錢向偉,王 雷,張深逢,葉 崗,宋云峰（寧波舜宇智能科技有限公司,浙江寧波 315400）

三維光電振動測量技術的校準方法研究

錢向偉,王 雷,張深逢,葉 崗,宋云峰
（寧波舜宇智能科技有限公司,浙江寧波 315400）

為了分析三維光電振動測量儀測量的三維數(shù)據(jù)準確性,提出了一種利用標準小球做相對校準的簡便方法。組成三維光電振動測量儀的5臺激光測振儀發(fā)出的5束激光同時經過1個透鏡,聚焦在位于透鏡焦點處且安裝在振動源上的標準小球球面上,軟件處理小球振動時的三維分量,并與小球3個正交方向放置的3臺激光測振儀測得的數(shù)據(jù)對比。通過微調小球的擺放位置,測量小球不同振動方向的三維振動信息,最后對數(shù)據(jù)進行誤差分析,測量結果驗證了該校準方法的可行性和適用性。

三維光電振動測量；正交法測量；標準小球；激光測振儀

引 言

三維光電振動測量儀作為高端科學儀器,廣泛應用于衛(wèi)星陀螺控制器的振動測量、航空發(fā)動機的葉片振動測量、火炮發(fā)射時炮管的振動測量、微機電系統(tǒng)振動測量等,屬于非接觸測量儀器。然而,長期以來我國的光電振動測量儀幾乎完全依賴進口,部分產品由于牽涉到國防和國家安全領域還無法進口,這一局面極大地限制了我國相關領域的發(fā)展。為此,研制具有自主知識產權的三維光電振動測量儀迫在眉睫。

由于三維測振技術發(fā)展得較晚,目前國內外對振動校準裝置的研究還局限于采用單分量激勵下的分軸向振動校準。然而,采用傳統(tǒng)的單分量振動校準裝置校準三分量測振儀具有一定的局限性,三分量測振儀的靈敏度是一個矩陣形式,若采用單分量振動校準裝置將無法得到這個輸入、輸出的耦合關系,而傳統(tǒng)的對多分量測振傳感器逐分量校準方法,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(tǒng)激光測量技術中,無論是單點測量還是整個面的掃描測量,都只給出了物體的結構振動特性,沒有給出物體整體的三維振動特性。最近幾年出現(xiàn)的三維激光測振儀,主要由3臺單點激光測振儀組成,能夠測量物體三維振動信息,該測量技術的缺陷是儀器沒有自校準功能［1-2］。本文提出一種新型三維運動姿態(tài)測量方法,通過5臺單點激光測振儀實時測量物體三維振動信息和運動姿態(tài),利用比較測量方法對系統(tǒng)進行相對校準,同時還能夠進行現(xiàn)場自校準,測量精度高［3-4］。

1　基本原理

1.1激光測振儀原理

激光多普勒測振儀是基于光學干涉原理。He-Ne激光器發(fā)出的偏振光（設頻率為E0）由分光鏡分成兩路,一路作為測量光,一路作為參考光。測量光通過聲光調制器后具有一固定的頻移（E）,再聚焦到被測物體表面,物體振動引起頻移（f）。由于多普勒頻移f=2v/λ,即f與速度v成正比變化。傳感器獲得的干涉信號頻率為E+f,攜帶了被測物體的振動信息,再經過頻率電壓轉化,頻率信號變?yōu)殡妷盒盘朥,由于該轉化為線性關系,即

式中k、E為常數(shù),則L（L=k×E）為固定的直流分量,可通過高通濾波慮除,由此可得

式中λ為激光器發(fā)出的偏振光波長。令k′=λ/（2k）,則v=Uλ/（2k）=k′×U,電壓與振動速度成正比,因此只要測出電壓就能得到物體的振動信息［5-7］。

1.2三維光電振動測量技術原理

振動系統(tǒng)包括了5組激光測振組件（5臺激光測振儀）,其結構及光路如圖1所示,它們共用一個聚焦系統(tǒng),使得激光測振組件出射的激光匯聚到同一點［8］。5組激光測振組件采用正交對稱放置,構成十字分布。每個測量點均由5束激光同時測量,軟件處理并輸出X,Y,Z 3個方向的振動結果。

圖1　三維激光測振儀原理圖Fig.1　Schematic of a 3D laser vibrometer

三維激光測振儀在測量物體三維信息時,5束激光通過聚焦透鏡匯聚在同一點,并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［9-10］,此處選用光束2,3,4,如圖2（b）所示,光束3可以直接測量物體沿Z方向的振動分量,即

圖2　激光束位置示意圖Fig.2　Laser position diagram

光束3和光束4的夾角θ1,光束3和光束2的夾角θ2,v2和v4分別為沿光束2和光束4方向的速度,通過3束組合光束可以同時測得X方向和Y方向的振動信息,計算公式如下:

在實際裝配和組裝調試過程中,保證光束1和光束2關于光束3對稱,夾角為2θ2,光束4和光束5關于光束3對稱,夾角為2θ1,但角度θ1和θ2的實際值和理論值會存在一定的誤差,本系統(tǒng)通過同一水平分布的3束激光實現(xiàn)三維光電振動測量儀的自校準功能,如圖3所示。校準時,一般采用振動臺沿Z軸方向振動,實際校準過程中,振動臺由于擺放誤差,很多情況下也會有沿X軸方向的振動分量vx,通過光束3可以測得Z軸方向振動速度為

圖3　自校準示意圖Fig.3　Self calibration diagram

光束1和光束3的夾角θ2可通過光束1、光束2、光束3的3個方向的速度v1,v2,v3求出,在XOZ平面內:將vz=v3代入式（7）、式（8）可得到:

同理,在YOZ平面內:整個系統(tǒng)實現(xiàn)了角度的自校準過程,當5束激光聚焦在被測物體上,5個通道同步采集物體的振動信息,根據(jù)式（6）、式（10）、式（12）可計算出物體的三維振動坐標vx,vy和vz。

2　系統(tǒng)校準以及實驗過程

2.1系統(tǒng)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。為測量物體的三維分量,要盡量減少測量點3個方向的固有誤差,可在振動源上固定一個標準的小球,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,可輸出顯示加速度、速度及位移3種振動信號的幅值［11-12］；三坐標測量機上用于校正振動儀器的標準小球直徑為20 mm,材料為鋼,表面覆蓋有一層0.1 mm厚的均勻反射膜,另外選取3臺一致性良好,即測試同個物體振動信息相同或接近的激光測振儀,分別放置于正交系的X, Y,Z方向,用于物體3個方向振動信息數(shù)據(jù)測量,正交位置通過機械裝置實現(xiàn),控制3個方向相互都成90°角,并且由于各個方向的激光測振儀利用散射原理測量,正交性的微小角度偏差對測量結果影響不大；然后打開振動源,讓小球在振動源作用下以不同頻率和不同幅值振動,比較不同條件下3臺激光測振儀與三維光電振動測量儀所測數(shù)據(jù),從而判斷其測量數(shù)據(jù)的準確性,測量原理如圖4所示。

三維光電振動測量儀的5束激光聚焦在球面上,光束3與接觸點的切面基本垂直,正交方向的3臺激光測振儀也聚焦在球面上,分別與接觸點切面垂直,小球在不同位置下的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,比較三維光電振動測量儀采集到的三維分量vx,vy,vz的數(shù)據(jù)與X,Y,Z 3個方向的激光測振儀采集的數(shù)據(jù),如圖5所示。

圖4　比較測量原理圖Fig.4　Schematic of comparative measurement

圖5　不同振動方向示意圖Fig.5　Different vibration direction diagram

2.2實驗過程

首先將標準小球固定在振動源上,三維光電振動測量儀聚焦透鏡焦距為500 mm,調節(jié)振動臺的位置,使5束激光聚焦在小球的球面上,光束3方向為正交坐標系的Z方向,將另外3臺激光測振儀分別放置于小球所在坐標系的X、Y、Z方向,工作距為500 mm,調節(jié)振動源上的頻率以及速度幅值,得到多組不同頻率,不同幅值下小球的振動信息；再固定振動源幅值和頻率不變,改變小球的振動方向,三維分量的幅值大小發(fā)生改變；重復上述操作,最后比較測量數(shù)據(jù)。

標準振動源放置在機械工裝上,通過微調機械工裝,將振動源的振動方向平行于XOZ平面,并使振動方向與Z軸方向成θ角度,然后移動工裝使物體振動方向繞X軸旋轉?角度,測量其三維振動信息,最后進行數(shù)據(jù)分析。

由圖5可知,幅值V,角度θ,角度?與三維振動分量X,Y,Z的關系為:

首先,調節(jié)角度θ為45°,角度?為45°,改變頻率和幅值,測得的三維分量與3個方向的激光測振儀的測量數(shù)據(jù)分別比較,合成速度與標準振動源幅值比較,判定三維振動速度分量的準確性,理論上振動幅值一定的前提下,頻率不影響速度分量值；再選取一定的頻率和幅值,改變2個角度值的大小,測試三維振動對任意方向的振動物體的適用性。

3　測量結果分析

3.1測量結果

首先調節(jié)振動源的擺放位置,為了方便計算和比較,使小球振動方向滿足角度θ為45°,角度?為45°,然后調節(jié)振動源的頻率和幅值,在不同頻率、不同幅值下,三維光電振動儀和3個正交方向上的激光測振儀測量數(shù)據(jù)如表1所示；然后振動源選取固定的頻率和幅值,此處選擇頻率320 Hz,幅值10 mm/s,在不同角度下,小球不同振動方向的三維光電振動儀測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　同一振動方向（θ=?=45°），不同頻率，不同幅值測量數(shù)據(jù)Tab.1　Measurement data in the same vibration（θ=?=45°）with different frequencies and different amplitudes

表2　不同振動方向三維光電振動測量數(shù)據(jù)Tab.2　3D photoelectric vibration measurement with different vibration directions

3.2數(shù)據(jù)和誤差分析

小球在同一振動方向下,即角度θ為45°,角度?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儀測量數(shù)據(jù)的合成值分別與振動源的幅值做比較,誤差分析結果如表3所示。在振動源頻率320 Hz,幅值10 mm/s的條件下,根據(jù)小球不同振動方向的三維光電測量數(shù)據(jù),由式（13）、式（14）、式（15）計算出小球實際角度值θ和?,并分別與理論角度值進行比較,誤差分析結果如表4所示。

可以看出,三維光電振動測量儀的3個分量與3個方向激光測振儀的測量數(shù)據(jù)基本吻合,合成值的誤差最大為2.87%,任意方向的角度誤差最大為1.35%。在實際測量過程中,3個方向激光測振儀在保證光斑基本處在小球的對應位置時,擺放位置引起的誤差很小,可忽略不計,而機械調節(jié)工裝會引入系統(tǒng)誤差,結構加工和透鏡成像質量也會影響測量結果,但總體而言,測量結果誤差滿足系統(tǒng)要求,符合相對測量的標準。

表3　同一振動方向（θ=?=45°）測量數(shù)據(jù)誤差分析Tab.3　Error analysis of measurement in the same vibration（θ=?=45°）

表4　不同振動方向三維光電振動測量數(shù)據(jù)誤差分析Tab.4　Error analysis of 3D photoelectric vibration measurement with different vibration directions

4　結 論

在研究了三維光電振動測量儀原理的基礎上,選取振動源和單點激光測振儀作為比較對象,搭建了實驗平臺進行數(shù)據(jù)測量和誤差分析,驗證了三維光電振動測量儀對任意空間物體三維分量測量的相對準確性和適用性,但后續(xù)仍需標準的三軸計量平臺對測量數(shù)據(jù)進行絕對校準。

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（編輯:劉鐵英）

Study on the calibration method of 3D photoelectric vibration measurement technology

QIAN Xiangwei,WANG Lei,ZHANG Shenfeng,YE Gang,SONG Yunfeng
（Ningbo Sunny Intelligent Technology Co.,Ltd.,Ningbo 315400,China）

In order to analyze the accuracy of 3D photoelectric vibration measurement instrument,a simple relative calibration method based on standard ball is presented.Five lasers from five laser vibrometers are for 3D photoelectric vibration measurement through a lens at the same time,focusing on the spherical surfaces of the standard ball at the focal point of the lens.The standard ball is fixed on the vibration device.Vibration data is acquired.A software is used to process the 3D components of the ball.Three laser vibrometers placed in three direction orthogonally are used to compare measured data.By changing the position of the ball,different vibration directions of 3D vibration information is measured.Then error of data is analyzed.The results verify the feasibility and applicability of the calibration method.

measurement of 3D photoelectric vibration；orthraltropic vibration measurement；standard ball；laser vibrometer

TH 741

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.003

1005-5630（2016）02-0106-06

2015-06-12

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項資助課題（2013YQ470765）；寧波市科技創(chuàng)新團隊資助課題（2013B82005）

錢向偉（1990—）,男,工程師,主要從事光學儀器的研發(fā)工作。E-mail:xwqian@sunnyoptical.com