LDV激光測(cè)振與3D視覺(jué)傳感技術(shù)融合的實(shí)踐與展望

嚴(yán)建偉

應(yīng)用 Application

LDV激光測(cè)振與3D視覺(jué)傳感技術(shù)融合的實(shí)踐與展望

嚴(yán)建偉

（浙江舜宇智能光學(xué)技術(shù)有限公司，浙江省杭州市 310000）

隨著LDV激光測(cè)振技術(shù)與3D視覺(jué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，兩項(xiàng)應(yīng)用性技術(shù)的有效結(jié)合及融合發(fā)展的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。同時(shí)衍生出應(yīng)用于不同領(lǐng)域、具有各種特殊功能性的科技產(chǎn)品。著重介紹相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)踐過(guò)程和產(chǎn)品展望。

3D視覺(jué)；激光測(cè)振

1 引言

隨著智能化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，3D視覺(jué)技術(shù)與LDV測(cè)振技術(shù)融合的產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)、醫(yī)和物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)，并呈落地之勢(shì)。本文以應(yīng)用實(shí)例，全面論述了融合技術(shù)的產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程和未來(lái)產(chǎn)品趨向。

2 振動(dòng)概述

2.1 振動(dòng)起源

在大自然、人們?nèi)粘Ｉ钪校駝?dòng)是常見(jiàn)的一種自然現(xiàn)象。古代，智慧的勞動(dòng)人民就已發(fā)現(xiàn)采用振動(dòng)的方式可以清理掉衣物表面上的塵埃。17世紀(jì)初，伽利略開(kāi)始了研究單擺周期和物體振動(dòng)；17世紀(jì)中葉，荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)從系統(tǒng)理論上對(duì)振動(dòng)展開(kāi)了深入研究。

2.2 振動(dòng)分類

振動(dòng)可分為宏觀振動(dòng)和微觀振動(dòng)。在大規(guī)模機(jī)械加工過(guò)程中，不良振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工件表面光潔度不合格，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在加工過(guò)程中，過(guò)度的不良振動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)床壽命、刀具的磨損度產(chǎn)生直接影響。交通運(yùn)輸上，航空飛行器上出現(xiàn)的機(jī)翼猛烈振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡事故。建筑工程上出現(xiàn)的失控振動(dòng)，將導(dǎo)致建筑物墻體開(kāi)裂及整體倒塌。

2.3 振動(dòng)的基本參數(shù)及相關(guān)公式

可用于正弦或余弦函數(shù)描述的振動(dòng)過(guò)程稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，振動(dòng)的參數(shù)有位移、速度和加速度。

振動(dòng)位移

振動(dòng)速度

振動(dòng)加速度

式中，為振動(dòng)的最大值，稱為振幅；為園頻率。

振動(dòng)三要素為振幅、頻率和相位角。

2.4 振動(dòng)檢測(cè)分類

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及人們?nèi)粘Ｉ钪校駝?dòng)的安全檢測(cè)控制甚為重要。目前常用振動(dòng)檢測(cè)方式分為非接觸式振動(dòng)測(cè)量與接觸式振動(dòng)測(cè)量?jī)煞N形式。非接觸式振動(dòng)測(cè)量是在不與被測(cè)物體接觸的工作狀態(tài)下，完成相關(guān)測(cè)量工作；接觸式測(cè)量是將測(cè)試傳感器直接安裝在被測(cè)物體表面，會(huì)對(duì)原振動(dòng)的參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，產(chǎn)生測(cè)量誤差值。在現(xiàn)代高、精、尖科技的制造加工領(lǐng)域，非接觸式的激光測(cè)量方式由于其擁有獨(dú)特的可靈活安裝放置、高精密度測(cè)量和高效工作模態(tài)等特點(diǎn)，被廣泛采用。

2.5 激光測(cè)振技術(shù)

激光多普勒測(cè)振技術(shù)采用非接觸式測(cè)量方式，利用激光多普勒頻移效應(yīng)產(chǎn)生頻差的原理，結(jié)合激光干涉技術(shù)提取各種物體的振動(dòng)速度、位移和加速度等信息。激光多普勒測(cè)振儀（Laser Doppler Vibrometer，LDV）是以激光為光源，利用了光的散射、反射等特性，對(duì)物體振動(dòng)信息進(jìn)行測(cè)量的儀器。基本原理是激光通過(guò)分光棱鏡將光束分為兩路，一路為測(cè)量光，另一路為參考光，測(cè)量光用于測(cè)量被測(cè)物體。由于物體表面反射光將與參考光進(jìn)行拍頻，通過(guò)光電二極管對(duì)拍頻信號(hào)進(jìn)行處理，提取物體的振動(dòng)信息。激光測(cè)振技術(shù)能有效保障在生產(chǎn)加工過(guò)程中產(chǎn)品的加工質(zhì)量，實(shí)時(shí)檢測(cè)加工零部件的在線振動(dòng)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)加工過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，反饋相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。光學(xué)外差式測(cè)量如圖1所示。

圖1 光學(xué)外差式測(cè)量

3 LDV激光測(cè)振與3D視覺(jué)傳感融合應(yīng)用

3.1 LDV激光測(cè)振儀分類及應(yīng)用

1）單點(diǎn)激光測(cè)振儀分為法向和切向兩種。切向測(cè)量廣泛應(yīng)用于磁帶驅(qū)動(dòng)、超聲刀和手術(shù)刀等多種行業(yè)。法向測(cè)量具有自動(dòng)聚焦、遠(yuǎn)程聚焦和聚焦存儲(chǔ)等功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造和科研院校，是激光測(cè)振儀的基礎(chǔ)，其原理如圖2所示。

2）高速激光測(cè)振儀是在基礎(chǔ)單點(diǎn)激光測(cè)振儀上開(kāi)發(fā)的新功能、新特性，廣泛應(yīng)用于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥、高功率傳感器和航空航天組建等高速測(cè)量行業(yè)。

圖2 激光測(cè)振儀原理圖

3）便攜式激光測(cè)振儀適用于靈活、耐用性要求較高的行業(yè)。

4）光纖式激光測(cè)振儀適用于空間受限的測(cè)量，實(shí)時(shí)獲取振動(dòng)數(shù)據(jù)。

5）遠(yuǎn)距離激光測(cè)振儀用于測(cè)量超遠(yuǎn)距離物體振動(dòng)，有超強(qiáng)的光學(xué)靈敏度，可進(jìn)行建筑物形變監(jiān)測(cè)、微振動(dòng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

6）顯微式激光測(cè)振儀用于對(duì)微小物體的振動(dòng)測(cè)量，通過(guò)顯微成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察物體的振動(dòng)狀態(tài)。

7）三維式激光測(cè)振儀可以同時(shí)測(cè)量物體、、三個(gè)方向的振動(dòng)，適用于測(cè)量大型設(shè)備的三維振動(dòng)特性。

8）三維掃描激光測(cè)振儀可實(shí)現(xiàn)二維、三維動(dòng)畫(huà)顯示及數(shù)據(jù)分析，適用于大型結(jié)構(gòu)、高溫和柔軟物體等接觸式測(cè)量無(wú)法滿足的振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域。

9）全場(chǎng)三維掃描激光測(cè)振儀可實(shí)現(xiàn)高速跟蹤旋轉(zhuǎn)物體，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、汽車輪胎等ODS工作狀態(tài)的三維模態(tài)振動(dòng)測(cè)試。

3.2 LDV激光測(cè)振儀與3D視覺(jué)傳感融合應(yīng)用

3.2.1 掃描式激光測(cè)振儀

掃描式激光測(cè)振儀是在單點(diǎn)激光測(cè)振儀前加裝兩個(gè)掃描鏡，利用本機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)掃描鏡的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制，有效調(diào)整掃描鏡偏轉(zhuǎn)角，完成在、方向上的掃描測(cè)振。全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀采用非接觸式測(cè)量、可視化測(cè)量分析，可靈活選擇、設(shè)置測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量區(qū)域，快速完成對(duì)物體表面的掃描工作，適用于高溫、柔軟件和大型結(jié)構(gòu)件等工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用。3D視覺(jué)攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，軟件分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二維、三維動(dòng)畫(huà)顯示及數(shù)據(jù)分析等，如圖3所示。

圖3 二維、三維振型圖

3.2.2 融合應(yīng)用于智能制造及電力場(chǎng)景

激光測(cè)振與3D視覺(jué)傳感融合已廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械與新材料、智能制造、航天航空、汽車制造、電力、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)療和5G物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)，激光測(cè)振與各類視覺(jué)傳感器的有效結(jié)合組成有特定功能的智能機(jī)器人，如圖4所示。

圖4 激光測(cè)振與各類視覺(jué)傳感器的組合

在智能制造加工業(yè)，應(yīng)用于各類精密數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中對(duì)數(shù)控機(jī)床刀具磨損控制，如圖5、圖6所示。

圖5 機(jī)床刀具磨控制

圖6 數(shù)控機(jī)床振動(dòng)測(cè)試

激光測(cè)振與各類視覺(jué)傳感器組合成的各類型智能機(jī)器人用于電力行業(yè)的智能化巡檢，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。及時(shí)識(shí)別設(shè)備的異常狀態(tài)，避免發(fā)生重大機(jī)械故障，產(chǎn)生高額成本的停機(jī)，如圖7所示。

在汽車工業(yè)領(lǐng)域，用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、制動(dòng)系統(tǒng)、車身部件、進(jìn)排氣系統(tǒng)、萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)、輪胎、電動(dòng)機(jī)和車門等振動(dòng)測(cè)試或模態(tài)測(cè)試分析，如圖8所示。

圖7 智能機(jī)器人巡場(chǎng)

圖8 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸油管振動(dòng)測(cè)試

在航空航天領(lǐng)域，用于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作變形分析、激光陀螺動(dòng)態(tài)特性測(cè)試、輕質(zhì)大柔度空間索網(wǎng)天線的模態(tài)測(cè)試、高速飛行器翼面、舵面、垂尾、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等結(jié)構(gòu)的熱模態(tài)試驗(yàn)等，如圖9所示。

圖9 渦輪葉片三維振動(dòng)分析及衛(wèi)星電池板模態(tài)分析

3.2.3 融合應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域

激光測(cè)振儀與視覺(jué)傳感融合可有效評(píng)估醫(yī)療器械的研發(fā)和質(zhì)量，如牙科或外科超聲設(shè)備和成像方法等。使用激光測(cè)振儀與視覺(jué)傳感融合進(jìn)行測(cè)量，提高醫(yī)療保健產(chǎn)品（吸入器、呼吸器和牙刷）的效率和安全性，成為研發(fā)、檢查、校準(zhǔn)和認(rèn)證中耳植入物和植入式助聽(tīng)器的必備工具。掃描式激光測(cè)振儀能快速、準(zhǔn)確測(cè)定超聲波致動(dòng)器能量的分布情況，是用于驗(yàn)證有創(chuàng)性和診斷性醫(yī)學(xué)超聲儀器的FEM模型的高效工具，如圖10所示。

圖10 生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2.4 融合應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)與健康診斷平臺(tái)領(lǐng)域

激光測(cè)振儀與視覺(jué)傳感融合應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)光電感知與健康診斷平臺(tái)，結(jié)合其他聲音、振動(dòng)、溫度和應(yīng)變等多種感知技術(shù)，在5G物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上采集海量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行人工智能分析。從而對(duì)設(shè)備狀態(tài)實(shí)現(xiàn)健康診斷，進(jìn)一步提出改善方案，構(gòu)建5G物聯(lián)網(wǎng)光電感知與健康診斷平臺(tái)系統(tǒng)，如圖11所示。

3.2.5 融合應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品行業(yè)

激光測(cè)振儀與視覺(jué)傳感融合可用于日常生活中的農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)，如：雞蛋品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)，蘋果、梨、柑橘和獼猴桃的堅(jiān)實(shí)度檢測(cè)，柿子、獼猴桃和甜瓜的成熟度檢測(cè)，梨等果實(shí)彈性特性的檢測(cè)以及盒裝牛奶無(wú)損檢測(cè)等。

圖11 5G物聯(lián)網(wǎng)與健康診斷平臺(tái)系統(tǒng)

4 未來(lái)與發(fā)展

對(duì)于未來(lái)在工業(yè)化領(lǐng)域的應(yīng)用，激光測(cè)振儀與視覺(jué)傳感融合產(chǎn)品向集成化、微型化、智能化和多樣化，適用于不同特殊場(chǎng)景應(yīng)用方向發(fā)展。不斷開(kāi)展與各種先進(jìn)測(cè)量技術(shù)有效結(jié)合，如與遙感技術(shù)結(jié)合進(jìn)行水下聲信號(hào)探測(cè)，完成海洋資源勘探，海洋參數(shù)探測(cè)；通過(guò)在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深入研究，在生物體、器官、組織、細(xì)胞和神經(jīng)上獲取不同層面的結(jié)構(gòu)、功能信息；開(kāi)展對(duì)人體心臟瓣膜的振動(dòng)研究，為提高完善仿生學(xué)人造器官提供有益幫助。在工業(yè)、智能機(jī)器人、新材料和電力系統(tǒng)等動(dòng)態(tài)力上的精準(zhǔn)測(cè)量，為行業(yè)檢測(cè)水平提高提供有效保障，在科研領(lǐng)域?yàn)槁晫W(xué)方面的深入研究提供必備的高精度測(cè)量檢測(cè)手段和有效測(cè)量途徑。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將3D視覺(jué)技術(shù)與LDV測(cè)振技術(shù)有效結(jié)合，已衍生出系列產(chǎn)品可助推于工、農(nóng)、醫(yī)和物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著新技術(shù)革命、“工業(yè)4.0”的發(fā)展需求，系列產(chǎn)品的集成化、智能化和微型化將是該項(xiàng)融合技術(shù)今后研發(fā)、制造的重點(diǎn)和發(fā)展方向。相關(guān)科研、制造單位需投入更多的人力、物力進(jìn)行深入研究、試制，以取得長(zhǎng)足的發(fā)展。