宋耀東，楊興，劉志方，劉紅魏，宋云峰

（寧波舜宇智能科技有限公司，浙江寧波 315400）

0 引言

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是航空、航天、機械制造等技術(shù)的發(fā)展，需要對振動進行高精度測量，如對航空發(fā)動機葉片振動測量、火炮發(fā)射炮管振動測量、微機電系統(tǒng)振動測量等。傳統(tǒng)的振動測量采用接觸式，但傳感器本身的負載會對振動測量的結(jié)果產(chǎn)生影響。20世紀60年代發(fā)展起來的激光多普勒技術(shù)非接觸振動測量大大豐富和先進了測量手段。

LDV是利用激光多普勒效應(yīng)和外差干涉原理[1-3]進行的精密振動測量技術(shù)，具有精度高、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大、非接觸性測量、抗電磁干擾、對橫向振動干擾不敏感等優(yōu)點，因此本文選取激光多普勒方法進行振動檢測。

單點的LDV只能測量沿著激光出射方向的振動，掃描LDV可測量一定區(qū)域面內(nèi)的振動。而在實際工業(yè)環(huán)境中，往往需要獲取某個被測物一定區(qū)域三維振動的信息，為后期的模態(tài)分析提供數(shù)據(jù)準備。因此，三維掃描LDV顯得很有必要。

1 三維掃描基本原理

本三維掃描系統(tǒng)由3臺單點LDV、3套振鏡、2套視頻采集系統(tǒng)及信號解調(diào)、數(shù)據(jù)采集等組成，3臺單點LDV布置在空間中的3個位置，在3臺單點LDV前方各布置1套振鏡，用于實現(xiàn)激光的偏轉(zhuǎn)，視頻采集系統(tǒng)用于控制3臺單點LDV的定點同時測量以及空間相對位置關(guān)系的計算。

3臺LDV分別從各自振鏡出射與世界坐標系x、y、z的夾角分別為αkj、βkj、γkj,k=1,2,3.....;j=1,2,3。沿著激光出射方向，測得的速度為νkj，k=1,2,3.....;j=1,2,3;進而得到三維振動信息（νxk,νyk,νzk,k=1,2,3.....）。

圖1 三維測量原理圖

以下介紹測量某點的三維信息[4-6]。圖1為三維測量的原理圖，第k點處νk1、νk2、νk3通過算法處理得到空間矢量，分別用νxk、νyk、νzk表示，寫成如下形式:

該點的振動信息便可以在世界坐標系中用3個正交的分量表示。在上式中，νk1、νk2、νk3為單點LDV測量的值。

只要確定夾角便能計算出三分量，而夾角的測量可通過雙目立體視覺[9-15]重建三維技術(shù)得到，νk1、νk2、νk3為沿著激光出射方向測得的振動分量，αkj、βkj、γkj為νkj與xj,yj,zj的夾角，夾角可通過以下公式計算出：

圖2 角度計算原理圖

其中:Xk、Yk、Zk為第k個點在世界坐標系中的坐標；Xkj、Ykj、Zkj為激光從第j個LDV前端振鏡出射的激光坐標。Xk、Yk、Zk可通過雙目立體視覺得到，雙目立體視覺目前已是成熟技術(shù)，廣泛應(yīng)用在三維重建領(lǐng)域；Xkj、Ykj、Zkj可通過反饋的振鏡偏轉(zhuǎn)角度計算得出。

2 三維掃描工作步驟

1）儀器啟動初始化時，各振鏡自鎖，偏轉(zhuǎn)角度為0°，激光平行出射；2）通過視頻采集系統(tǒng)，在視頻顯示區(qū)域會出現(xiàn)3個激光光點，對應(yīng)3臺單點LDV，標記激光光點，并計算到目標位置的相對坐標，換算成對應(yīng)振鏡旋轉(zhuǎn)的角度，使3個光點重合（如圖3,中間白的圈為目標位置，不同灰度的圓點為激光平行出射的光點）；3）繪制掃描網(wǎng)格，在目標位置上劃分網(wǎng)格，確定掃描點數(shù)和掃描方式；4）振鏡根據(jù)確定的掃描點數(shù)和掃描方式來偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度；5）每掃描一個點，圖像會檢測光點是否重合，有無聚焦到最佳位置，如達到閾值，則進入下一個點，如未達到，振鏡及聚焦馬達會做進一步微調(diào)，直到達到閾值范圍之內(nèi)；6）檢測完成后，進行信號采集，輸入后端電路解調(diào)，得到振動信息。

圖3 激光光點控制示意圖

3 實驗過程及結(jié)果

在振動臺前振動體上固定一方形塑料板，規(guī)定方形板的法向方向為Z軸方向，X、Y方向平行于板所在平面，振動臺的振動方向與X、Y、Z軸均有夾角，方形塑料板大小為80 mm×80 mm×1 mm,在板上標記矩陣3×3，間距為30 mm的9個點，開啟振動臺，設(shè)定不同的頻率及速度幅值，使其進行振動。分別用三維掃描LDV和3個正交方向上的單點LDV測量板上9個點的三維振動，記錄4組數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

從測量數(shù)據(jù)看出，測量的9個點中，處于邊緣處的第1、3、7、9點振動幅值最大，處于中間的第5個點振動幅值最小，符合物理規(guī)律；另外，從三維掃描LDV測量的數(shù)據(jù)與3個正交方向測量的數(shù)據(jù)比較，相對測量誤差均小于3%，且此處的誤差主要源于兩種測量方式不對正，角度引起的誤差。從數(shù)據(jù)上看，儀器無論在功能還是性能上均實現(xiàn)了三維精密測振的要求。

表1 頻率80 Hz、速度幅值50 mm/s測量結(jié)果

表2 頻率80 Hz、速度幅值10 mm/s測量結(jié)果

表3 頻率160 Hz、速度幅值50 mm/s測量結(jié)果

表4 頻率160 Hz、速度幅值 10 mm/s測量結(jié)果

圖4 兩種方式測量的相對誤差

圖5 振動臺測量點標記

圖6 三維掃描激光測振光學(xué)頭

圖7 三維掃描測振試驗系統(tǒng)

4 結(jié)論

在研究三維振動分析及掃描激光測振儀的基礎(chǔ)上，完成了三維測振與掃描技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了三維掃描測振。本文只在理論及實驗上論證了可行性，后期還需在測量精度上著力提升儀器性能，主要從電路處理、算法優(yōu)化、雙目角度測量方面著力加強。

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