CN109000781B - 一种结构微振动线域测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构微振动线域测量装置及方法。该装置包括钨卤素灯光源模块，用于振动探测；迈克尔逊干涉仪模块，包括第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，分光镜将光束分束为强度相等的两束光线，作为参考光、探测光分别汇聚于参考镜、待测微振动结构件表面，反射后重合发生干涉，并经第二柱透镜变为平行光束出射；二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、第三柱透镜、面阵高速COMS相机，干涉光束经反射式光栅按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集获得二维干涉条纹，由此经计算机及图像处理软件计算即可获得线域二维振动信息。本发明可实现对一定振动幅值范围内微振动的线域非接触测量，测量速度快，精度高。

Description

一种结构微振动线域测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量振动技术领域，具体涉及一种结构微振动线域测量装置及方法。

背景技术

通常振动的测量方法主要有机械式测量、电子测量和光学测量三种方法。传统的振动测量大都是通过接触式的机械仪器或电器仪器，利用物理原理将距离的变化转换成电压、电流、电容等物理量的变化，并以数字信号的形式采集及分析。在对轻的薄壁结构件的振动检测及模态分析中，传统的位移、加速度等接触式传感器引入的附加质量对测试件的影响不可忽略，会造成检测的极大误差，而对一些表面加工质量要求较高、要求非接触式振动测试的场合，传统的振动传感器也不能满足检测要求。光学振动测量方法具有非接触、不引入附加质量、无损、高分辨率的优点，因此广泛应用于振动测量领域。目前光学振动测量方法有散斑干涉测量，全息干涉测量，外差干涉测量和自混合干涉测量等，这些干涉测量技术位移信息是通过分析干涉图的相位改变来获得的，在探测深度方向上可以提供极高的分辨率，但存在着2π的相位模糊，其探测范围通常被限制在半波长范围。在现有的振动测量中，多数方法及装置为单点式测量，其检测效率低，无法达到多点实时同步检测的要求。

因此，在对现有振动测量方法进行了解和研究的基础上，设计出一种效率高、精度高、非接触、无损、不引入附加质量及高分辨率的振动测量装置和方法具有极大的工程意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构微振动线域测量装置及方法，可实现对一定振动幅值范围内微振动的线域非接触测量，测量速度快，精度高。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种结构微振动线域测量装置，包括

钨卤素灯光源模块，包括钨卤素灯光源、凸透镜，钨卤素灯光源发射的点光源经凸透镜准直为平行光束，用于振动探测；

迈克尔逊干涉仪模块，包括第一柱透镜、分光镜、参考镜、第二柱透镜，第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，分光镜将光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于待测微振动结构件表面，两束光经反射后重合发生干涉，并经第二柱透镜变为平行光束出射至二维光谱仪模块；

二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、第三柱透镜、面阵高速COMS相机，干涉光束经反射式光栅按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集获得二维干涉条纹，由此经计算机及图像处理软件计算即可获得线域二维振动信息；

计算机，用于对二维干涉条纹图像采集及传输模块的控制，并对传输到计算机的条纹图像信号进行存储和处理；

图像处理软件模块，用于对所述的条纹图像信号进行处理，获得线域二维振动信息。

在本发明一实施例中，还包括一单频激光光源、一第二分光镜；所述第二分光镜设于第二柱透镜与反射镜之间，所述单频激光光源发射的激光发射至第二分光镜一入光口，从而引入到光路中。

在本发明一实施例中，所述单频激光光源、第二分光镜用于为整个装置标定引入波长已知的特征谱线。

本发明还提供了一种基于上述所述装置的测量方法，包括如下步骤：

A、针对待测结构件位置调整参考镜位置及姿态，产生干涉信号；

B、采用面阵高速COMS相机图像采集模块对干涉条纹图像进行连续成像和记录，由于微振动结构件表面位置的变化，经结构件反射和背向散射的探测光路与参考光路光程差随着结构件变化，引起干涉条纹密度变化；

C、将采集到的干涉条纹图像序列传输到计算机，采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

D、图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

E、图像处理软件模块将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的***距离分辨率即得到振动结构件的线域检测表面位置，各个时刻位置的变化即为结构的线域检测振动位移。

在本发明一实施例中，该方法利用线域微振动的检测原理，具体如下：

二维频域光学相干振动层析***中，面阵高速COMS相机采集到的二维干涉图为参考光I_r与样品光I_s发生干涉矢量相加由面阵高速COMS相机感光元件感光而获得；参考光I_r可表示为：I_r(k,y,t)＝S_r(k)e^i2kr，其中k为光谱波数，r为参考光光程，S_r(k)为参考光的谱功率分布函数；样品光I_s可表示为I_s(k,y,t)＝S_s(k)e^{i2k(r+n*Δz(y,t))}

其中，S_s(k)为样品光的谱功率分布函数，n为光在空气中的折射率，n*Δz(y,t)为参考光与样品光光程差；二维干涉条纹I(k,y,t)可表示为：

I(k,y,t)＝|I_r(k,y,t)|²+|I_s(k,y,t)|²+2|I_r(k,y,t)||I_s(k,y,t)|cos(Δφ(k,y,t))

其中，Δφ(k,y,t)＝4πnΔz(y,t)k，Δz(y,t)为探测焦线上各点随时间变化的位移；

在一段时间内，对振动结构振动连续采集，获得一系列二维干涉条纹图，对采集的多幅二维干涉条纹I(k,y,t)的每行像素点光强进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率，乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的***距离分辨率即得到振动结构件的位移Δz(y,t)，此即为线域微振动的检测原理。

在本发明一实施例中，所述步骤E的具体实现过程如下：图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

能量重心法对各行像素点强度变化频率计算公式为

其中，f_i ¹为第i帧即i时刻条纹图像的归一化频率，G_k为离散频谱的最大值，k表示第k条离散功率谱线，G_k+j为第(k+j)条谱线的值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数。第i帧即i时刻条纹密度d_i与归一化条纹频率f_i ¹之间的计算公式为：

d_i＝f_i ¹N

其中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明装置光路结构简单，易于实现，本发明装置及方法可实现对一定振动幅值范围内微振动的线域非接触测量，测量速度快，精度高。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构示意图。

图2是本发明实施例中检测时高速相机采集的二维干涉条纹图。

图3是本发明实施例中检测时对图2高速相机采集的二维干涉条纹图每行像素点做快速傅里叶变换及频谱矫正后乘以***距离分辨率得到振动结构件的线域检测表面位置。

图4是本发明实施例中检测时对线域二维振动检测结果，可以得到线域上各检测点位移。

图5是本发明实施例中对线域上一点干涉产生及干涉条纹信号处理流程，即调整装置产生干涉信号，对干涉信号加Hanning窗函数，再进行快速傅里叶变换及频谱校正，得到干涉条纹密度变化频率，乘以***测距分辨率即得到振动结构件表面位置信息。

图6是本发明实施例中对线域上各点检测信号处理流程，相机采集的二维干涉条纹图每行像素点对应线域上一个检测点，对线域各点干涉信号加Hanning窗函数，再进行快速傅里叶变换及频谱校正，得到线域各点干涉条纹密度变化频率，乘以***测距分辨率即得到振动结构件线域上各检测点振动信息。

图中：1-钨卤素灯光源，2-凸透镜，3、7、12-柱透镜，4、9-分光镜，5-参考镜，6-待测微振动结构件，8-单频激光光源，10-反射镜，11-反射式光栅，13-面阵高速COMS相机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种结构微振动线域测量装置，包括

钨卤素灯光源模块，包括钨卤素灯光源、凸透镜，钨卤素灯光源发射的点光源经凸透镜准直为平行光束，用于振动探测；

迈克尔逊干涉仪模块，包括第一柱透镜、分光镜、参考镜、第二柱透镜，第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，分光镜将光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于待测微振动结构件表面，两束光经反射后重合发生干涉，并经第二柱透镜变为平行光束出射至二维光谱仪模块；

二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、第三柱透镜、面阵高速COMS相机，干涉光束经反射式光栅按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集获得二维干涉条纹，由此经计算机及图像处理软件计算即可获得线域二维振动信息；

计算机，用于对二维干涉条纹图像采集及传输模块的控制，并对传输到计算机的条纹图像信号进行存储和处理；

图像处理软件模块，用于对所述的条纹图像信号进行处理，获得线域二维振动信息。

在本发明一实施例中，还包括一单频激光光源、一第二分光镜；所述第二分光镜设于第二柱透镜与反射镜之间，所述单频激光光源发射的激光发射至第二分光镜一入光口，从而引入到光路中。

在本发明一实施例中，所述单频激光光源、第二分光镜用于为整个装置标定引入波长已知的特征谱线。

本发明还提供了一种基于上述所述装置的测量方法，包括如下步骤：

A、针对待测结构件位置调整参考镜位置及姿态，产生干涉信号；

B、采用面阵高速COMS相机图像采集模块对干涉条纹图像进行连续成像和记录，由于微振动结构件表面位置的变化，经结构件反射和背向散射的探测光路与参考光路光程差随着结构件变化，引起干涉条纹密度变化；

C、将采集到的干涉条纹图像序列传输到计算机，采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

D、图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

E、图像处理软件模块将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的***距离分辨率即得到振动结构件的线域检测表面位置，各个时刻位置的变化即为结构的线域检测振动位移。

在本发明一实施例中，该方法利用线域微振动的检测原理，具体如下：

二维频域光学相干振动层析***中，面阵高速COMS相机采集到的二维干涉图为参考光I_r与样品光I_s发生干涉矢量相加由面阵高速COMS相机感光元件感光而获得；参考光I_r可表示为：I_r(k,y,t)＝S_r(k)e^i2kr，其中k为光谱波数，r为参考光光程，S_r(k)为参考光的谱功率分布函数；样品光I_s可表示为I_s(k,y,t)＝S_s(k)e^{i2k(r+n*Δz(y,t))}

其中，S_s(k)为样品光的谱功率分布函数，n为光在空气中的折射率，n*Δz(y,t)为参考光与样品光光程差；二维干涉条纹I(k,y,t)可表示为：

I(k,y,t)＝|I_r(k,y,t)|²+|I_s(k,y,t)|²+2|I_r(k,y,t)||I_s(k,y,t)|cos(Δφ(k,y,t))

其中，Δφ(k,y,t)＝4πnΔz(y,t)k，Δz(y,t)为探测焦线上各点随时间变化的位移；

在一段时间内，对振动结构振动连续采集，获得一系列二维干涉条纹图，对采集的多幅二维干涉条纹I(k,y,t)的每行像素点光强进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率，乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的***距离分辨率即得到振动结构件的位移Δz(y,t)，此即为线域微振动的检测原理。

在本发明一实施例中，所述步骤E的具体实现过程如下：图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

能量重心法对各行像素点强度变化频率计算公式为

其中，f_i ¹为第i帧即i时刻条纹图像的归一化频率，G_k为离散频谱的最大值，k表示第k条离散功率谱线，G_k+j为第(k+j)条谱线的值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数。第i帧即i时刻条纹密度d_i与归一化条纹频率f_i ¹之间的计算公式为：

d_i＝f_i ¹N

其中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示，一种结构微振动线域测量装置，包括钨卤素灯光源模块，包括钨卤素灯光源、凸透镜，钨卤素灯光源发射的点光源经经凸透镜准直为平行光束，用于振动探测；迈克尔逊干涉仪模块，包括第一柱透镜、分光镜、参考镜、第二柱透镜，第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，分光镜将光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于待测微振动结构件表面，两束光经反射后重合发生干涉，并经第二柱透镜变为平行光束出射至二维光谱仪模块；二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、第三柱透镜、面阵高速COMS相机，干涉光束经反射式光栅按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集获得二维干涉条纹，由此经计算机及图像处理软件计算即可获得线域二维振动信息。该装置还包括单频激光光源、第二分光镜，以用于为整个装置标定引入波长已知的特征谱线。

如图2-6所示，上述装置的测量步骤如下：

A、针对待测结构件位置调整参考镜位置及姿态，产生干涉信号；而后，通过单频激光光源、第二分光镜，为整个装置标定引入波长已知的特征谱线(即获取面阵高速COMS相机的成像波长范围)，标定完成后，撤掉单频激光光源、第二分光镜；

B、采用面阵高速相机图像采集模块对干涉条纹图像进行连续成像和记录，由于微振动结构件表面位置的变化，经结构件反射和背向散射的探测光路与参考光路光程差随着结构件变化，引起干涉条纹密度变化；；

C、将采集到的二维干涉条纹图像序列传输到计算机，采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

D、图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换(FFT)，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

E、图像处理软件模块将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的***距离分辨率即得到振动结构件的线域检测表面位置，各个时刻位置的变化即为结构的线域检测振动位移。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种结构微振动线域测量装置，其特征在于，包括

钨卤素灯光源模块，包括钨卤素灯光源、凸透镜，钨卤素灯光源发射的点光源经凸透镜准直为平行光束，用于振动探测；

迈克尔逊干涉仪模块，包括第一柱透镜、分光镜、参考镜、第二柱透镜，第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，分光镜将光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于待测微振动结构件表面，两束光经反射后重合发生干涉，并经第二柱透镜变为平行光束出射至二维光谱仪模块；

二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、第三柱透镜、面阵高速COMS相机，干涉光束经反射式光栅按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集获得二维干涉条纹，由此经计算机及图像处理软件计算即可获得线域二维振动信息；

计算机，用于对二维干涉条纹图像采集及传输模块的控制，并对传输到计算机的条纹图像信号进行存储和处理；

图像处理软件模块，用于对所述的条纹图像信号进行处理，获得线域二维振动信息；

还包括一单频激光光源、一第二分光镜；所述第二分光镜设于第二柱透镜与反射镜之间，所述单频激光光源发射的激光发射至第二分光镜一入光口，从而引入到光路中；

所述单频激光光源、第二分光镜用于为整个装置标定引入波长已知的特征谱线。

2.一种基于权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、针对待测结构件位置调整参考镜位置及姿态，产生干涉信号；

B、采用面阵高速COMS相机图像采集模块对干涉条纹图像进行连续成像和记录，由于微振动结构件表面位置的变化，经结构件反射和背向散射的探测光路与参考光路光程差随着结构件变化，引起干涉条纹密度变化；

C、将采集到的干涉条纹图像序列传输到计算机，采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

D、图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

E、图像处理软件模块将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的***距离分辨率即得到振动结构件的线域检测表面位置，各个时刻位置的变化即为结构的线域检测振动位移。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法利用线域微振动的检测原理，具体如下：

二维频域光学相干振动层析***中，面阵高速COMS相机采集到的二维干涉图为参考光I_r与样品光I_s发生干涉矢量相加由面阵高速COMS相机感光元件感光而获得；参考光I_r可表示为：I_r(k,y,t)＝S_r(k)e^i2kr，其中k为光谱波数，r为参考光光程，S_r(k)为参考光的谱功率分布函数；样品光I_s可表示为I_s(k,y,t)＝S_s(k)e^{i2k(r+n*Δz(y,t))}

其中，S_s(k)为样品光的谱功率分布函数，n为光在空气中的折射率，n*Δz(y,t)为参考光与样品光光程差；二维干涉条纹I(k,y,t)可表示为：

I(k,y,t)＝|I_r(k,y,t)|²+|I_s(k,y,t)|²+2|I_r(k,y,t)||I_s(k,y,t)|cos(Δφ(k,y,t))

其中，Δφ(k,y,t)＝4πnΔz(y,t)k，Δz(y,t)为探测焦线上各点随时间变化的位移；

在一段时间内，对振动结构振动连续采集，获得一系列二维干涉条纹图，对采集的多幅二维干涉条纹I(k,y,t)的每行像素点光强进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率，乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的***距离分辨率即得到振动结构件的位移Δz(y,t)，此即为线域微振动的检测原理。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤E的具体实现过程如下：图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

能量重心法对各行像素点强度变化频率计算公式为

其中，f_i ¹为第i帧即i时刻条纹图像的归一化频率，k表示第k条离散功率谱线，G_k+j为第(k+j)条谱线的值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数；第i帧即i时刻条纹密度d_i与归一化条纹频率f_i ¹之间的计算公式为：

d_i＝f_i ¹N

其中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数。