Vibromètre laser

Un vibromètre laser est un capteur de mesure de vibrations sans contact. Il est constitué d'une source de lumière monochromatique et d'un interféromètre, servant à mesurer l'effet Doppler dû à la vibration entre le signal émis et le signal réfléchi.



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Capteur - Composant électronique - Laser - Physique - Mécanique ondulatoire - Optique ondulatoire

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Un vibromètre laser est un capteur de mesure de vibrations sans contact. Il est constitué d'une source de lumière monochromatique (laser) et d'un interféromètre (interféromètre de Mach-Zehnder), servant à mesurer l'effet Doppler dû à la vibration entre le signal émis et le signal réfléchi. De cette interférométrie entre les 2 signaux, la fréquence et la phase de la vibration pourront en être déduite.

Le vibromètre laser (ou LDV : Laser Doppler Vibrometer) utilise le principe de l'effet Doppler et fonctionne sans contact. Il est par conséquent spécifiquement adapté pour mesurer des vibrations, là ou des méthodes alternatives (accéléromètres) atteignent leurs limites ou ne peuvent tout simplement pas être utilisées. A titre d'exemple, les mesures de vibrations à la surface de matériaux liquides, sur structures extrêmement petites (MEMS) ou légères (membranes de haut-parleurs) se font par conséquent particulièrement aisément en utilisant un vibromètre laser, et ce jusqu'au GHz. De plus le calibrage des accéléromètres peut être réalisé en utilisant un vibromètre laser.

Principe

L'effet Doppler

Chacun a déjà expérimenté le principe de l'effet Doppler, caché derrière un vibromètre laser, lorsque par exemple la tonalité d'un véhicule change en passant devant un observateur localisé sur le bord d'une autoroute. La fréquence perçue (pitch) change alors et on a cette impression de glissement d'un son aigu à un son plus grave. Par ressemblance, si une onde acoustique est réfléchie par un objet vibrant et détectée par le dispositif de mesure que forme le vibromètre laser, le glissement en fréquence (ou fréquence Doppler) de l'onde peut être décrite par :

 f_D = \frac {2v}{\lambda}

où v est la vélocité de l'objet vibrant et \lambda est la longueur d'onde émise.

L'interféromètre

Le vibromètre laser Doppler fonctionne sur le principe de l'interférence optique, nécessitant deux faisceaux lumineux cohérents et leur intensité lumineuse respective I1 et I2 interférant. L'intensité résultante n'est pas uniquement la somme des deux intensités, mais est modulé selon la formule :

I_t = I_1 + I_2 + 2 \sqrt{I_1 I_2} \cos \left(\frac{2\pi(r_1-r_2)}{\lambda}\right)

Le terme d'interférence, apparaissant dans la formule, relate la différence de longueur entre les chemins lumineux des deux faisceaux. Si cette différence est un entier multiple de la longueur d'onde du laser, l'intensité totale est égale à quatre fois l'intensité I1. De même, l'intensité totale est égale à zéro si les deux faisceaux ont une différence de longueur de chemin optique égal à une demi-longueur d'onde. Ceci résulte en des interférences constructives ou destructives. La figure 1 montre comment la loi physique est exploitée dans un vibromètre laser.

Le faisceau d'un laser Hélium-Néon[1] est scindé par le séparateur de faisceau BS1, en un faisceau de référence et un faisceau de mesure. Après être passé au travers d'un deuxième séparateur BS2, le faisceau de mesure est envoyé sur l'objet vibrant sous étude, qui va alors le réfléchir. Le faisceau réfléchi est désormais dévié par le séparateur BS2, puis fusionné au faisceau de référence par le troisième séparateur BS3 et enfin dirigé vers détecteur. Etant donné que la longueur du chemin optique est constante à travers le temps (à l'exception d'effets thermiques négligeables sur l'interféromètre)  : r2 = constant, un mouvement de l'objet sous étude (r1 = r (t) ) générera des franges d'interférences «claires – sombres» au niveau du détecteur : schéma typique d'un interféromètre. Un cycle complet «sombre – clair» sur le détecteur correspond à un déplacement de précisément une demi-longueur d'onde de la lumière utilisé. Dans le cas d'un tube laser Hélium-Néon, utilisé presque exclusivement pour les vibromètres, cela correspond à un déplacement de 316 nm. Donc la modulation en fréquence du schéma d'interférences déterminé est directement proportionnelle à la vélocité de l'objet. Il faut cependant considérer que les vibrations en direction de l'interféromètre génèrent précisément les mêmes schémas d'interférence que les vibrations s'éloignant de l'interféromètre. Cette configuration ne peut par conséquent déterminer la direction des vibrations ; Pour cette raison, un modulateur opto-acoustique (cellule de Bragg) est positionné au niveau du faisceau de référence, lequel module alors l'onde lumineuse de 40 MHz (en comparaison la fréquence de la lumière laser est 4, 74e14 Hz). Cela génère ainsi une modulation des franges d'interférences de 40 MHz, lorsque l'objet est au repos. Si l'objet se déplace en direction de l'interféromètre, la modulation de fréquence est réduite ; ainsi qu'à l'opposé, si l'objet s'éloigne du vibromètre, le détecteur reçoit une fréquence supérieure à 40 MHz. Cela veut dire qu'il est désormais envisageable, non seulement de détecter l'amplitude du mouvement, mais également déterminer exactement la direction de cette vibration.

Déplacement ou vitesse ?

En principe, le LDV peut mesurer directement le déplacement mais aussi la vitesse de vibrations. Dans le cas du déplacement, la fréquence Doppler n'est pas transformée en tension directement proportionnelle à la vélocité ; à la place le LDV compte les franges d'interférences «sombres-claires» sur le détecteur. En utilisant cette technique d'interpolation et une démodulation digitale, certains vibromètres lasers peuvent atteindre une résolution inférieure au picomètre ! La démodulation en déplacement est plus adaptée pour les mesures basses fréquences et la démodulation en vitesse est préférable pour les hautes fréquences. En effet quand sa fréquence augmente, une certaine vibration génère de plus hautes vitesses pour de plus faibles déplacements :

v = 2fs

Exemples d'application

Les vibromètres laser Doppler [LDV] sont utilisés pour de nombreuses applications scientifiques, industrielles et médicales. Quelques exemples sont indiqués ci-dessous :

En savoir plus

Références

  1. Polytec France
  2. Kilpatrick, James M. and Markov, Vladimir, «Matrix laser vibrometer for transient modal imaging and rapid nondestructive», 8th International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques, SPIE 7098, Ancona, Italy (2008)
  3. Bissinger, George. and Oliver, David, «3-D Laser Vibrometry on Legendary Old Italian Violins», Sound and Vibration, July 2007
  4. http ://www. polytec. com/usa/158_2081. asp
  5. Huber, Alexander M, «Evaluation of Eardrum Laser Doppler Interferometry as a Diagnostic Tool», Journal of Comparative Physiology A 111 (3)  :501-507, March 2001
  6. Fonseca, P. J. and Popov, A. V., "Sound radiation in a cicada : the role of different structures, " Volume 175, Number 3, September, 1994, p. 349-361
  7. Sutton, C. M., Accelerometer Calibration by Dynamic Position Measurement Using Heterodyne Laser Interferometry, Metrologia 27, 133-138, 1990
  8. Mamun, A. A. et al, Hard Disk Drive : Mechatronics and Control, ISBN 0-8493-7253-4, 2007
  9. Xiang, Ning and Sabatier, James M., "Land mine detection measurements using acoustic-to-seismic coupling, " SPIE Vol. 4038 Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V, p. 645-655 (2000).
  10. Burgett, Richard D. et al., "Mobile mounted laser Doppler vibrometer array for acoustic landmine detection, " SPIE Vol. 5089 Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VIII (2003).
  11. Lal, Amit K. et al., "Advanced LDV instruments for buried landmine detection, " SPIE Vol. 6217 Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets XI (2006).

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