三維光電振動測量技術(shù)的校準(zhǔn)方法研究
2017-1-18 來源：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測量儀測量的三維數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，提出了一種利用標(biāo)準(zhǔn)小球做相對校準(zhǔn)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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(jìn)行誤差分析，測量結(jié)果驗證了該校準(zhǔn)方法的可行性和適用性。
關(guān)鍵詞：三維光電振動測量；正交法測量；標(biāo)準(zhǔn)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(xué)儀器，廣泛應(yīng)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(jìn)口，部分產(chǎn)品由于牽涉到國防和國家安全領(lǐng)域還無法進(jìn)口，這一局面極大地限制了我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。為此，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。
由于三維測振技術(shù)發(fā)展得較晚，目前國內(nèi)外對振動校準(zhǔn)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(zhǔn)。然而，采用傳統(tǒng)的單分量振動校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)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(zhǔn)裝置將無法得到這個輸入、輸出的耦合關(guān)系，而傳統(tǒng)的對多分量測振傳感器逐分量校準(zhǔn)方法，存在校準(zhǔn)時間長、工作效率低且結(jié)果可靠性差等不足。在傳統(tǒng)激光測量技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)的缺陷是儀器沒有自校準(zhǔn)功能[1之]。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(jìn)行相對校準(zhǔn)，同時還能夠進(jìn)行現(xiàn)場自校準(zhǔn)，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(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，一路作為測量光，一路作為參考光。測量光通過聲光調(diào)制器后具有一固定的頻移(F)，再聚焦到被測物體表面，物體振動引起頻移(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頻率為F+廠，攜帶了被測物體的振動信息，再經(jīng)過頻率電壓轉(zhuǎn)化，頻率信號變?yōu)殡妷盒盘朥，由于該轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，即
1．2三維光電振動測量技術(shù)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)果。
圖l 三維激光測振儀原理圖
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可以直接測量物體沿Z方向的振動分量，即
圖2激光束位置不意圖
在實際裝配和組裝調(diào)試過程中，保證光束1和光束2關(guān)于光束3對稱，夾角為202，光束4和光束5關(guān)于光束3對稱，夾角為2口。，但角度日。和晚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(zhǔn)功能，如圖3所示。校準(zhǔn)時，一般采用振動臺沿Z軸方向振動，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軸方向的振動分量口：，通過光束3可以測得Z軸方向振動速度為
整個系統(tǒng)實現(xiàn)了角度的自校準(zhǔn)過程，當(dāng)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(biāo)哦，碼和口。。
2.系統(tǒng)校準(zhǔn)以及實驗過程
2．1系統(tǒng)校準(zhǔn)
在激光測振過程中，當(dāng)物體的振動方向沿著激光方向時，測量值為準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的小球，振動源為標(biāo)準(zhǔn)的振動傳感器校準(zhǔn)儀，內(nèi)部可產(chǎn)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[1卜121；三坐標(biāo)測量機上用于校正振動儀器的標(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(jié)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(zhǔn)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％，q，鞏的數(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。
2．2實驗過程
首先將標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(biāo)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(biāo)系的X、y、Z方向，工作距為500 mm，調(diào)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(fù)上述操作，最后比較測量數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)振動源放置在機械工裝上，通過微調(diào)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0角度，然后移動工裝使物體振動方向繞X軸旋轉(zhuǎn)a角度，測量其三維振動信息，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(jié)果分析
3．1測量結(jié)果
首先調(diào)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口為45。，角度a為45。，然后調(diào)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(0=0=45。)。不同頻率。不同幅值測量數(shù)據(jù)
3．2數(shù)據(jù)和誤差分析
小球在同一振動方向下，即角度日為45。，角度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(jié)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?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(yīng)位置時，擺放位置引起的誤差很小，可忽略不計，而機械調(diào)節(jié)工裝會引入系統(tǒng)誤差，結(jié)構(gòu)加工和透鏡成像質(zhì)量也會影響測量結(jié)果，但總體而言，測量結(jié)果誤差滿足系統(tǒng)要求，符合相對測量的標(biāo)準(zhǔn)。
表3同一振動方向(0=a----45。)測量數(shù)據(jù)誤差分析
表4不同振動方向三維光電振動測量數(shù)據(jù)誤差分析
4.結(jié)論
在研究了三維光電振動測量儀原理的基礎(chǔ)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(jìn)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(zhǔn)確性和適用性，但后續(xù)仍需標(biāo)準(zhǔn)的三軸計量平臺對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對校準(zhǔn)。
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