本發(fā)明涉及振動(dòng)測(cè)試分析，尤其是一種基于單點(diǎn)激光掃描的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、振動(dòng)測(cè)試在于通過(guò)傳感器、放大儀器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，測(cè)量運(yùn)動(dòng)機(jī)械或工程結(jié)構(gòu)在激振器激勵(lì)或運(yùn)行工況中的位移、速度、加速度、應(yīng)變、力等物理量，從而了解機(jī)械或結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)以及力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。

2、傳感器中，加速度傳感器因其魯棒性、靈敏性、寬帶寬等特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。然而由于加速度傳感器需要附著于結(jié)構(gòu)被測(cè)點(diǎn)處，對(duì)于全場(chǎng)振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量需求雖然可以通過(guò)移動(dòng)傳動(dòng)器逐點(diǎn)測(cè)量來(lái)滿足，但極大增加了測(cè)量的復(fù)雜性。以掃描激光多普勒測(cè)量與數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量等非接觸式測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為全場(chǎng)振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量提供了新方法。

3、掃描激光多普勒測(cè)振儀通過(guò)測(cè)量反射激光頻率的多普勒頻移來(lái)獲取被測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)控制光束的角度使激光端點(diǎn)到達(dá)場(chǎng)內(nèi)的被測(cè)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)面內(nèi)多測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量。然而，掃描激光多普勒測(cè)振儀在應(yīng)用中存在一些不足，如掃描頻率不能和被測(cè)物體的振動(dòng)頻率及其諧波頻率一致，掃描范圍及測(cè)點(diǎn)數(shù)受限，光束角度變化后與被測(cè)表面不再垂直導(dǎo)致測(cè)量精度受影響，價(jià)格高昂等。數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)則是對(duì)結(jié)構(gòu)表面變形前后的散斑圖運(yùn)用算法得到全場(chǎng)位移和應(yīng)變。然而，由于該方法基于密集的圖像變化，靈敏度不如掃描激光多普勒，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)空間與運(yùn)算性能需求很高，所需多個(gè)高速攝像機(jī)價(jià)格昂貴，同步性要求高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種基于單點(diǎn)激光掃描的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試方法和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)結(jié)構(gòu)全場(chǎng)振動(dòng)響應(yīng)的精確測(cè)量。

2、本發(fā)明的目的主要是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明一方面公開(kāi)了一種基于單點(diǎn)激光掃描的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試方法，包括：

4、步驟s1、在被測(cè)結(jié)構(gòu)的測(cè)試面上設(shè)置一組被測(cè)點(diǎn)；在平行于測(cè)試面的二維空間中確定一組與被測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的激光位移傳感器的停駐點(diǎn)；

5、步驟s2、設(shè)置遍歷停駐點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑；在運(yùn)動(dòng)路徑的每一個(gè)停駐點(diǎn)上停駐的激光位移傳感器均能以垂直方式照射對(duì)應(yīng)的被測(cè)點(diǎn)；

6、步驟s3、設(shè)置一組激振頻率；以設(shè)定的激振周期遍歷各激振頻率對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)；在每個(gè)激振周期內(nèi)，激光位移傳感器按照設(shè)置的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)行走停駐方式，在每個(gè)停駐點(diǎn)上采集對(duì)應(yīng)被測(cè)點(diǎn)位置上被測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)；

7、步驟s4、根據(jù)對(duì)各激振頻率下采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析得到的全場(chǎng)振動(dòng)響應(yīng)，確定出被測(cè)結(jié)構(gòu)在各激振頻率下的包括響應(yīng)振型以及幅值大小在內(nèi)的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。

8、進(jìn)一步地，在被測(cè)結(jié)構(gòu)的測(cè)試面上設(shè)置的被測(cè)點(diǎn)均勻且充分的覆蓋所述測(cè)試面，記錄被測(cè)點(diǎn)在測(cè)試面上的相對(duì)坐標(biāo)和序號(hào)；

9、在平行于測(cè)試面的二維空間上設(shè)置的停駐點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，是被測(cè)點(diǎn)在二維空間中的投影；

10、激光位移傳感器在每個(gè)停駐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)與被測(cè)面始終保持垂直，激光正入射，光斑能量均勻；

11、設(shè)置的運(yùn)動(dòng)路徑使激光位移傳感器能夠單次遍歷每個(gè)停駐點(diǎn)，在每個(gè)停駐點(diǎn)靜止固定時(shí)長(zhǎng)；使運(yùn)動(dòng)路徑的初始點(diǎn)和終止點(diǎn)重合，路徑閉合；記錄運(yùn)動(dòng)路徑中所遍歷每個(gè)停駐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的被測(cè)點(diǎn)的序號(hào)。

12、進(jìn)一步地，采用兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)確定平行于測(cè)試面的二維空間，將單點(diǎn)激光傳感器固定在兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)上，采用步進(jìn)電控方式控制兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)帶動(dòng)激光位移傳感器在二維空間中，按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)行走停駐遍歷每一個(gè)停駐點(diǎn)，采用靜止測(cè)量的方式進(jìn)行被測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)量。

13、進(jìn)一步地，在被測(cè)結(jié)構(gòu)上安裝壓電纖維片的方式，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)；通過(guò)對(duì)壓電纖維片施加一組設(shè)定頻率的激勵(lì)信號(hào)，使壓電纖維片激勵(lì)被測(cè)結(jié)構(gòu)按照設(shè)定的頻率振動(dòng)。

14、進(jìn)一步地，所述設(shè)置一組被測(cè)結(jié)構(gòu)的激振頻率，為以固定間隔頻率值進(jìn)行等間隔增加或減小的一組頻率；該組頻率的最大值和最小值的范圍覆蓋對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)關(guān)注的頻率范圍；固定間隔頻率值的選取使激振頻率點(diǎn)均勻而密集的分布于測(cè)量頻段中，其中含有若干階固有頻率；

15、在測(cè)試過(guò)程中，對(duì)壓電纖維片施加步進(jìn)掃頻的激振信號(hào)，掃頻周期固定且不小于激光位移傳感器在運(yùn)動(dòng)路徑的行走周期；在逐個(gè)掃頻周期的掃頻控制下，激振信號(hào)頻率以固定間隔頻率值等間隔增加或減小，信號(hào)幅值保持不變。

16、進(jìn)一步地，所述步驟s4，包括：

17、1）存儲(chǔ)在各激振頻率下激光位移傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列；

18、2）采用基于小波變換分析的濾波器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列的頻域分解和時(shí)域重構(gòu)，得到重構(gòu)后的振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列；

19、在小波變換的頻域分解中對(duì)各級(jí)dwt系數(shù)進(jìn)行修正，保留各激振頻率項(xiàng)，衰減其他頻率項(xiàng)，在idwt重構(gòu)后得到保留各激振頻率項(xiàng)的重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列；

20、3）將重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列按照各激振頻率進(jìn)行分塊，每個(gè)分塊的信號(hào)時(shí)間序列為一個(gè)激振頻率下重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列；

21、4）對(duì)于每個(gè)分塊的信號(hào)時(shí)間序列，按照運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)置時(shí)記錄的遍歷每個(gè)停駐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的被測(cè)點(diǎn)的序號(hào)，按照設(shè)置被測(cè)點(diǎn)時(shí)記錄的被測(cè)點(diǎn)在測(cè)試面上的相對(duì)坐標(biāo)和序號(hào)；為信號(hào)時(shí)間序列中各信號(hào)分配測(cè)試面上的坐標(biāo)；形成以測(cè)試面為平面坐標(biāo)以重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)幅度為豎坐標(biāo)的振動(dòng)信號(hào)分布三維圖，每個(gè)激振頻率對(duì)應(yīng)一幅振動(dòng)信號(hào)分布三維圖；

22、從振動(dòng)信號(hào)分布三維圖中振動(dòng)幅度的分布和幅值獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同激振頻率包括響應(yīng)振型以及幅值大小在內(nèi)的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。

23、本發(fā)明還公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)上所述的基于單點(diǎn)激光掃描的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試方法的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，包括：激光傳感模塊、步進(jìn)路徑模塊、激振模塊和數(shù)據(jù)采控處理模塊；

24、激光傳感模塊與步進(jìn)路徑模塊固定連接，激振模塊與被測(cè)結(jié)構(gòu)固定連接，數(shù)據(jù)采控處理模塊與所述激光傳感模塊、步進(jìn)路徑模塊和激振模塊電連接；

25、所述激振模塊，用于在數(shù)據(jù)采控處理模塊的控制下，采用設(shè)定的激振頻率激勵(lì)被測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)；

26、所述步進(jìn)路徑模塊設(shè)置在被測(cè)結(jié)構(gòu)的測(cè)試面的對(duì)側(cè)，用于在數(shù)據(jù)采控處理模塊的控制下，帶動(dòng)激光傳感模塊以設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)行走停駐方式，遍歷每個(gè)停駐點(diǎn)；

27、所述激光傳感模塊，用于在數(shù)據(jù)采控處理模塊的控制下，在每個(gè)停駐點(diǎn)上對(duì)測(cè)試面上對(duì)應(yīng)的被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集；

28、所述數(shù)據(jù)采控處理模塊，用于控制激振模塊、步進(jìn)路徑模塊和激光傳感模塊的工作，并接收激光傳感模塊在各激振頻率下采集的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)后處理進(jìn)行信號(hào)分析和力學(xué)動(dòng)態(tài)特性分析。

29、進(jìn)一步地，所述步進(jìn)路徑模塊包括電機(jī)控制器、兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)與直流電源；

30、所述兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)用于承載激光傳感模塊進(jìn)行二維空間步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；

31、所述電機(jī)控制器與兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)連接，用于二維空間運(yùn)動(dòng)控制；

32、所述直流電源分別與兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)和電機(jī)控制器連接；進(jìn)行直流供電；

33、所述兩軸滾珠絲桿滑臺(tái)包括相互連接的垂直滾珠絲桿滑臺(tái)和水平滾珠絲桿滑臺(tái)；激光傳感模塊固定在垂直滾珠絲桿滑臺(tái)上或水平滾珠絲桿滑臺(tái)上。

34、進(jìn)一步地，所述激振模塊，包括功率放大器與壓電纖維片；

35、壓電纖維片粘接于被測(cè)結(jié)構(gòu)上，功率放大器與壓電纖維片電連接；

36、所述功率放大器還與接線盒電連接，從接線盒接收激振信號(hào)進(jìn)行功率放大后輸出到壓電纖維片；

37、所述壓電纖維片與功率放大器連接，粘接于被測(cè)結(jié)構(gòu)上，將輸入的激振信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)頻率的機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)，驅(qū)動(dòng)被測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

38、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采控處理模塊，包括計(jì)算機(jī)、數(shù)字i/o板卡與接線盒；

39、所述數(shù)字i/o板卡搭載于計(jì)算機(jī)，用于信號(hào)的發(fā)送與采集；

40、所述接線盒與數(shù)字i/o板卡連接，用于線路的保護(hù)與連接，建立數(shù)字i/o板卡與激光傳感模塊、步進(jìn)路徑模塊和激振模塊的數(shù)據(jù)連接；

41、所述計(jì)算機(jī)，用于系統(tǒng)總控、功能程序?qū)懭胍约皵?shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理分析。本發(fā)明有益效果如下：

42、本發(fā)明的中基于單點(diǎn)激光掃描的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試方法和系統(tǒng)，在測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)時(shí)單點(diǎn)激光保持靜止，不引入噪聲；采用正入射測(cè)量，光斑能量均勻，測(cè)量精度高；步進(jìn)控制精度高，重定位準(zhǔn)確位置誤差??；各激振頻率下，激光傳感器自動(dòng)按設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，完成全場(chǎng)振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量，測(cè)試過(guò)程中不需要人工操作，無(wú)時(shí)間累計(jì)誤差；通過(guò)壓電纖維片施加激勵(lì)，體積小，重量輕，侵入程度小，激振頻率范圍廣；

43、綜上，本發(fā)明通過(guò)單個(gè)激光位移傳感器完成振動(dòng)測(cè)量，價(jià)格便宜，極大地降低了全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試的成本。