els LDV han demostrat ser molt prometedors en la detecció de mines terrestres enterrades. La tècnica utilitza una font d'àudio com ara un altaveu per excitar el terra, fent que el terra vibri una quantitat molt petita, i l'LDV s'utilitza per mesurar l'amplitud de les vibracions del terra. Les zones per sobre d'una mina enterrada mostren una velocitat del terra augmentada a la freqüència de ressonància del sistema mina-sòl. S'ha demostrat la detecció de mines amb LDV d'escaneig d'un sol feix , una matriu de LDV i LDV de diversos feixs . Seguretat: els vibròmetres làser Doppler (LDV), com a sensors de vibració sense contacte, tenen la capacitat d'adquisició remota de veu. Amb l'ajuda d'un sensor visual (càmera), diversos objectius de l'entorn on es produeix un esdeveniment d'àudio es poden seleccionar com a superfícies reflectants per recollir senyals acústics mitjançant un LDV. El rendiment de l'LDV depèn en gran manera de les característiques de vibració dels objectius (superfícies) seleccionats a l'escena, sobre els quals incideix un feix làser i des dels quals retorna. Recerca de materials: gràcies al mètode sense contacte, els vibròmetres làser, especialment els vibròmetres d'escaneig làser, poden mesurar les vibracions superficials de materials moderns com les plaques de carboni. La informació sobre la vibració pot ajudar a identificar i estudiar defectes, ja que els materials amb defectes mostraran un perfil de vibració diferent en comparació amb els materials sense defectes.
Tipus Vibròmetres de punt únic: aquest és el tipus més comú de LDV. Pot mesurar un moviment fora del pla en una direcció. Vibròmetres d'escaneig: un LDV d'escaneig afegeix un conjunt de miralls d'escaneig XY, permetent que el feix làser únic es mogui per la superfície d'interès. Vibrometria Doppler làser hologràfica (HLDV): una LDV d'il·luminació estesa que es basa en l'holografia digital per a la renderització d'imatges per capturar el moviment d'una superfície en molts punts simultàniament.Verrier, Nicolas and Atlan, Michael. Optics Letters 5 (2013); https://doi.org/10.1364/ol.38.000739; https://arxiv.org/abs/1211.5328François Bruno, Jérôme Laurent, Daniel Royer, and Michael Atlan. Appl. Phys. Lett. 104, 083504 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4866390; https://arxiv.org/abs/1401.5344
miniatura|700x700px|vibrometria hologràfica dels voladissos d'una caixa de música mitjançant multiplexació per divisió de freqüènciaVerrier, Nicolas and Atlan, Michael. Optics Letters 5 (2013); https://doi.org/10.1364/ol.38.000739; https://arxiv.org/abs/1211.5328François Bruno, Jérôme Laurent, Daniel Royer, and Michael Atlan. Appl. Phys. Lett. 104, 083504 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4866390; https://arxiv.org/abs/1401.5344
Vibròmetres 3D: un vibròmetre làser estàndard mesura la velocitat de l'objectiu al llarg de la direcció del feix làser. Per mesurar els tres components de la velocitat de l'objectiu, un vibròmetre 3D mesura una ubicació amb tres feixos independents, que incideixen sobre l'objectiu des de tres direccions diferents. Això permet determinar la velocitat completa dins del pla i fora del pla de l'objectiu. Vibròmetres rotacionals: un LDV rotacional s'utilitza per mesurar la velocitat rotacional o angular. Vibròmetres diferencials: un LDV diferencial mesura la diferència de velocitat fora del pla entre dues ubicacions de l'objectiu. Vibròmetres multifeix: un LDV multifeix mesura la velocitat de l'objectiu en diversos llocs simultàniament. Vibròmetres d'automescla: configuració LDV senzilla amb capçal òptic ultracompacte. Generalment es basen en un díode làser amb un fotodetector integrat. Vibrometria Doppler làser d'escaneig continu (CSLDV): una LDV modificada que escombra el làser contínuament per la superfície de la mostra de prova per capturar el moviment d'una superfície en molts punts simultàniament.
Referències
Categoria:Làsers