Vibrométrie laser Doppler
La vibrométrie laser Doppler est actuellement le procédé disposant de la plus haute résolution de déplacement et de vitesse, elle est utilisée dans de nombreux domaines des sciences fondamentales. Elle permet d'obtenir une résolution de l'amplitude du fentomètre, linéaire, fiable, jusqu'à des fréquences très hautes, actuellement supérieures à 2 GHz. Ces propriétés sont indépendantes de la distance de mesure, ce principe est utilisé aussi bien sur de petites distances que sur de très longues distances. Le laser utilisé comme capteur de mesure n'a aucune incidence sur l'objet mesuré, elle ne présente donc aucune rétroaction, ce qui permet d'effectuer des mesures sur les structures les plus petites et les plus légères. Grâce aux propriétés jusque-là inégalées, Polytec a su parfaitement adapter le procédé aux laboratoires et aux environnements extérieurs.
Principes de base de la vibrométrie Doppler laser (EN)
La vibrométrie laser au service des détails les plus fins
Caractériser des structures de petites dimensions et délicates sans contact. Analyser les vibrations, l'acoustique et la dynamique. Étudier des échantillons biomédicaux, des composants électroniques et des microstructures telles que les MEMS par la lumière, sans ajout de masse, et ce, du courant continu jusqu'à la plusieurs GHz sur une large bande passante. Les vibromètres laser se concentrent sur les détails les plus fins, mesurant les déformées pour la validation des modèles numériques. Ils évaluent la réponse en fréquence et déterminent la fréquence de résonance, la réponse impulsionnelle et le taux d’amortissement (facteur Q). Quelle que soit leurs dimensions, les vibromètres Polytec caractérisent vos échantillons !
Vibrométrie laser Doppler avec interférométrie QTec® à trajets multiples
QTec® réinvente la vibrométrie laser Doppler en éliminant la cause première du bruit, ce qui permet d'obtenir une sensibilité optique supérieure et des mesures de haute fidélité sur toutes les surfaces. Les vibromètres laser Doppler QTec de Polytec utilisent un concept innovant d'interféromètre à trajets multiples qui utilise le signal de la plus haute qualité de chaque trajet pour obtenir les meilleurs résultats. Cette technologie brevetée est combinée à la conception éprouvée du capteur infrarouge Xtra pour des mesures plus rapides, plus faciles et un résultat cohérent.
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The Doppler effect
Si l'onde émise par une structure en mouvement est détectée par le système de mesure (comme cela est le cas pour LDV), la fréquence mesurée (déplacement) est caractérisée par la formule suivante :
fD = 2· v/λ
La valeur v représente la vitesse et λ la longueur de l'onde émise. Afin de déterminer la vitesse des vibrations émises par la structure, le déplacement de la fréquence doit être mesuré à une longueur d'onde connue. La mesure peut notamment être réalisée avec le LDV basé sur la technologie d'interférométrie laser.
Interférométrie laser Doppler
Le vibromètre laser a effet Doppler est basé sur le principe de l'interférence. Il intègre deux faisceaux lumineux, dont les intensités respectives sont I1 et I2. L'intensité résultante n'est pas seulement la somme des deux intensités, mais elle est modulée selon la formule :
Itot = I1 + I2 + 2 √(I1 I2) cos [2π(r1 - r2)/λ]
avec ce qu'on appelle un terme d'interférence. Ce terme d'interférence se rapporte à la différence de longueur de trajet entre les deux faisceaux. Si cette différence est un multiple de nombre entier de la longueur d'onde de laser, l'intensité globale est quatre fois plus intense. Et l'intensité sera égale à zéro si les deux faisceaux ont une différence de longueur de trajet de moitié d'une longueur d'onde.
Construction optique du vibromètre laser Doppler
La figure ci-dessus indique comment se comporte l'interféromètre laser avec la solution LDV (Laser Doppler Vibrometry).Le faisceau laser hélium-néon est dédoublé par un beamsplitter (BS 1) dans un faisceau de référence et un faisceau de mesure. A l'aide d'un deuxième beamsplitter (BS 2), les faisceaux de mesure sont focalisés sur l'objet à caractériser, qui le reflète. Ce faisceau reflété est maintenant braqué vers le bas par les BS 2 (voir le chiffre), est alors fusionné avec le faisceau de référence par le troisième séparateur de faisceau (les BS 3) et sont alors dirigés sur le détecteur.
Car la longueur de trajet du faisceau de référence est constante au fil du temps (excepté des effets thermiques négligeables sur l'interféromètre) (r2 = const.), un mouvement de l'objet à l'étude (r1 = r (t)) produit d'un modèle foncé et lumineux (de frange) typique de l'interférométrie sur le détecteur. Un cycle complet de darkbright sur le détecteur correspond à un déplacement d'objet exactement de la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Dans le cas du laser hélium-néon utilisé presque exclusivement pour des vibromètres, ceci correspond à un déplacement de 316 nanomètre !
Le décalage de fréquence Doppler
Le changement de la longueur de trajet optique par unité de temps se manifeste comme déplacement Doppler-Fizeau du faisceau de mesure. Ceci signifie que la fréquence de modulation du modèle d'interféromètre déterminé est directement proportionnelle à la vitesse de l'objet. Pendant que le mouvement d'objet à partir de l'interféromètre produit du même modèle d'interférence (et du déplacement de fréquence) que le mouvement d'objet vers l'interféromètre, cette installation ne peut pas déterminer la direction que l'objet se déplace dedans. À cet effet, un modulateur acousto-optique (cellule de Bragg) est placé dans le faisceau de référence, qui décale la fréquence légère par 40 mégahertz (par comparaison, la fréquence de la lumière laser est 4,74 · 1014 hertz). Ceci produit d'une fréquence de modulation du modèle de frange de 40 mégahertz quand l'objet est au repos. Si l'objet se déplace alors vers l'interféromètre, cette fréquence de modulation est réduite et si elle s'éloigne du vibromètre, le détecteur reçoit des que 40 mégahertz une fréquence plus élevés. Ceci signifie qu'il est maintenant possible non seulement de détecter l'amplitude de mouvement mais de définir également clairement la direction du mouvement.
Déplacement ou vitesse vibratoire
En principe, le LDV permet de mesurer à la fois des vitesses et des déplacements. Dans ce cas, la fréquence Doppler n'est pas convertie en une tension proportionnelle à la vitesse, au lieu de cela le LDV compte les franges lumineux-foncées sur le détecteur. Utilisant des techniques appropriées d'interpolation, les vibromètres de Polytec atteignent une résolution de 2 nanomètre, et avec des techniques numériques de démodulation même vers le bas à la gamme de P.M. ! La démodulation de déplacement approprié mieux aux mesures basses fréquences et la démodulation de vitesse est meilleure pour de plus hautes fréquences, parce que les amplitudes maximum de vibrations harmoniques peuvent être exprimées comme suit :
v = 2π • f • s
À mesure que sa fréquence augmente, une certaine vibration produit des vitesses plus élevées aux amplitudes inférieures de déplacement.