外差式激光测振仪上升时间和延迟的测量研究
    

0 引言

激光测振仪是一种基础性工程测量仪器,其基本测量原理是基于激光光束打到运动物体表面,获得的反射光会因多普勒效应而产生频移,反射光与入射光 相干涉后,经过光电探测器,产生频率随激光与物体的相对运动速度成线性关系的fm(调频)电信号,该fm信号经过激光测振仪后续信号处理电路解调获得的信 号波形,即是速度随时间变化的波形。

激光测振仪主要用于速度量值的直接测量,经过积分或微分环节,也可以相应获得位移或加速度的测量功能。因而,其激励信号通常是物体表面运动速度,也可以是变化过程中的位移量值。

在其信号处理电路输入端口,可以直接引入fm信号激励,以获得fm信号的调制波形为实际物理量的激励波形时激光测振仪的响应特性(假设光电探头的影响可忽略)。

上升时间或称为阶跃响应过渡过程,是动态测量仪器设备的基本特征参数,也是激光测振仪的基本特征参数。评价激光测振仪的上升时间一般可采取两种 方式:1)给其加载系统性物理量激励,如速度阶跃信号或位移阶跃信号,以获得系统的阶跃响应上升时间;2)给其fm信号处理电路的输入端加载调制规律为方 波的fm信号波形,以获得全系统除光电探头以外部分的阶跃响应上升时间。

本文所述内容,主要讨论后一种情况下,激光测振仪电路参数特性中上升时间的测量评价。包括其原理、方法和其中存在的问题。

1 测量原理

如图1所示接线,选取一合适的fm信号源,使其工作在外部信号调制的状态下,其正弦载波频率f,调制频偏为δf。选取一上升时间和下降时间皆足 够小的方波作为fm信号源的外调制信号,其频率为ω,幅度在fm信号源要求的范围内,两者连接后产生了调制规律具有阶跃信息的方波调制fm信号,将此fm 信号接入激光测振仪信号处理电路的输入端,经过其进行解调处理,输出含有阶跃响应特性的方波波形。将该方波波形用数字存储示波器进行测量,获得其上升时间 tr3。将方波信号源的输出波形直接用数字存储示波器进行测量,获得其上升时间tr1。将fm波形直接用数字存储示波器进行测量,然后使用软件解调算法获 得等效的激光测振仪瞬态激励波形(方波)[1],获得其上升时间tr2。

忽略掉软件解调对上升时间带来的影响,可以认为,激光测振仪全系统除光电探头以外部分的阶跃响应上升时间tr为:

同时忽略掉软件解调对上升时间带来的影响和fm信号源调制过程对调制信号波形上升时间带来的影响,可以认为,激光测振仪全系统除光电探头以外部分的阶跃响应上升时间tr为:

令tr1、tr2和tr3所代表的上升沿开始出现跳变的时刻分别为t1、t2和t3,则激光测振仪系统延迟时间为t3-t2,fm信号源外调制状态下的系统延迟时间为t2-t1。

2 误差分析

评价测量系统上升时间时,其最主要的要求是激励信号的上升时间要远小于被测量系统的上升时间,若达不到该要求,将给测量结果带来额外的误差。一 般认为,当测量系统的幅频特性接近于高斯形状(也称钟形或正态分布形状),或者是幅频特性接近于一阶rc低通电路特征时,激励信号上升时间tri、响应信 号上升时间tro和测量系统上升时间之间tr可以近似有关系式:

若不对激励信号上升时间tri进行修正,直接以响应信号上升时间tro代替测量系统上升时间之间tr作为tr的测量结果,当tri/tr=1 时,将带来的测量误差约为41.4%,当tri/tr=1/3时,带来的测量误差约为5.4%;当tri/tr=1/5时,带来的测量误差约为2.0%; 当tri/tr=1/10时,带来的测量误差约为0.5%。

上述过程中,方波激励信号的上升时间应远小于被测量的激光测振仪的上升时间,由于它并不是直接激励被测设备,而是需要通过调制过程变成fm信号 后对激光测振仪进行激励,因而调制过程将对原始激励信号的参数带来影响,一般认为调制后波形的上升时间tr2要比其原始波形上升时间tr1长。激光测振仪 实际上的激励应是相当于上升时间为tr2的阶跃信号波形,可以通过软件解调方法,在对fm信号进行波形测量的基础上,解调出激光测振仪的真实阶跃激励波 形。

为了提高信号质量,首先需要选取具有较快上升沿的调制信号波形。其后,需要选取动态响应特性良好的fm信号源,以使得调制过程造成的信号上升时 间变慢的效应足够小。最后,选用带宽足够的波形测量系统记录fm信号波形,并选取解调失真低、时间分辨力高、响应时间快的算法解算激光测振仪实际的阶跃激 励信息。

关于方波上升时间tr1的误差与不确定度评定以及测量仪器上升时间tr3的误差与不确定度评定,已经有相应文献可供参考[2],不再赘述。

在本文中,由于系统延迟时间是通过确定阶跃波形起始点(而不是中值点等其它点)之间的时间差获得的,因而具有更大的难度与不确定性,其引起误差的因素主要有3个方面:

1)fm信号解调算法带来的误差;

2)波形测量通道间延迟时间差带来的误差;

3)确定阶跃波形起始跳变时刻带来的误差。

其中,通道间延迟时间差的影响是可以精确测量和修正的[3],而fm信号解调算法带来的影响则要复杂得多,同时有幅度误差、时间响应和时间分辨 力误差、失真因素。本文所用的方法的时间分辨力为一个采样间隔,其对时间响应的影响被认为是小于解调用数据段时间长度的,而幅度误差和失真因素则与序列样 本点数成反比[4],故可以通过缩短解调用数据段的时间长度、增加采样速率等因素控制和降低其影响和误差。

与其它因素相比,确定阶跃波形起始跳变点要困难和复杂,受阶跃波形上升沿的形状、测量噪声等复杂因素的交互影响,获得特别精确的测量结果难度较 大,可以使用局部趋势拟合方法解决该问题。但最根本的解决方案将可能是以正弦波代替阶跃波,以模型化测量手段替代局部点值判断[3]。

3 实验验证

选取德国的ofv-5000型外差式激光测振仪为被测对象,它使用了632.8nm波长的氦氖激光,光电探头输出信号的中心频率(相当于0输入 时fm信号的载波频率)约为40mhz,其速度测量范围为[-0.5m/s, +0.5m/s],速度量程对应的频偏范围为:(δf=3.16mhz;对应的信号解调电路频率测量范围为[el,eh]=[38.418585 mhz,41.578585 mhz]。以美国公司的tds7054型数字存储示波器作为标准测量仪器,其频带宽度为500mhz,垂直分辨力为8 bits,增益精度1%,存储深度为16m bytes,最高实时采样速率为2.5gs/s(单通道工作时为5gs/s),幅度量程范围为±5mv~±50v。激光测振仪ofv-5000的输出接到 tds7054的1通道。以美国公司的hp3325b型合成信号源产生的方波信号作为调制源,其输出同时送到33250a的调制输入端和tds7054的 3通道。以美国公司的33250a型任意波发生器受调制产生的fm信号作为激励信号,其输出同时送到ofv-5000的fm信号输入端和tds7054的 2通道。

令33250a工作于外部调制方式,据被测激光测振仪的参数特性和量程选取其载波频率为f=40mhz,相应的频偏范围为:δf=3.16mhz;信号幅度为100mv。选取3325b的信号幅度为6v,频率为ω=6.25khz。

选取tds7054数字存储示波器的实时采样速率为0.5gs/s,通道1和通道3的幅度量程均为-10~10v,而通道2的幅度量程为 -0.25~0.25v。按图1所示接线,加载激励启动测量,分别获得原始激励方波信号的波形、fm信号波形和激光测振仪的响应输出波形,如图2所示(其 中:曲线1为原始激励方波信号波形;曲线2为fm信号源输出的调频信号波形,为在同一个图中有效显示,其幅度被放大了10倍;曲线3为激光测振仪的响应输 出波形)。

由图2获得调制方波(曲线1)的参数为:上升时间tr1=24.38ns

将图2所示通道2的fm数据文件(曲线2),用数字化解调算法获得解调波形如图3[1]所示,其上升时间tr2=6.42μs。由图中可以看出 其阶跃上升沿上存在台阶,具体技术原因尚不清楚,应是仪器制造技术产生的现象。本文在解调fm信号时,使用了3个载波信号周期长度的数据进行处理,其长度 约0.075μs,与解调波形上升时间tr2=6.42μs相比,它给上升时间测量带来的影响可以忽略。

由图2获得ofv-5000的阶跃激励响应波形(曲线3)参数为:上升时间tr3=8.47μs。由式(1)获得ofv-5000的阶跃响应上 升时间tr=5.52μs。从tr1、tr2、tr3的量值可见,tr1由于量值微小,实际上可以忽略其影响。而tr2占据主导地位,应从测量结果中剔除 和修正,才能获得真正的tr。

将原始阶跃波形、fm解调信号和激光测振仪的信号按同一参考时间关系排成时序关系如图4所示(其中:曲线1为原始激励方波信号波形;曲线2’为 图2中的曲线2解调结果;曲线3为激光测振仪的响应输出波形)。从中可以看 出,t1=27.17μs,t2=84.41μs,t3=96.01μs,33250a输出信号的调制波形已经比其外调制输入波形延迟了t2- t1=57.24μs,激光测振仪的输出信号比其fm激励所含阶跃信号延迟了t3-t2=11.60μs,比外调制信号波形延迟了t3- t1=68.84μs。

从图4也可以看出,激光测振仪ofv-5000输出的信号与hp3325b输出的调制信号波形相比,具有较大的时间延迟(68.84μs)。其 中,调制信号源33250a自身对于外调制波形的延迟(57.24μs)占据主导地位,激光测振仪ofv-5000对fm信号解调过程造成的延迟 (11.60μs)也不容忽视,约占16.85%,但仍处于次要地位。

关于上升时间测量不确定度评定问题,由于已经有成熟的解决方案[2],不再赘述。而需要特别指出的是,本文所述条件下,由于各个延迟时间量值比 较大,未考虑所使用的数字存储示波器通道间延迟时间差带来的影响,如果需要更加精确的测量结果,或者各个延迟时间量值比较小时,必须考虑这一问题。相关文 献已经给出了其测量方法和可能带来的不确定度[3]。

5 结束语

使用同步采样技术和数字化解调技术进行了激光测振仪电信号解调部分的上升时间的测量评价,同时给出了其上升时间和延迟时间两个参量的测量结果。 使用该方法可进行fm信号源外调制特性的测量评价,也能同时给出调制过程造成的时间延迟和调制过程响应的上升时间两个参数的测量评价结果。其过程和方法, 可以给fm信号源和激光测振仪的用户、生产厂家提供参考和借鉴。

参考文献

[1]梁志国,孙宇,盛晓岩.正弦信号发生器波形抖动的一种精确测量方法.仪器仪表学报,2004 ,25(1):23-29

[2]梁志国.方波上升时间的测量不确定度.计测技术,2006, 26(3):43-45

[3]梁志国.通道间延迟时间差的测量不确定度.计量学报,2005,26(4):354-359

[4] john p. deyst, t. michael soulders, and otis m. solomon jr.bounds on least-squares four-parameter sine-fit errors dueto harmonic distortion and noise.ieee transaction on instrumen-tation & measurement, 1995, 44 (3): 637-642

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    收录时间:2014年12月18日 12:32:59 来源:中国计量测控网 作者:点击率
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