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三維光電振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的校準(zhǔn)方法研究

2017-1-18 來(lái)源：寧波舜宇智能科技有限公司作者：錢向偉，王雷，張深逢，葉崗，宋云峰

摘要：為了分析三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量的三維數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，提出了一種利用標(biāo)準(zhǔn)小球做相對(duì)校準(zhǔn)的簡(jiǎn)便方法。組成三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x的5臺(tái)激光測(cè)振儀發(fā)出的5束激光同時(shí)經(jīng)過(guò)1個(gè)透鏡，聚焦在位于透鏡焦點(diǎn)處且安裝在振動(dòng)源上的標(biāo)準(zhǔn)小球球面上，軟件處理小球振動(dòng)時(shí)的三維分量，并與小球3個(gè)正交方向放置的3臺(tái)激光測(cè)振儀測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比。通過(guò)微調(diào)小球的擺放位置，測(cè)量小球不同振動(dòng)方向的三維振動(dòng)信息，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了該校準(zhǔn)方法的可行性和適用性。

關(guān)鍵詞：三維光電振動(dòng)測(cè)量；正交法測(cè)量；標(biāo)準(zhǔn)小球；激光測(cè)振儀

0.引言

三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x作為高端科學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星陀螺控制器的振動(dòng)測(cè)量、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片振動(dòng)測(cè)量、火炮發(fā)射時(shí)炮管的振動(dòng)測(cè)量、微機(jī)電系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量等，屬于非接觸測(cè)量?jī)x器。然而，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x幾乎完全依賴進(jìn)口，部分產(chǎn)品由于牽涉到國(guó)防和國(guó)家安全領(lǐng)域還無(wú)法進(jìn)口，這一局面極大地限制了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。為此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x迫在眉睫。

由于三維測(cè)振技術(shù)發(fā)展得較晚，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)振動(dòng)校準(zhǔn)裝置的研究還局限于采用單分量激勵(lì)下的分軸向振動(dòng)校準(zhǔn)。然而，采用傳統(tǒng)的單分量振動(dòng)校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)三分量測(cè)振儀具有一定的局限性，三分量測(cè)振儀的靈敏度是一個(gè)矩陣形式，若采用單分量振動(dòng)校準(zhǔn)裝置將無(wú)法得到這個(gè)輸入、輸出的耦合關(guān)系，而傳統(tǒng)的對(duì)多分量測(cè)振傳感器逐分量校準(zhǔn)方法，存在校準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低且結(jié)果可靠性差等不足。在傳統(tǒng)激光測(cè)量技術(shù)中，無(wú)論是單點(diǎn)測(cè)量還是整個(gè)面的掃描測(cè)量，都只給出了物體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，沒(méi)有給出物體整體的三維振動(dòng)特性。最近幾年出現(xiàn)的三維激光測(cè)振儀，主要由3臺(tái)單點(diǎn)激光測(cè)振儀組成，能夠測(cè)量物體三維振動(dòng)信息，該測(cè)量技術(shù)的缺陷是儀器沒(méi)有自校準(zhǔn)功能[1之]。本文提出一種新型三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量方法，通過(guò)5臺(tái)單點(diǎn)激光測(cè)振儀實(shí)時(shí)測(cè)量物體三維振動(dòng)信息和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，利用比較測(cè)量方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)校準(zhǔn)，同時(shí)還能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自校準(zhǔn)，測(cè)量精度高[3。4]。

1.基本原理

1．1激光測(cè)振儀原理

激光多普勒測(cè)振儀是基于光學(xué)干涉原理。He-Ne激光器發(fā)出的偏振光(設(shè)頻率為Fo)由分光鏡分成兩路，一路作為測(cè)量光，一路作為參考光。測(cè)量光通過(guò)聲光調(diào)制器后具有一固定的頻移(F)，再聚焦到被測(cè)物體表面，物體振動(dòng)引起頻移(廠)。由于多普勒頻移f=2v／A，即，與速度口成正比變化。傳感器獲得的干涉信號(hào)頻率為F+廠，攜帶了被測(cè)物體的振動(dòng)信息，再經(jīng)過(guò)頻率電壓轉(zhuǎn)化，頻率信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)U，由于該轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，即

1．2三維光電振動(dòng)測(cè)量技術(shù)原理

振動(dòng)系統(tǒng)包括了5組激光測(cè)振組件(5臺(tái)激光測(cè)振儀)，其結(jié)構(gòu)及光路如圖1所示，它們共用一個(gè)聚焦系統(tǒng)，使得激光測(cè)振組件出射的激光匯聚到同一點(diǎn)[8]。5組激光測(cè)振組件采用正交對(duì)稱放置，構(gòu)成十字分布。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均由5束激光同時(shí)測(cè)量，軟件處理并輸出X，y，Z 3個(gè)方向的振動(dòng)結(jié)果。

圖l 三維激光測(cè)振儀原理圖

三維激光測(cè)振儀在測(cè)量物體三維信息時(shí)，5束激光通過(guò)聚焦透鏡匯聚在同一點(diǎn)，并測(cè)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(lái)獲得三維振動(dòng)信息呻0|，此處選用光束2，3，4，如圖2(b)所示，光束3可以直接測(cè)量物體沿Z方向的振動(dòng)分量，即

圖2激光束位置不意圖

在實(shí)際裝配和組裝調(diào)試過(guò)程中，保證光束1和光束2關(guān)于光束3對(duì)稱，夾角為202，光束4和光束5關(guān)于光束3對(duì)稱，夾角為2口。，但角度日。和晚的實(shí)際值和理論值會(huì)存在一定的誤差，本系統(tǒng)通過(guò)同一水平分布的3束激光實(shí)現(xiàn)三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x的自校準(zhǔn)功能，如圖3所示。校準(zhǔn)時(shí)，一般采用振動(dòng)臺(tái)沿Z軸方向振動(dòng)，實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，振動(dòng)臺(tái)由于擺放誤差，很多情況下也會(huì)有沿X軸方向的振動(dòng)分量口：，通過(guò)光束3可以測(cè)得Z軸方向振動(dòng)速度為

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了角度的自校準(zhǔn)過(guò)程，當(dāng)5束激光聚焦在被測(cè)物體上，5個(gè)通道同步采集物體的振動(dòng)信息，根據(jù)式(6)、式(10)、式(12)可計(jì)算出物體的三維振動(dòng)坐標(biāo)哦，碼和口。。

2.系統(tǒng)校準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2．1系統(tǒng)校準(zhǔn)

在激光測(cè)振過(guò)程中，當(dāng)物體的振動(dòng)方向沿著激光方向時(shí)，測(cè)量值為準(zhǔn)確的振動(dòng)值。為測(cè)量物體的三維分量，要盡量減少測(cè)量點(diǎn)3個(gè)方向的固有誤差，可在振動(dòng)源上固定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的小球，振動(dòng)源為標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)儀，內(nèi)部可產(chǎn)生不同頻率的正弦信號(hào)，可輸出顯示加速度、速度及位移3種振動(dòng)信號(hào)的幅值[1卜121；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上用于校正振動(dòng)儀器的標(biāo)準(zhǔn)小球直徑為20 mm，材料為鋼，表面覆蓋有一層0．1 1Tlln厚的均勻反射膜，另外選取3臺(tái)一致性良好，即測(cè)試同個(gè)物體振動(dòng)信息相同或接近的激光測(cè)振儀，分別放置于正交系的X，y，z方向，用于物體3個(gè)方向振動(dòng)信息數(shù)據(jù)測(cè)量，正交位置通過(guò)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)，控制3個(gè)方向相互都成90。角，并且由于各個(gè)方向的激光測(cè)振儀利用散射原理測(cè)量，正交性的微小角度偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大；然后打開(kāi)振動(dòng)源，讓小球在振動(dòng)源作用下以不同頻率和不同幅值振動(dòng)，比較不同條件下3臺(tái)激光測(cè)振儀與三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x所測(cè)數(shù)據(jù)，從而判斷其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)量原理如圖4所示。三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x的5束激光聚焦在球面上，光束3與接觸點(diǎn)的切面基本垂直，正交方向的3臺(tái)激光測(cè)振儀也聚焦在球面上，分別與接觸點(diǎn)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(dòng)測(cè)量?jī)x采集到的三維分量％，q，鞏的數(shù)據(jù)與X，y，Z 3個(gè)方向的激光測(cè)振儀采集的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

2．2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先將標(biāo)準(zhǔn)小球固定在振動(dòng)源上，三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x聚焦透鏡焦距為500 mm，調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)的位置，使5束激光聚焦在小球的球面上，光束3方向?yàn)檎蛔鴺?biāo)系的Z方向，將另外3臺(tái)激光測(cè)振儀分別放置于小球所在坐標(biāo)系的X、y、Z方向，工作距為500 mm，調(diào)節(jié)振動(dòng)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(dòng)信息；再固定振動(dòng)源幅值和頻率不變，改變小球的振動(dòng)方向，三維分量的幅值大小發(fā)生改變；重復(fù)上述操作，最后比較測(cè)量數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)源放置在機(jī)械工裝上，通過(guò)微調(diào)機(jī)械工裝，將振動(dòng)源的振動(dòng)方向平行于XOZ平面，并使振動(dòng)方向與Z軸方向成0角度，然后移動(dòng)工裝使物體振動(dòng)方向繞X軸旋轉(zhuǎn)a角度，測(cè)量其三維振動(dòng)信息，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

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(gè)角度值的大小，測(cè)試三維振動(dòng)對(duì)任意方向的振動(dòng)物體的適用性。

3.測(cè)量結(jié)果分析

3．1測(cè)量結(jié)果

首先調(diào)節(jié)振動(dòng)源的擺放位置，為了方便計(jì)算和比較，使小球振動(dòng)方向滿足角度口為45。，角度a為45。，然后調(diào)節(jié)振動(dòng)源的頻率和幅值，在不同頻率、不同幅值下，三維光電振動(dòng)儀和3個(gè)正交方向上的激光測(cè)振儀測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示；然后振動(dòng)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(dòng)方向的三維光電振動(dòng)儀測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表1同一振動(dòng)方向(0=0=45。)。不同頻率。不同幅值測(cè)量數(shù)據(jù)

3．2數(shù)據(jù)和誤差分析

小球在同一振動(dòng)方向下，即角度日為45。，角度a為45。，三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x的三維分量合成值與3個(gè)正交方向激光測(cè)振儀測(cè)量數(shù)據(jù)的合成值分別與振動(dòng)源的幅值做比較，誤差分析結(jié)果如表3所示。在振動(dòng)源頻率320 Hz，幅值10 mm／s的條件下，根據(jù)小球不同振動(dòng)方向的三維光電測(cè)量數(shù)據(jù)，由式(13)、式(14)、式(15)計(jì)算出小球?qū)嶋H角度值日和a，并分別與理論角度值進(jìn)行比較，誤差分析結(jié)果如表4所示。可以看出，三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x的3個(gè)分量與3個(gè)方向激光測(cè)振儀的測(cè)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(shí)際測(cè)量過(guò)程中，3個(gè)方向激光測(cè)振儀在保證光斑基本處在小球的對(duì)應(yīng)位置時(shí)，擺放位置引起的誤差很小，可忽略不計(jì)，而機(jī)械調(diào)節(jié)工裝會(huì)引入系統(tǒng)誤差，結(jié)構(gòu)加工和透鏡成像質(zhì)量也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，但總體而言，測(cè)量結(jié)果誤差滿足系統(tǒng)要求，符合相對(duì)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。

表3同一振動(dòng)方向(0=a----45。)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差分析

表4不同振動(dòng)方向三維光電振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差分析

4.結(jié)論

在研究了三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x原理的基礎(chǔ)上，選取振動(dòng)源和單點(diǎn)激光測(cè)振儀作為比較對(duì)象，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和誤差分析，驗(yàn)證了三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)任意空間物體三維分量測(cè)量的相對(duì)準(zhǔn)確性和適用性，但后續(xù)仍需標(biāo)準(zhǔn)的三軸計(jì)量平臺(tái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)。

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