三維光電（diàn）振動（dòng）測量技術的校準方法研（yán）究
2017-1-18 來源：寧（níng）波舜宇智能科技有限公司 作者：錢向偉，王雷，張深逢，葉崗，宋雲峰
摘要（yào）：為了分析三維光電振動測量儀測量的三維數據準確性，提出了一種利用標準小球做相對校（xiào）準的簡便方（fāng）法。組成三維光電振動測量（liàng）儀的5台激光（guāng）測振儀發出（chū）的5束激光同時經過1個透鏡，聚焦在位於透鏡焦點處且安裝在振動源上的標準（zhǔn）小球球麵上，軟件處理小球振動（dòng）時的三維分量，並與小球3個正交方向（xiàng）放置的3台激光測振儀測（cè）得的數據對比。通過微調（diào）小球的擺放位置，測量小球（qiú）不同振動方（fāng）向的三維振動信息，最後對數據進行誤差分析（xī），測量結果驗（yàn）證了（le）該校準方法的可行性和適用性。
關鍵詞：三維光電振動測量；正交法（fǎ）測量；標（biāo）準小球；激光測振儀
0.引言
三維光電振動測量儀作為高端科學儀器，廣泛應用於衛星陀螺控製器的振動測量、航空發動（dòng）機的葉片振（zhèn）動測量、火炮發射（shè）時炮管的（de）振動測量（liàng）、微機電（diàn）係統振動測量等，屬於（yú）非接觸測量儀器。然（rán）而，長期以（yǐ）來我國的光電振動測量（liàng）儀幾乎完全依賴進口，部分（fèn）產品由於牽涉（shè）到國防和國家安全領域還無法進口，這一局麵極大地限製（zhì）了我國相關領域的（de）發展。為此，研製具有自主知識產權的（de）三維（wéi）光電（diàn）振動測量儀（yí）迫在眉睫。
由於三維測（cè）振技術發展得較晚，目前國內外對振（zhèn）動校準裝置的研究還局限於采用單分量（liàng）激勵（lì）下的分軸向振動校準。然而（ér），采用傳統的（de）單分量振動（dòng）校準裝置校準三分量測（cè）振（zhèn）儀具有一定的局限性（xìng），三分量測振儀的靈（líng）敏度是一個矩陣形（xíng）式，若采用單分量振動（dòng）校準裝置將無法得到這（zhè）個輸入、輸出的耦合關係，而（ér）傳統（tǒng）的對多（duō）分量測振傳感器（qì）逐分量（liàng）校準方法，存在校準時間長、工作效率低且結果可靠性差等不足。在傳統激光測量技術中，無論是單點測量還是（shì）整個麵的掃（sǎo）描測量，都隻給出了物體的結構振動特性，沒有給出物體整（zhěng）體的三維振動特性。最近幾年出（chū）現的三維激光測（cè）振儀，主要由3台（tái）單點（diǎn）激光測（cè）振儀組成，能夠測量物體三維（wéi）振動信息，該測量技（jì）術的缺陷是儀器沒有自校準功（gōng）能[1之]。本文提出一種新型三維運動姿態測量方（fāng）法，通過（guò）5台單點激光測振儀實（shí）時測量物體三維振動信息和運動姿態，利用比較測量方（fāng）法對係統進（jìn）行相對校準，同時還能夠進行現場自校準，測量精（jīng）度高[3。4]。
1.基本原理
1．1激光測振（zhèn）儀（yí）原理
激光多普（pǔ）勒（lè）測振儀是基於光學幹涉原理。He-Ne激光器發（fā）出的偏振光(設頻（pín）率為Fo)由分光鏡分成兩路，一路作為測量光（guāng），一路作為參考光。測量光通過聲光調製（zhì）器後具有一固定的頻移(F)，再聚焦到被測物體表麵，物體振（zhèn）動引起（qǐ）頻移(廠)。由於多普勒頻移f=2v／A，即，與速度口成正比（bǐ）變化。傳感器獲得的幹涉信號頻（pín）率為F+廠，攜（xié）帶了被（bèi）測物體的振動信息，再經過頻率電壓轉化，頻率信號變為電壓信號（hào）U，由於該轉（zhuǎn）化為線性（xìng）關係，即
1．2三維光電振動（dòng）測（cè）量技術（shù）原理
振動係統包括了5組激光測振組件(5台激光測振儀)，其結構及光路如圖1所示，它們（men）共用（yòng）一個聚焦係統，使得激光測振組件出射的激光匯聚到同一點[8]。5組激光（guāng）測振組件采（cǎi）用正交對稱放置，構成十字（zì）分布。每個測量點（diǎn）均由5束激光同時測量，軟件（jiàn）處理並輸出X，y，Z 3個方向的（de）振動結果。
圖l 三（sān）維激光測振儀原理圖
三維激光測振（zhèn）儀（yí）在測量物（wù）體三維信息時，5束激光通過聚焦透鏡匯聚在同一點，並測得沿各自光束方向的速度分別為V1,V2,V3,V4，V5，如圖2(a)所示，選用其中正交的3束激光來獲得三維振動信息呻（shēn）0|，此處選（xuǎn）用光束2，3，4，如圖2(b)所示，光束3可以（yǐ）直接（jiē）測量（liàng）物體沿Z方（fāng）向的振動分量，即
圖2激光束位置不意圖
在實際裝（zhuāng）配和組裝調試過程（chéng）中，保證光束1和光束2關於（yú）光束（shù）3對稱，夾角為202，光束4和光束5關於光（guāng）束3對稱，夾角為2口。，但角度日。和晚（wǎn）的實際值和理論值會存在一定的誤差，本係統通過同一水平分（fèn）布的3束激光實（shí）現三維光電振動測量儀的自校準功能，如圖3所示。校準時，一般采用振動台（tái）沿Z軸方向振動，實際校準過程（chéng）中，振動台由於擺放誤差，很多情況下也會有沿X軸方向的（de）振動分量口：，通過光束3可以（yǐ）測得Z軸方向振動速度為
整個係統實（shí）現了角度的自校準過程，當5束激光聚焦在被測物體上，5個（gè）通道同步采集物體（tǐ）的振動信息，根據式(6)、式(10)、式(12)可計算出物體的（de）三（sān）維振動坐標哦，碼和口。。
2.係統校準以及實驗過程
2．1係（xì）統校準
在激光測振過程中，當物體的振動方向沿著激光方向時，測量值為準確的振動值（zhí）。為測量物體的三維分量，要盡量減少測量點3個（gè）方向的固有誤差，可在振（zhèn）動源上固定一個標準的小球（qiú），振動源為標準的振動傳感器校準儀，內部可產生不同頻率的正弦信號，可（kě）輸出顯示加速度、速度及位移3種振（zhèn）動信號的幅值[1卜121；三坐標測量機上用於校正振動儀器的標準小球直徑為20 mm，材料為（wéi）鋼（gāng），表麵覆蓋有（yǒu）一層0．1 1Tlln厚的均勻反（fǎn）射膜，另外選取3台（tái）一致性良好，即（jí）測試同個物體振動信息相同或接近的激（jī）光測振儀，分別放置於正交係的X，y，z方向，用於物體3個方向（xiàng）振動信息數據測量，正交位置（zhì）通過機械裝（zhuāng）置實（shí）現，控製3個方向相（xiàng）互都成90。角，並且由於各個方向（xiàng）的激（jī）光測振儀利用散射原（yuán）理測量，正交性的微小（xiǎo）角度偏差對測量結果影響不（bú）大（dà）；然後（hòu）打開振（zhèn）動源，讓小球（qiú）在振動（dòng）源作用下以不同頻（pín）率和不同幅值振動，比較不同條件下3台激光測振儀與（yǔ）三維光電振動測量儀（yí）所測數據，從而判斷其測量數據的準確性，測量原理如圖4所示。三（sān）維光電振動（dòng）測量儀的5束激光（guāng）聚焦在球麵上，光束3與接觸點的切麵基本垂直，正交方向的3台激光測振儀也聚焦在球（qiú）麵上，分別與接觸點切麵垂直，小球在不同位置下的數據穩定後，比較三維光電振動測量儀采集（jí）到的三維分量％，q，鞏的數據與X，y，Z 3個方向的激光測振儀采集的數據，如圖5所示。
2．2實驗過程
首先將標準小球固定在振動源上（shàng），三維光（guāng）電振動測量儀聚焦透鏡焦距為500 mm，調節振動台的位置，使5束激（jī）光聚焦在小球的球麵上，光束3方向為（wéi）正交坐標係的Z方向（xiàng），將另外3台激光測振儀分別放置於小球所在坐標係的X、y、Z方向，工作距為500 mm，調節（jiē）振動源上的頻（pín）率以及速度幅值，得到多組不同頻率，不同幅（fú）值下小球的（de）振動信息；再固定振動源幅值和（hé）頻率不變，改（gǎi）變小球的振動方向（xiàng），三維分（fèn）量的幅值大小發生改變；重複上述操作，最後比較測量數據。標準振動源放置在機械工裝上，通過微調機械工裝（zhuāng），將振動源（yuán）的振（zhèn）動方向平行於XOZ平麵，並使振（zhèn）動方向與Z軸方向（xiàng）成（chéng）0角度，然後移動工裝使物體振動方向繞X軸旋轉a角度，測量其三維振動（dòng）信息，最後進行（háng）數據分析。
一定的（de）前提下，頻率（lǜ）不影響速度分量值；再選取一定的頻率和幅（fú）值，改變2個角度值（zhí）的大小，測試三維振動對任意方向的振動物體的適用性（xìng）。
3.測量結果分析（xī）
3．1測量結果（guǒ）
首先（xiān）調節振（zhèn）動源的擺放位（wèi）置，為了方便計算（suàn）和比較，使小球振動方向滿足（zú）角度口（kǒu）為45。，角度（dù）a為45。，然（rán）後調（diào）節（jiē）振動源的頻率（lǜ）和幅值（zhí），在（zài）不同頻率、不同幅值下（xià），三維光電振（zhèn）動儀和3個正交方向上的激光（guāng）測振儀測量數（shù）據如表1所示；然後振動源選取固定的頻率和幅值，此處選擇頻（pín）率320 Hz，幅值10 mm／s，在不（bú）同（tóng）角度下，小球不同振動方向的三維光電振動（dòng）儀（yí）測量數據如（rú）表2所示（shì）。
表1同一振動方向(0=0=45。)。不同頻率。不同幅值測量數據
3．2數據（jù）和誤差分（fèn）析
小（xiǎo）球在同一振（zhèn）動方向下，即角度日為45。，角度（dù）a為45。，三維光電振動測量儀的三維分量合成值與3個正交方向激光測振（zhèn）儀測量數據的合成值分（fèn）別與振動源的幅值做比較，誤差分析（xī）結果（guǒ）如表3所示。在振動源頻（pín）率320 Hz，幅值10 mm／s的條件下，根據小球不同振動方向的三（sān）維光（guāng）電測（cè）量數據，由式(13)、式(14)、式(15)計算出小球實際角度值日和a，並分別（bié）與理論角度值進行比（bǐ）較，誤（wù）差分析結果如表4所示。可以看出，三維光電振（zhèn）動（dòng）測量儀的3個分量與3個方向激光測振儀的測量數據基本吻合，合成值的（de）誤差最大為2．87％，任意方向的角度（dù）誤（wù）差最大為1．35％。在實際（jì）測量過程中，3個方（fāng）向激光測振儀在保證光（guāng）斑（bān）基本處在小球的對應位置時，擺（bǎi）放位置引起的誤差很小（xiǎo），可忽略不計，而機械調節工裝會引入係統誤差，結構（gòu）加（jiā）工和透鏡成像質量也會影響測量結果，但總體而言（yán），測量結果誤（wù）差滿足（zú）係統要求，符合相對（duì）測量的標準。
表3同一振動方（fāng）向(0=a----45。)測量數據誤差分析
表4不同振動（dòng）方向三維光（guāng）電振（zhèn）動測（cè）量數據誤差分析
4.結論
在研究（jiū）了三維光電振動測量儀原理的基礎上，選取振動源和（hé）單點激光（guāng）測振儀作為比較對象，搭建了實驗平台進（jìn）行數據測量和誤差（chà）分析，驗證了三（sān）維光電振動測量儀對任意空（kōng）間物（wù）體三維分量測（cè）量的相對準確性和適用性，但後續仍需標準的三軸計量平（píng）台對測量數據進行（háng）絕對校準。
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