基于激光多普勒原理的高溫振動(dòng)測(cè)量技術(shù)研究

楊正璽,常洪振,都佳遜,王鵬輝,肖健

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076)

0 引言

隨著飛行器速度的不斷提高，飛行器所處的環(huán)境更加復(fù)雜和惡劣。為應(yīng)對(duì)惡劣的氣動(dòng)環(huán)境、熱環(huán)境及噪聲環(huán)境等各種極端載荷環(huán)境，飛行器的防護(hù)結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)和提升，由陶瓷、金屬以及各種復(fù)合材料構(gòu)成具有較復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的防護(hù)系統(tǒng)[1]。地面試驗(yàn)是驗(yàn)證熱防護(hù)系統(tǒng)分析方法和改進(jìn)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，同時(shí)也是驗(yàn)證熱防護(hù)應(yīng)用可行性、指導(dǎo)熱防護(hù)材料工藝優(yōu)化與改進(jìn)提高的重要手段[2-3]。武器裝備在熱振、熱模態(tài)、熱噪聲等地面試驗(yàn)中，表面持續(xù)處于超高溫環(huán)境[4]，目前已有試件表面溫度近千度，高溫持續(xù)時(shí)間數(shù)千秒的情況。未來發(fā)展的裝備項(xiàng)目，溫度將更高，這樣惡劣的溫度環(huán)境為試驗(yàn)中振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量帶來困難。

高溫環(huán)境振動(dòng)測(cè)試主要有耐高溫加速度傳感器測(cè)量和非接觸式激光測(cè)量兩種方式。耐高溫傳感器的承受溫度有一定限制，目前耐高溫加速度傳感器連續(xù)工作的耐熱溫度最高為650 ℃，更高溫度的響應(yīng)測(cè)量只能采用非接觸式激光測(cè)振儀，但表面對(duì)激光反射強(qiáng)度極低的試件，在持續(xù)高溫環(huán)境下進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量還需解決激光反射信號(hào)增強(qiáng)、時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)后處理、激光測(cè)振儀熱防護(hù)等問題。

1 激光反射信號(hào)增強(qiáng)方法

1.1 原理介紹

激光測(cè)振儀主要利用激光多普勒效應(yīng)，其原理如圖1所示，激光器發(fā)射一束單色激光至振動(dòng)的被測(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)物體向著接收器移動(dòng)時(shí)，物體反射回的波被壓縮，波長縮短，頻率升高；反之，當(dāng)被測(cè)物體背著接收器移動(dòng)時(shí)，反射回的波長將變長，頻率會(huì)降低。這種振動(dòng)引起的頻率的變化叫做多普勒頻移，該頻移量與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比，測(cè)出多普勒頻移fD，即可以計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)速度[5]。頻移fD與速度v的關(guān)系為

(1)

圖1 激光多普勒效應(yīng)原理圖

試驗(yàn)件表面的光潔程度、顏色、入射角度等都會(huì)影響激光反射率。高速飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)表面多為黑色復(fù)合材料，本身會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生一定的吸收，當(dāng)處于近千度的高溫試驗(yàn)環(huán)境時(shí)，復(fù)合材料發(fā)生燒蝕，表面光潔度變差，加劇了激光的散射，導(dǎo)致激光信號(hào)的反射率極低，嚴(yán)重影響了測(cè)量的信噪比，不能滿足試驗(yàn)要求。

本研究中利用透鏡回歸反射原理來制備反光涂層，涂抹于試件表面以增強(qiáng)激光反射信號(hào)[6]。如圖2所示，按照光學(xué)折射與反射原理制成一定形狀的透鏡結(jié)構(gòu)(玻璃微珠)，這種透鏡結(jié)構(gòu)具有將照射到其上的入射光按原入射方向大部分返回的功能，可提高自身能見度。該方法已被大量應(yīng)用于道路安全設(shè)施和各種防護(hù)裝備，如反光交通標(biāo)志、反光道路標(biāo)線、反光車身標(biāo)識(shí)、故障車警告標(biāo)志等。對(duì)于高溫環(huán)境，反光涂層采用耐高溫膠粘接耐高溫玻璃微珠的方法制備。

圖2 玻璃微珠結(jié)構(gòu)的回歸反射原理

1.2 方法驗(yàn)證

選取與熱防護(hù)結(jié)構(gòu)表面材料相同的小板來進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。采用耐高溫膠粘接耐高溫玻璃微珠的方法制備反光涂層，將不同制備工藝的涂層涂抹在小板材料表面以便進(jìn)行效果對(duì)比，圖3為小板材料示意圖。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，按照如圖5所示的試驗(yàn)溫度曲線進(jìn)行加熱，同時(shí)用激光測(cè)振儀分別記錄試件靜止?fàn)顟B(tài)下，材料本身處和反光涂層處的信號(hào)干擾情況以反映激光反光效果。若反光效果很好，則信號(hào)應(yīng)為量級(jí)很小的噪聲信號(hào)；若反光效果差造成很大干擾，則信號(hào)會(huì)出現(xiàn)量級(jí)很大的跳變。

圖3 小板材料示意圖

圖4 反光效果驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 加熱溫度曲線

圖6為復(fù)合材料表面的測(cè)量信號(hào)，圖7為反光涂層處的測(cè)量信號(hào)。可以看到，復(fù)合材料本身對(duì)激光反射效果很差，整個(gè)時(shí)域信號(hào)基本都是量級(jí)很大的跳變信號(hào)，影響測(cè)量的信噪比，不能滿足試驗(yàn)要求；反光涂層處整個(gè)時(shí)域歷程只是偶爾出現(xiàn)信號(hào)跳變，量級(jí)也很小，不會(huì)對(duì)實(shí)際振動(dòng)測(cè)量產(chǎn)生干擾，可明顯改善激光反光效果。

圖6 復(fù)合材料表面測(cè)量信號(hào)

圖7 反光涂層處測(cè)量信號(hào)

1.3 涂層外觀和微觀變化情況

圖8為常溫、驗(yàn)證試驗(yàn)后反光涂層外觀和在顯微鏡下微觀狀態(tài)的變化情況?？梢钥闯觯貭顟B(tài)下微觀玻璃微珠為飽滿圓珠狀，回歸反射效果最優(yōu)；經(jīng)過加熱驗(yàn)證試驗(yàn)后，絕大多數(shù)玻璃微珠仍為圓珠狀，少量玻璃微珠出現(xiàn)了析晶變?yōu)榉峭该鞯娜榘咨?，?duì)回歸反射效果產(chǎn)生一定損失。因此，耐高溫反光涂層微觀狀態(tài)變化與測(cè)量信號(hào)效果是對(duì)應(yīng)的。

圖8 光涂層微觀狀態(tài)

2 信號(hào)后處理方法

多普勒激光測(cè)振直接測(cè)得速度信號(hào)，一般試驗(yàn)中更關(guān)心加速度響應(yīng)參數(shù)的時(shí)域幅值和頻域峰值對(duì)應(yīng)的頻率，特別是一階頻率情況。對(duì)原始速度信號(hào)濾波后采用時(shí)域微分的后處理方法，可以得到加速度時(shí)域信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，若將所關(guān)心時(shí)段的時(shí)域信號(hào)處理為功率譜密度，可得到該時(shí)段頻域峰值對(duì)應(yīng)頻率，特別是一階頻率；若對(duì)全程時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，可得到在整個(gè)熱振動(dòng)試驗(yàn)中試件一階頻率的變化情況，從而為試驗(yàn)評(píng)價(jià)提供直接有效的數(shù)據(jù)支撐。

正式試驗(yàn)前，對(duì)速度信號(hào)后處理準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。圖9為速度響應(yīng)處理準(zhǔn)確性驗(yàn)證試驗(yàn)，在振動(dòng)試驗(yàn)剛性工裝上同一位置布置加速度傳感器，直接測(cè)得加速度值，同時(shí)布置激光測(cè)振點(diǎn)，測(cè)得速度值。圖10為加速度計(jì)直接測(cè)得的加速度響應(yīng)圖，圖11為激光測(cè)振儀測(cè)得速度響應(yīng)微分后得到的加速度響應(yīng)圖。圖12為放大某一時(shí)間段的時(shí)域?qū)Ρ?。可以看到兩種方法得到的加速度響應(yīng)曲線在時(shí)域基本吻合，圖13為30～90 s這一時(shí)間段，利用速度微分方法和加速度計(jì)實(shí)測(cè)得到的加速度響應(yīng)的頻域功率譜密度曲線對(duì)比，可以看到在能量分布較多的1000 Hz以內(nèi)頻段，兩曲線基本吻合，特別是峰值完全重合，在能量分布較少的高于1000 Hz頻段，兩曲線峰值所在頻率一致，幅值有所差異，因此在全頻域內(nèi)都可以滿足獲取準(zhǔn)確峰值對(duì)應(yīng)頻率的要求。綜上，多普勒激光測(cè)振儀直接測(cè)得速度響應(yīng)信號(hào)，采用時(shí)間微分獲得加速度參數(shù)的方法滿足試驗(yàn)要求。

圖9 速度響應(yīng)處理方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖及現(xiàn)場(chǎng)

圖10 加速度傳感器直接測(cè)得加速度響應(yīng)

圖11 激光測(cè)振儀測(cè)得速度響應(yīng)微分后得到加速度響應(yīng)

圖12 速度微分方法和加速度計(jì)實(shí)測(cè)得到的加速度響應(yīng)(時(shí)域)局部放大對(duì)比

圖13 速度微分方法和加速度計(jì)實(shí)測(cè)得到的加速度響應(yīng)(頻域)對(duì)比

3 激光測(cè)振儀熱防護(hù)箱設(shè)計(jì)

高速飛行器熱振動(dòng)試驗(yàn)通常在低氧氮?dú)馀撝羞M(jìn)行，由于加熱分區(qū)多、加熱功率非常大，氮?dú)馀搩?nèi)的空氣溫度可達(dá)80 ℃以上，而激光測(cè)振儀內(nèi)部存在較多的精密光學(xué)元器件，其使用溫度不得超過40 ℃，因此必須對(duì)激光測(cè)振儀進(jìn)行有效的熱防護(hù)。

激光測(cè)振儀光學(xué)頭熱防護(hù)箱構(gòu)造如圖14所示，其外側(cè)安裝有導(dǎo)熱率較低的FR4環(huán)氧隔熱板(耐受溫度不低于300 ℃)以降低熱空氣向內(nèi)部傳導(dǎo)速率，同時(shí)保證內(nèi)部氮?dú)夤?yīng)以降低防護(hù)箱內(nèi)部溫度。

圖14 激光測(cè)振儀光學(xué)頭熱防護(hù)箱

4 正式試驗(yàn)測(cè)量效果

圖15為正式試驗(yàn)中激光測(cè)振儀安裝示意圖，圖16為試驗(yàn)中激光測(cè)振儀直接測(cè)得的全程某測(cè)點(diǎn)的速度響應(yīng)信號(hào)。從測(cè)量結(jié)果看，使用反光涂層后，測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)質(zhì)量良好，基本沒有出現(xiàn)信號(hào)跳變現(xiàn)象，原始數(shù)據(jù)滿足試驗(yàn)測(cè)量的要求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)所需時(shí)間段上的速度響應(yīng)按前述時(shí)域微分方式處理，可得到加速度信號(hào)，圖17為對(duì)試驗(yàn)全程某測(cè)點(diǎn)進(jìn)行速度響應(yīng)后處理得到的加速度響應(yīng)，可以得到所關(guān)心時(shí)間段上加速度響應(yīng)的時(shí)域幅值。圖18為800～900 s時(shí)間段，兩測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)功率譜密度，可獲得試件整體一階頻率，可以看到頻域上峰值對(duì)應(yīng)的頻率。圖19為對(duì)全程較大響應(yīng)處時(shí)域信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析后試件一階頻率附近的結(jié)果，可以為試驗(yàn)評(píng)價(jià)提供直接有效的數(shù)據(jù)支撐。

圖15 正式試驗(yàn)激光測(cè)振儀安裝示意圖

圖16 正式試驗(yàn)?zāi)硿y(cè)點(diǎn)直接測(cè)得速度響應(yīng)

圖17 正式試驗(yàn)?zāi)硿y(cè)點(diǎn)通過速度響應(yīng)后處理得到加速度響應(yīng)

圖18 正式試驗(yàn)兩測(cè)點(diǎn)800～900 s時(shí)段加速度響應(yīng)功率譜密度

圖19 正式試驗(yàn)?zāi)硿y(cè)點(diǎn)1590～1800 s時(shí)段時(shí)頻分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出基于激光多普勒原理的高溫振動(dòng)測(cè)量方法，以解決表面對(duì)激光反射強(qiáng)度極低的試件在持續(xù)高溫環(huán)境下振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量不準(zhǔn)確的問題。闡述了此方法的原理，并從激光反射信號(hào)增強(qiáng)、時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)后處理、激光測(cè)振儀熱防護(hù)三個(gè)方面進(jìn)行分析，通過實(shí)際試驗(yàn)證明了此方法的科學(xué)性和可靠性。未來武器裝備飛行速度將進(jìn)一步提高，研制試驗(yàn)中表面溫度隨之提高，為適應(yīng)試驗(yàn)需求，后續(xù)將從反光涂層選材及制備工藝方面進(jìn)一步研究，以適應(yīng)更高溫度試件表面激光反射率增強(qiáng)的需要，并提高反光涂層的制備效率，以縮短試驗(yàn)準(zhǔn)備的周期；目前對(duì)于響應(yīng)數(shù)據(jù)后處理僅是跟蹤其一階頻率在試驗(yàn)中的變化情況，過程中若出現(xiàn)一階頻率附近頻率數(shù)增加的情況則無法解釋其原因，未來將對(duì)工作模態(tài)分析等方面展開深入研究，進(jìn)一步挖掘響應(yīng)數(shù)據(jù)更大的應(yīng)用價(jià)值。