浙大寧波理工學(xué)院 朱磊磊

寧波財經(jīng)學(xué)院 上海大學(xué) 馬 勰

浙大寧波理工學(xué)院 馬修水 于凱東

余姚舜宇智能光學(xué)技術(shù)有限公司 宋云峰

激光測振儀具有非接觸測量，時間與空間分辨率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)（MEMS）、機床、汽車等行業(yè)振動測量。本文綜述了三維激光多普勒測振儀國內(nèi)外研究成果及應(yīng)用，簡要分析其存在的問題及發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的振動測量大多是接觸式測量，其缺點是有附加質(zhì)量以及質(zhì)量載荷引起的誤差，特別是對于輕型或者小型結(jié)構(gòu)的測試對象，可能會改變輕和柔性材料結(jié)構(gòu)的固有頻率，此外，有些材料對電磁干擾靈敏，也對振動測量產(chǎn)生影響，對于測量大面積物體時，需要放置較多的測振儀。非接觸式測量以單點式振動測量儀為主，隨著校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，三維激光多普勒測振儀應(yīng)用越來越廣泛，由于其測量準(zhǔn)確性、自動化程度越來越高，能夠配合工業(yè)機器人進行自動化測試，與單點測振儀在三個位置測量相比，使用三維測振儀測量具有整體的測量結(jié)構(gòu)，信號處理更加方便。

本文綜述了三維激光多普勒測振儀的原理與發(fā)展，重點介紹國內(nèi)外具有代表性企業(yè)的產(chǎn)品，對其發(fā)展趨勢進行展望。

1 原理

三維激光多普勒測振儀測振原理如圖1所示，主要包括三組正交分布的單點式測振單元、控制箱以及信號處理部分。常用的激光是波長為632.8nm的He-Ne激光，測振單元發(fā)出的激光光束經(jīng)過透鏡聚焦于某一物點，測振單元內(nèi)部有高精度的干涉儀，被測物體表面點上的散射光束回到測振單元形成干涉，通過控制器解調(diào)出各個測振單元相應(yīng)的光束投影分量，再將投影分量數(shù)據(jù)進行三維變換分解，將分解后的數(shù)據(jù)通過空間矢量算法將物點三分量多普勒頻移信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的三分量物體振動速度與位移信息，最后得到被測點的三維振動信息。

圖1 三維激光多普勒測振儀測振原理

2 研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 Polytec公司產(chǎn)品

德國Polytec公司利用激光多普勒干涉技術(shù)測量振動，其三維測振儀主要由光學(xué)部分（掃描頭），電子部分（前端）和控制部分（數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）構(gòu)成。掃描頭內(nèi)部包含高精度干涉儀、一對將激光束偏轉(zhuǎn)到需要測試位置高速搖擺鏡和用于可視化測量的高清彩色攝像機。代表性產(chǎn)品有PSV-500-3D三維掃描式激光測振儀和MSA-100-3D顯微式測振儀。

PSV-500-3D-M是Polytec公司推出的全球第一款全數(shù)字式全場三維掃描激光測振儀，適用于高頻振動測量，擁有完整的全場振動測量系統(tǒng)，具有模塊化的特點。該產(chǎn)品優(yōu)化了相干技術(shù)，使設(shè)備在測量范圍內(nèi)頻率呈高穩(wěn)定性，解決了三束光的串?dāng)_問題。該產(chǎn)品主要特點有：（1）交互式設(shè)置可以通過導(dǎo)入文件來獲取被測物體的形貌數(shù)據(jù)，能直接在視頻圖像中定義需要的內(nèi)容；（2）在快速掃描的過程中保持最佳聚焦?fàn)顟B(tài)，并且保持最佳信噪比；（3）可輸出需要的內(nèi)容圖片、圖形和動畫；（4）信號處理器可以對測試結(jié)果進行大量的統(tǒng)計計算；（5）采用高精度掃描頭和激光三角法進行精確定位，掃描角度達到50°×40°。圖2為三維掃描激光多普勒測振儀。

圖2 三維掃描激光多普勒測振儀

為了進行小面積的測量，Polytec公司研發(fā)了MSA-100-3D顯微式激光多普勒測振儀，可以進行微機電傳感器和執(zhí)行器的振動測量，激光光斑小于4μm，測試距離大，可達38mm，能與常規(guī)的MEMS商用探針測試臺兼容。

2.2 舜宇集團有限公司產(chǎn)品

舜宇集團光學(xué)科技公司2018年生產(chǎn)了國內(nèi)首臺跨尺度三維光電振動測量儀3DLVS-B，可同時測量X、Y、Z三個方向的振動，配置專用軟件，可實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)同步輸出，實現(xiàn)超寬頻帶振動測量，可以選擇適當(dāng)?shù)牧砍毯皖l率范圍來達到用戶的要求。

三維光纖測振儀3DLVS-F是3DLVS-B的升級版，與3DLVS-B相比，體積更加的小巧，模塊化設(shè)計使得測振儀便于拆裝。在控制箱中有高精密的紅外激光干涉儀，可結(jié)合掃描功能進行三維掃描測量。

表1 三維激光多普勒測振儀的技術(shù)參數(shù)對比表

公司研發(fā)的三維掃描式激光測振儀LV-SC300-3D，含高精密激光干涉儀，360倍（30倍光學(xué)變焦，12倍數(shù)字變焦）彩色高清攝像頭，掃描點數(shù)可高達512×512。

表1為德國polytec公司和舜宇集團有限公司生產(chǎn)的三維激光多普勒測振儀的技術(shù)參數(shù)對比。由表1可見，在相同頻率范圍內(nèi)，國內(nèi)測量速度指標(biāo)與國外還有較大差距。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

利用三維激光測振儀對整車制動器在特定的情況下的振型進行監(jiān)測。其中，三維激光多普勒測振儀捕捉采集噪音的振型，利用有限元模型進行分析，最后得到降低制動器噪音的解決方法。

利用三維掃描激光測振儀測量風(fēng)機葉片的三維位移，以此來計算風(fēng)機葉片的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分布，優(yōu)化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高動載荷作用下構(gòu)件的耐久性，再利用有限元模型進行數(shù)值模擬，與實際測量數(shù)據(jù)比較驗證，實現(xiàn)在低頻和高頻下精確測量法向應(yīng)變和剪切應(yīng)變。

利用三維激光多普勒測振儀組成的系統(tǒng)測量人顱骨的三維表面，在表面設(shè)置了200個點的振動頻率響應(yīng)。研究得到在各種刺激模式下，不同的頻率對于顱骨的不同位置產(chǎn)生的影響是不同的，低頻的顱骨運動取決于刺激部位。

3 存在問題與發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

激光多普勒測振儀在應(yīng)用方面存在以下問題：

（1）用戶交互改善。有些設(shè)備含有大量的用戶交互，需要手動進行儀器定位等，耗時長，且導(dǎo)致同一物體測量數(shù)據(jù)的不確定性，需要自動校準(zhǔn)程序和建立3D模型，配合攝像機實時與樣本進行比對，實現(xiàn)設(shè)備測量與模型自動映射。

（2）基于表面效應(yīng)的聚焦方法改進。目前激光多普勒測振儀大多具備高靈敏度的光學(xué)頭，能夠適應(yīng)部分惡劣環(huán)境，但對于一些低反射率的物體，反射光可能會消失或不足以到達接收鏡頭，需要涂反射材料提高反射性能。

（3）測量精度有待提高。多普勒頻移可能會影響測量精度，接收器接收到的多普勒信號存在信號增寬，也就是多普勒頻譜增寬等問題，其原因可能是測量儀器離被測對象太遠，測量時間太長，以至于攜帶振動信息反射光有時間差；此外由于參考光的存在，導(dǎo)致探測器孔徑增大，會影響測量精度。

（4）誤差溯源及修正技術(shù)需加強。測量點并不能一直都精確地滿足要求，激光束不是完全正交，由此引入的誤差，過程的非平穩(wěn)性帶來的誤差以及被測對象位置的不確定性引起的誤差，大部分與位置相關(guān)，此外還有安裝誤差，需研究誤差溯源、建模及修正技術(shù)。

（5）三維姿態(tài)成像定位優(yōu)化。三維激光多普勒測振儀與掃描式激光測振儀兩者應(yīng)用場景有很多類似，因此有成像定位的需求，現(xiàn)階段國內(nèi)外的激光測振儀的發(fā)展已有成像，但是成像的像素不是很高，定位還需要優(yōu)化，有待進一步的研究。

3.2 發(fā)展趨勢

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)激光多普勒測振的研發(fā)已經(jīng)有較大的發(fā)展，但是與國外的先進水平相比還有一定的差距，其技術(shù)發(fā)展趨勢如下。

（1）優(yōu)化功能設(shè)置。不同的用戶需要的數(shù)據(jù)結(jié)果各不相同，輸出的結(jié)果以用戶需求為導(dǎo)向是發(fā)展的方向，現(xiàn)在國外儀器已能輸出圖片、動畫等，國內(nèi)的情況相對比較單調(diào)，需要豐富用戶優(yōu)化交互設(shè)置。

（2）提高環(huán)境適應(yīng)能力。目前設(shè)備適應(yīng)環(huán)境的溫度在3℃到45℃之間，更惡劣的環(huán)境下無法測量。因此改善設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力是激光測振儀未來研發(fā)的方向。

（3）噪聲與數(shù)據(jù)處理。噪聲是真實信息以外測量所得的值，如熱噪聲，散粒噪聲等，由于光量子性的特點，相同的測量時間內(nèi)進入探測器的光子數(shù)有差異，形成散粒噪聲，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換時，量子起伏也會形成散粒噪聲；此外，還有低頻噪聲等。降低噪聲是提高測量精度的關(guān)鍵。

（4）儀器移動穩(wěn)定性。因為儀器位置會影響測量的穩(wěn)定性，所以固定儀器以及靈活移動儀器時，測量穩(wěn)定性成為一個特別重要的因素。現(xiàn)在雖然已經(jīng)有便攜式激光多普勒測振儀，但是測量精度不高。在測量大尺寸的物件時，儀器的移動不可避免，因此，研究儀器移動的穩(wěn)定性是熱點和難點問題。

總結(jié)：三維激光多普勒測振儀是一種適合多種場合振動測量的儀器，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、車輛安全、軍工產(chǎn)品檢測等方面發(fā)揮重要作用。本文綜述了三維激光多普勒測振儀產(chǎn)品研發(fā)以及應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。目前，我國的三維激光多普勒測振儀的發(fā)展與國外差距正在縮小，相關(guān)研究還需要進一步突破優(yōu)化功能設(shè)置、提高測量速度、提高測量精度及定位精度等關(guān)鍵技術(shù)，推動三維激光多普勒測振儀向儀器整體化、模塊化、多樣化方向發(fā)展。