多普勒三維激光運(yùn)動姿態(tài)測量技術(shù)

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)動姿態(tài)測量技術(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)動姿態(tài)測量技術(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)制和信號解調(diào)，獲取被測物體的振動信息，并通過測振單元的并聯(lián)、自動聚焦系統(tǒng)、五路信號獲取三維信息、同步數(shù)據(jù)采集等子系統(tǒng)的混聯(lián)，最終實現(xiàn)非接觸式、跨尺度、高精度的三維測量。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)接觸式傳感器頻帶范圍窄、測振精度低、不適合測試輕質(zhì)、軟質(zhì)物體的缺陷，可實現(xiàn)在狹小空間、電磁干擾、微振動、沖擊振動、高溫環(huán)境下三維振動測量。

多普勒；三維激光；振動測量；非接觸式傳感器

0 引言

激光測控儀器市場現(xiàn)處于快速增長期，容量超200億元，年復(fù)合增長率近30%，行業(yè)平均利潤率達(dá)40%，其中激光測振儀長期被德國Ploytec、日本基恩士、日本小野測器、日本理音、德國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PCB、美國Bently、瑞士KISTLER、美國ENDEVCO等企業(yè)壟斷，因此，為突破國外壟斷，國產(chǎn)激光測振儀器必須要大力開展研究工作。作為振動測量的度量衡，激光測振具有廣闊的成長空間；振動測量技術(shù)發(fā)展水平是衡量國家重大機(jī)電產(chǎn)品設(shè)備質(zhì)量、可靠性水平的重要標(biāo)志。

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

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

1 測振原理

新型三維激光運(yùn)動姿態(tài)測量原理：五個激光測振單元由He-Ne激光器發(fā)出偏振光，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)，聚焦于被測對象上一點，散射光束返回到激光測振模塊形成干涉，激光測振模塊內(nèi)部設(shè)置的探測器探測干涉信號，解調(diào)出被測對象沿激光測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，得出振動物體的三維振動信息。其中單個測振單元的測振原理圖如圖1所示[1-3]。

圖1 測振單元測振原理Fig.1Principle of vibration unit vibration

測振單元主要由一臺高精度激光干涉儀和一臺信號處理器組成，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，一路作為測量，一路用于參考，測量光通過聲光調(diào)制器具有一定頻移F，再被聚焦到被測物體表面，物體振動引起頻移(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，干涉信號的頻率為F+f，攜帶了被測物體的振動信息，信號處理器將頻移信號轉(zhuǎn)換為速度和位移信號[4-5]。

2 三維算法設(shè)計

如圖2所示，沿光束聚焦系統(tǒng)的光軸方向定義為z軸，被測對象的激光照射點作為原點，并垂直于z軸建x-y坐標(biāo)系，激光測振模塊10布置于z軸，出射光束40的投影分量為v40，激光測振模塊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，則所述激光測振模塊10的出射光束沿z軸方向的振動分量為

校準(zhǔn)過程中，一般采用振動臺沿z軸方向，但實際校準(zhǔn)過程中，振動臺由于擺放誤差，很多情況下也會有沿x方向振動，兩組激光測振組件測量的投影分量為

由以上三式，可以實現(xiàn)光束41與光束42的角度校準(zhǔn)：

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

yz平面內(nèi)夾角自校準(zhǔn)和自檢測以及振動信息與xz平面內(nèi)的解決方案及過程相同，同是共用一個光束聚焦系統(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，將被測對象的激光照射點作為原點，并垂直于z軸建立x-y坐標(biāo)系，激光測振模塊10布置于z軸，岀射光束40的投影分量為v40，激光測振模塊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，則所述激光測振模塊10的出射光束沿z軸方向的振動分量為式(1)。

校準(zhǔn)過程中，一般采用振動臺沿z軸方向，但實際校準(zhǔn)過程中，振動臺由于擺放誤差，很多情況下也會有沿x或y方向振動，則兩組激光測振組件的投影分量為

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

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

由此，新型三維激光運(yùn)動姿態(tài)的測振原理如圖4所示，五組激光測振模塊40、41、42、43、44同步測試被測對象5，得到獨立的五組振動數(shù)據(jù)v40、v41、v42、v43和v44，經(jīng)過上述算法的計算，最終得到三維

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

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

圖4 三維激光運(yùn)動姿態(tài)測振原理圖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)動姿態(tài)技術(shù)突破及創(chuàng)新

1)激光束夾角自檢測與自校準(zhǔn)

在傳統(tǒng)激光測量技術(shù)中，三維激光測量物體振動，主要由三個單點激光測振儀發(fā)出三束激光，檢測被測物體在三個方向的振動，這種測量技術(shù)的缺陷是三個單點激光測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不出來，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)存在較大的精度誤差，且測得反應(yīng)物體運(yùn)動狀態(tài)的參數(shù)不是實時的，需要通過投影計算才能獲得某一時間點被測物體在三維方向的運(yùn)動參數(shù)[7-8]。

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

2)可實現(xiàn)多種選擇組合的三維激光振動測量

如圖4所示，三維激光運(yùn)動姿態(tài)測量關(guān)鍵部件共有5束激光組成測振系統(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，即可實現(xiàn)三維激光測振。滿足三維激光測振的組合形式有：(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8種組合方式可實現(xiàn)三維振動測量的功能，大大提高了儀器的使用率。

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

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

通過三個組件的正交分布得到沿y軸的振動分量vy，振動物體沿x軸的振動分量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計算得到，v40、v41、v42通過數(shù)據(jù)采集可以得出，則三維振動vx、vy和vz均可計算，因而便實現(xiàn)了成三角形排列的三束激光的三維測振，從而實現(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)功能實現(xiàn)。

4 展望與總結(jié)

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

目前，國外所查到的多維空間的光電振動測量通常多局限于靜態(tài)測量，如基于光學(xué)三角測量法原理，利用CCD攝像機(jī)、振鏡和激光線投射器對大型工件的快速測量。韓國Kim Jong-Ahn等人設(shè)計了全息反射型多自由度測量系統(tǒng)[4]。對于多維動態(tài)測量的報道有：德國PTB和日本NMIJ在其研制的三維振動校準(zhǔn)裝置中均采用三個單通道光電振動測量儀對三自由度振動進(jìn)行測量，但所用光電振動測量儀的類型、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振儀(SLDV)研究其電動工具的特性；Peeter S研究用3個CCD攝像機(jī)以及發(fā)光二極管測量飛機(jī)的模態(tài)，其特點是測量頻響下限可達(dá)零頻，且更容易安裝、不影響被測物體的運(yùn)動，可以直接測量剛體的6D運(yùn)動。

今后，激光測振儀器將會沿著以下幾個方向發(fā)展：1)體積小型化：激光測振儀因光學(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)自動化的普及，因此，激光測振儀器將會采用自聚焦技術(shù)；3)掃描技術(shù)：激光測振儀器大多數(shù)發(fā)出一束激光，只能測得一點的振動，掃描技術(shù)的出現(xiàn)，將會使得激光測振儀器能夠?qū)崿F(xiàn)從點到線到面，甚至到體的測振；4)維度數(shù)量：目前，激光測振儀大多數(shù)是單維測振方式，市場上三維測振方式較少，市場決定方向，因此，三維測振是大勢所趨[8-9]。

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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

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(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：激光測振，振動算法。E-mail：changgongzsf@163.com。