基于激光多普勒技術的三維掃描測振研究

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

隨著現代工程技術的飛速發展，特別是航空、航天、機械制造等技術的發展，需要對振動進行高精度測量，如對航空發動機葉片振動測量、火炮發射炮管振動測量、微機電系統振動測量等。傳統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果產生影響。20世紀60年代發展起來的激光多普勒技術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和外差干涉原理[1-3]進行的精密振動測量技術，具有精度高、動態響應快、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可測量一定區域面內的振動。而在實際工業環境中，往往需要獲取某個被測物一定區域三維振動的信息，為后期的模態分析提供數據準備。因此，三維掃描LDV顯得很有必要。

1 三維掃描基本原理

本三維掃描系統由3臺單點LDV、3套振鏡、2套視頻采集系統及信號解調、數據采集等組成，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，用于實現激光的偏轉，視頻采集系統用于控制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，廣泛應用在三維重建領域；Xkj、Ykj、Zkj可通過反饋的振鏡偏轉角度計算得出。

2 三維掃描工作步驟

1）儀器啟動初始化時，各振鏡自鎖，偏轉角度為0°，激光平行出射；2）通過視頻采集系統，在視頻顯示區域會出現3個激光光點，對應3臺單點LDV，標記激光光點，并計算到目標位置的相對坐標，換算成對應振鏡旋轉的角度，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）繪制掃描網格，在目標位置上劃分網格，確定掃描點數和掃描方式；4）振鏡根據確定的掃描點數和掃描方式來偏轉相應的角度；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，直到達到閾值范圍之內；6）檢測完成后，進行信號采集，輸入后端電路解調，得到振動信息。

圖3 激光光點控制示意圖

3 實驗過程及結果

在振動臺前振動體上固定一方形塑料板，規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組數據如表1～表4所示。

從測量數據看出，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，符合物理規律；另外，從三維掃描LDV測量的數據與3個正交方向測量的數據比較，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。從數據上看，儀器無論在功能還是性能上均實現了三維精密測振的要求。

表1 頻率80 Hz、速度幅值50 mm/s測量結果

表2 頻率80 Hz、速度幅值10 mm/s測量結果

表3 頻率160 Hz、速度幅值50 mm/s測量結果

表4 頻率160 Hz、速度幅值 10 mm/s測量結果

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頭

圖7 三維掃描測振試驗系統

4 結論

在研究三維振動分析及掃描激光測振儀的基礎上，完成了三維測振與掃描技術的結合，實現了三維掃描測振。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、算法優化、雙目角度測量方面著力加強。

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