張深逢，李路可，陳士釗，宋云峰，翁九星

(1.寧波舜宇智能科技有限公司，浙江 余姚315400；2.鄭州科技學(xué)院，鄭州450064)

多普勒三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)

張深逢1，李路可2，陳士釗1，宋云峰1，翁九星1

(1.寧波舜宇智能科技有限公司，浙江 余姚315400；2.鄭州科技學(xué)院，鄭州450064)

提出一種新型多普勒三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)基于多普勒效應(yīng)干涉原理，由He-Ne激光器發(fā)出偏振光，通過載波調(diào)制和信號(hào)解調(diào)，獲取被測(cè)物體的振動(dòng)信息，并通過測(cè)振單元的并聯(lián)、自動(dòng)聚焦系統(tǒng)、五路信號(hào)獲取三維信息、同步數(shù)據(jù)采集等子系統(tǒng)的混聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)非接觸式、跨尺度、高精度的三維測(cè)量。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)接觸式傳感器頻帶范圍窄、測(cè)振精度低、不適合測(cè)試輕質(zhì)、軟質(zhì)物體的缺陷，可實(shí)現(xiàn)在狹小空間、電磁干擾、微振動(dòng)、沖擊振動(dòng)、高溫環(huán)境下三維振動(dòng)測(cè)量。

多普勒；三維激光；振動(dòng)測(cè)量；非接觸式傳感器

0 引言

激光測(cè)控儀器市場(chǎng)現(xiàn)處于快速增長(zhǎng)期，容量超200億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率近30%，行業(yè)平均利潤(rùn)率達(dá)40%，其中激光測(cè)振儀長(zhǎng)期被德國(guó)Ploytec、日本基恩士、日本小野測(cè)器、日本理音、德國(guó)GOM、西班牙Aries等壟斷；而傳統(tǒng)加速度傳感器、電渦流傳感器等被丹麥BK、美國(guó)PCB、美國(guó)Bently、瑞士KISTLER、美國(guó)ENDEVCO等企業(yè)壟斷，因此，為突破國(guó)外壟斷，國(guó)產(chǎn)激光測(cè)振儀器必須要大力開展研究工作。作為振動(dòng)測(cè)量的度量衡，激光測(cè)振具有廣闊的成長(zhǎng)空間；振動(dòng)測(cè)量技術(shù)發(fā)展水平是衡量國(guó)家重大機(jī)電產(chǎn)品設(shè)備質(zhì)量、可靠性水平的重要標(biāo)志。

光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x具有非接觸測(cè)量、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在某些特殊場(chǎng)合，如衛(wèi)星陀螺控制器的振動(dòng)測(cè)量、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片振動(dòng)測(cè)量、火炮發(fā)射時(shí)炮管的振動(dòng)測(cè)量、微機(jī)電系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量等問題，必須依靠非接觸測(cè)量的光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x來完成。然而，長(zhǎng)期以來我國(guó)的光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x幾乎完全依賴進(jìn)口，部分產(chǎn)品由于牽涉到國(guó)防及國(guó)家安全領(lǐng)域，還無法進(jìn)口，這一局面極大地限制了我國(guó)相關(guān)重要領(lǐng)域的發(fā)展。為此，替代進(jìn)口、打破禁運(yùn)，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x迫在眉睫。

三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)具備高頻、高精度以及高抗干擾性的測(cè)量性能，能夠?qū)崿F(xiàn)儀器監(jiān)控、控制及診斷功能，激光測(cè)振數(shù)據(jù)通過UFF(Universal File Format)格式文件獨(dú)立輸出并實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，輸出的UFF格式文件輸入到模態(tài)分析軟件中，實(shí)現(xiàn)高、低頻振動(dòng)數(shù)據(jù)的振動(dòng)模態(tài)分析。

1 測(cè)振原理

新型三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量原理：五個(gè)激光測(cè)振單元由He-Ne激光器發(fā)出偏振光，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)，聚焦于被測(cè)對(duì)象上一點(diǎn)，散射光束返回到激光測(cè)振模塊形成干涉，激光測(cè)振模塊內(nèi)部設(shè)置的探測(cè)器探測(cè)干涉信號(hào)，解調(diào)出被測(cè)對(duì)象沿激光測(cè)振單元通過光束聚焦系統(tǒng)的出射光束的投影分量，經(jīng)過空間矢量算法，得出振動(dòng)物體的三維振動(dòng)信息。其中單個(gè)測(cè)振單元的測(cè)振原理圖如圖1所示[1-3]。

圖1 測(cè)振單元測(cè)振原理Fig.1Principle of vibration unit vibration

測(cè)振單元主要由一臺(tái)高精度激光干涉儀和一臺(tái)信號(hào)處理器組成，高精度激光干涉儀內(nèi)的He-Ne激光器發(fā)出的偏振光(頻率為f0)由分光鏡BS(Beam Splitter)分成兩束，一路作為測(cè)量，一路用于參考，測(cè)量光通過聲光調(diào)制器具有一定頻移F，再被聚焦到被測(cè)物體表面，物體振動(dòng)引起頻移(f=2v/l)。系統(tǒng)反射光并與參考光匯聚在傳感器上，兩束光便在傳感器表面形成干涉，干涉信號(hào)的頻率為F+f，攜帶了被測(cè)物體的振動(dòng)信息，信號(hào)處理器將頻移信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和位移信號(hào)[4-5]。

2 三維算法設(shè)計(jì)

如圖2所示，沿光束聚焦系統(tǒng)的光軸方向定義為z軸，被測(cè)對(duì)象的激光照射點(diǎn)作為原點(diǎn)，并垂直于z軸建x-y坐標(biāo)系，激光測(cè)振模塊10布置于z軸，出射光束40的投影分量為v40，激光測(cè)振模塊11布置于x軸h41/2處，出射光束41的投影分量為v41，激光測(cè)振模塊12布置于x軸-h42/2處，出射光束42的投影分量為v42，則所述激光測(cè)振模塊10的出射光束沿z軸方向的振動(dòng)分量為

校準(zhǔn)過程中，一般采用振動(dòng)臺(tái)沿z軸方向，但實(shí)際校準(zhǔn)過程中，振動(dòng)臺(tái)由于擺放誤差，很多情況下也會(huì)有沿x方向振動(dòng)，兩組激光測(cè)振組件測(cè)量的投影分量為

由以上三式，可以實(shí)現(xiàn)光束41與光束42的角度校準(zhǔn)：

激光測(cè)振儀角度校準(zhǔn)完成后，振動(dòng)物體在xz面內(nèi)二維振動(dòng)信息：

yz平面內(nèi)夾角自校準(zhǔn)和自檢測(cè)以及振動(dòng)信息與xz平面內(nèi)的解決方案及過程相同，同是共用一個(gè)光束聚焦系統(tǒng)31，如圖3所示，沿光束聚焦系統(tǒng)的光軸方向定義為z軸，將被測(cè)對(duì)象的激光照射點(diǎn)作為原點(diǎn)，并垂直于z軸建立x-y坐標(biāo)系，激光測(cè)振模塊10布置于z軸，岀射光束40的投影分量為v40，激光測(cè)振模塊13布置于y軸h43/2處，岀射光束43的投影分量為v43，激光測(cè)振模塊14布置于Y軸-h44/2處，岀射光束44的投影分量為v44，則所述激光測(cè)振模塊10的出射光束沿z軸方向的振動(dòng)分量為式(1)。

校準(zhǔn)過程中，一般采用振動(dòng)臺(tái)沿z軸方向，但實(shí)際校準(zhǔn)過程中，振動(dòng)臺(tái)由于擺放誤差，很多情況下也會(huì)有沿x或y方向振動(dòng)，則兩組激光測(cè)振組件的投影分量為

由以上三式，可以實(shí)現(xiàn)出射光束43與出射光束44的角度校準(zhǔn)值：

激光測(cè)振儀角度校準(zhǔn)完成后，振動(dòng)物體在yz面內(nèi)二維振動(dòng)信息：

由此，新型三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)振原理如圖4所示，五組激光測(cè)振模塊40、41、42、43、44同步測(cè)試被測(cè)對(duì)象5，得到獨(dú)立的五組振動(dòng)數(shù)據(jù)v40、v41、v42、v43和v44，經(jīng)過上述算法的計(jì)算，最終得到三維

圖2 三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)振原理圖(xz平面)Fig.2The 3D laser vibration measuring principle of motion(xzplane)

圖3 三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)振原理圖(yz平面)Fig.3The 3D laser vibration measuring principle of motion diagram(yzplane)

圖4 三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)振原理圖Fig.4The 3D laser vibration measuring principle of motion diagram

信息vx、vy、vz和夾角校準(zhǔn)值。

3 三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)技術(shù)突破及創(chuàng)新

1)激光束夾角自檢測(cè)與自校準(zhǔn)

在傳統(tǒng)激光測(cè)量技術(shù)中，三維激光測(cè)量物體振動(dòng)，主要由三個(gè)單點(diǎn)激光測(cè)振儀發(fā)出三束激光，檢測(cè)被測(cè)物體在三個(gè)方向的振動(dòng)，這種測(cè)量技術(shù)的缺陷是三個(gè)單點(diǎn)激光測(cè)振儀空間物理位置和發(fā)射出的激光束夾角無法準(zhǔn)確定位，存在多大的安裝誤差檢測(cè)不出來，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在較大的精度誤差，且測(cè)得反應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)不是實(shí)時(shí)的，需要通過投影計(jì)算才能獲得某一時(shí)間點(diǎn)被測(cè)物體在三維方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[7-8]。

本技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種新型三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量方法，即采用五束激光測(cè)振，五束測(cè)量光束發(fā)射到物體上，實(shí)時(shí)測(cè)得被測(cè)物體在三維方向的振動(dòng)信息和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，而且能夠?qū)Χ鄠€(gè)激光傳感器發(fā)出的激光束夾角實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)校準(zhǔn)的功能，具體原理為：首先同步測(cè)量得到五組數(shù)據(jù)v40、v41、v42、v43和v44，經(jīng)過空間矢量的合成與分解計(jì)算，得出精確的夾角以及空間正交坐標(biāo)軸上的三維振動(dòng)數(shù)據(jù)vx、vy、vz，用代替存在機(jī)械安裝誤差的相應(yīng)夾角，使得測(cè)出三維振動(dòng)vx、vy、vz的精確度大大提高，更加準(zhǔn)確反映出被測(cè)對(duì)象的真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)；

2)可實(shí)現(xiàn)多種選擇組合的三維激光振動(dòng)測(cè)量

如圖4所示，三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量關(guān)鍵部件共有5束激光組成測(cè)振系統(tǒng)，即使其中1束或2束激光組件損壞，只要其中成三角形排列的三束激光不損壞，僅需切換軟件算法和改變采集通道，即可實(shí)現(xiàn)三維激光測(cè)振。滿足三維激光測(cè)振的組合形式有：(40 41 43)、(40 42 43)、(40 42 44)、(40 41 44)、(41 42 43)、(41 42 44)、(41 43 44)、(42 43 44)共計(jì)8種組合方式可實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)測(cè)量的功能，大大提高了儀器的使用率。

組合的三維激光振動(dòng)測(cè)量解決方案及過程，如圖5所示。方案包含3套激光測(cè)振組件，每組激光測(cè)振組件的出射光束沿光束聚焦系統(tǒng)光軸正交分布，分別為第一激光測(cè)振組件通過光束聚焦系統(tǒng)的第一出射光束、第二激光測(cè)振組件通過光束聚焦系統(tǒng)的第二出射光束，以及第三激光測(cè)振組件通過光束聚焦系統(tǒng)的第三出射光束，第三激光測(cè)振組件沿光軸布置，將沿光束聚焦系統(tǒng)的光軸方向定義為z軸，將振動(dòng)物體的激光照射點(diǎn)作為原點(diǎn)，并垂直于z軸建立x-y坐標(biāo)系，第一激光測(cè)振組件布置于y軸處，第二激光測(cè)振組件布置于x軸處，物體振動(dòng)沿第一出射光束和第二出射光束的投影分量為v41、v42，所述第三激光測(cè)振組件測(cè)量z軸方向上的振動(dòng)信息v40：

圖5 組合的三維激光振動(dòng)測(cè)量方案原理圖Fig.5The 3D laser vibration measuring principle of motion combined diagram

通過三個(gè)組件的正交分布得到沿y軸的振動(dòng)分量vy，振動(dòng)物體沿x軸的振動(dòng)分量vx分別為

其中：f為光束聚焦系統(tǒng)的焦距，為第一出射光束與第三出射光束間距，為第二出射光束與第第三出射光束間距。由此，可通過安裝高度h41、h42和焦距f計(jì)算得到，v40、v41、v42通過數(shù)據(jù)采集可以得出，則三維振動(dòng)vx、vy和vz均可計(jì)算，因而便實(shí)現(xiàn)了成三角形排列的三束激光的三維測(cè)振，從而實(shí)現(xiàn)了5束激光的8種組合：(40 41 43)、(40 42 43)、(40 42 44)、(40 41 44)、(41 42 43)、(41 42 44)、(41 43 44)、(42 43 44)功能實(shí)現(xiàn)。

4 展望與總結(jié)

激光儀器的發(fā)展歷時(shí)已久，1965年，Barker等人發(fā)明了邁克爾遜干涉型測(cè)速儀；60年代末，D.Simpson和P.R.Smy設(shè)計(jì)了差分混頻單頻激光多普勒測(cè)速儀。70年代之后，出現(xiàn)了激光多普勒測(cè)速儀，并一直被沿用和發(fā)展。90年代，德國(guó)PTB研制了零差式和外差式改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀，對(duì)位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度六個(gè)基本運(yùn)動(dòng)量全部實(shí)現(xiàn)激光干涉法校準(zhǔn)的檢測(cè)，并制定了單維度光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國(guó)外所查到的多維空間的光電振動(dòng)測(cè)量通常多局限于靜態(tài)測(cè)量，如基于光學(xué)三角測(cè)量法原理，利用CCD攝像機(jī)、振鏡和激光線投射器對(duì)大型工件的快速測(cè)量。韓國(guó)Kim Jong-Ahn等人設(shè)計(jì)了全息反射型多自由度測(cè)量系統(tǒng)[4]。對(duì)于多維動(dòng)態(tài)測(cè)量的報(bào)道有：德國(guó)PTB和日本NMIJ在其研制的三維振動(dòng)校準(zhǔn)裝置中均采用三個(gè)單通道光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)三自由度振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，但所用光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x的類型、安裝方式及數(shù)據(jù)處理方法等均未提及。BOSCH公司采用三維掃描式激光測(cè)振儀(SLDV)研究其電動(dòng)工具的特性；Peeter S研究用3個(gè)CCD攝像機(jī)以及發(fā)光二極管測(cè)量飛機(jī)的模態(tài)，其特點(diǎn)是測(cè)量頻響下限可達(dá)零頻，且更容易安裝、不影響被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，可以直接測(cè)量剛體的6D運(yùn)動(dòng)。

今后，激光測(cè)振儀器將會(huì)沿著以下幾個(gè)方向發(fā)展：1)體積小型化：激光測(cè)振儀因光學(xué)器件的限制，使得整機(jī)的體積過大，不便使用；2)智能化：激光測(cè)振儀器由于要使用到光學(xué)鏡頭，使用過程中，不同的工作距離需要不同的焦距，使用極其不便，尤其不便于工業(yè)自動(dòng)化的普及，因此，激光測(cè)振儀器將會(huì)采用自聚焦技術(shù)；3)掃描技術(shù)：激光測(cè)振儀器大多數(shù)發(fā)出一束激光，只能測(cè)得一點(diǎn)的振動(dòng)，掃描技術(shù)的出現(xiàn)，將會(huì)使得激光測(cè)振儀器能夠?qū)崿F(xiàn)從點(diǎn)到線到面，甚至到體的測(cè)振；4)維度數(shù)量：目前，激光測(cè)振儀大多數(shù)是單維測(cè)振方式，市場(chǎng)上三維測(cè)振方式較少，市場(chǎng)決定方向，因此，三維測(cè)振是大勢(shì)所趨[8-9]。

[1]Dudzik Grzegorz，Adam Tomasz Waz，Pawel Kaczmarek，et al.Multichannel Laser-Fiber Vibrometer[C]//Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2013，8703：322-324.

[2]Dudzik Grzegorz，Waz Adam Tomasz，Kaczmarek Pawel R，et al.Demodulator Electronics for Laser Vibrometry[C]//10th International Conference on Vibration Measurements by Laser and Noncontact Techniques–Aivela，Ancona，Italy，June 27-29，2012，1457(1)：35-40.

[3]Gates Richard S，Jon R Pratt.Accurate and Precise Calibration of AFM Cantilever Spring Constants Using Laser Doppler Vibrometry[J].Nanotechnology(S1361-6528)，2012，23(37)：375702.

[4]Hof C，Zwahlen G.On the Measurement of the Mechanical Impedance of Artificial Mastoids[J].Measurement Science&Technology(S0957-0233)，2012，23(12)：5-7.

[5]Holzer Markus，F(xiàn)riedemann Mohr.Aspects of Signal Processing in Laser Vibrometry and Their Embedded-Realisation on Fpga with Ni-Labview[C]//17th International Conference Radioelektronika，Brno，April 24-25，2007，31(2)：1-5.

[6]Kissinger Thomas，Thomas O H Charrett，Ralph P Tatam.Range-Resolved Interferometric Signal Processing Using Sinusoidal Optical Frequency Modulation[J].Optics Express(S1094-4087)，2015，23(7)：15-31.

[7]全燕鳴，黎淑梅，麥青群.基于雙目視覺的工件尺寸在機(jī)三維測(cè)量[J].光學(xué) 精密工程，2013，21(4)：1054-1061. QUAN Yanming，LI Shumei，MAI Qingqun.The workpiece size three-dimensional measuring based on binocular vision[J]. Optics and Precision Engineering，2013，21(4)：1054-1061.

[8]王向軍，葉崗，葉聲華，等.利用激光實(shí)時(shí)檢測(cè)大量規(guī)則圖形尺寸的平均值[J].激光雜志，1986，7(4)：199-203. WANG Xiangjun，YE Gang，YE Shenghua，et al.The average value of the rules by laser real-time detection feature sizes[J]. Laser magazine，1986，7(4)：199-203.

[9]宋云峰.磁頭飛行姿態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1991(12)：41-65. SONG Yunfeng.The research of magnetic head attitude Measurement System[J].Systems Engineering and Electronics，1991(12)：41-65.

3D Laser Doppler Motion Measurement Technology

ZHANG Shenfeng1，LI Luke2，CHEN Shizhao1，SONG Yunfeng1，WENG Jiuxing1
(1.Ningbo Sunny Intelligent Technology Co,.Ltd,Yuyao315400,Zheijiang,China;2.Zhengzhou University of Science and Technology,Zhengzhou450064,China)

We propose a new kind of 3D laser Doppler motion measurement technology.The technology is based on the Doppler,He-Ne laser makes polarized light,through the carrier modulation and demodulation signal,gets the vibration information of the object,and through the vibration unit,automatic focusing system,3D information algorithm of five beam signal and synchronous data acquisition subsystem,finally realizes the non-contact,across scales,high precision 3D measurement.The technology overcomes weaknesses of the traditional non-contact sensor narrow band range,low vibration precision,not suitable for testing of lightweight,soft defect of the object,and can realize the 3D vibration measurement of the narrow space,electromagnetic interference,micro vibration,impact.

Doppler;3D Laser;vibration measurement;non-contacting sensor

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.11.006

1003-501X(2016)11-0033-05

2015-12-24；

2016-06-20

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ470765)資助課題

張深逢(1988-)，男(漢族)，浙江余姚人。工程師，碩士，研究方向：激光測(cè)振，振動(dòng)算法。E-mail：changgongzsf@163.com。