撰稿 | Lance（華中科技大學(xué)，博士生）

振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，從基本粒子的布朗運(yùn)動（名詞解釋>）到人體的鼓膜和聲帶，振動無處不在。作為物質(zhì)的一種基本運(yùn)動形式，廣義上的振動是描述一切物質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)的物理量在某一數(shù)值附近做周期性的變化。

因此，測量振動的物理變量，探討各種振動現(xiàn)象的機(jī)理，闡明振動的基本規(guī)律，可以為解決實(shí)踐中可能產(chǎn)生的振動問題提供理論依據(jù)。

在工程技術(shù)領(lǐng)域，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行和刀具切削過程中的振動會影響精密儀器設(shè)備的功能，降低加工精度和光潔度，加劇構(gòu)件的疲勞和磨損，從而縮短機(jī)器和結(jié)構(gòu)物的使用壽命。振動還可能引起結(jié)構(gòu)的大變形破壞，建筑結(jié)構(gòu)和橋梁在風(fēng)或地震載荷下因振動而坍毀，飛機(jī)機(jī)翼的顫振和機(jī)輪的抖振造成事故，如圖1所示。

圖1：橋梁震動（圖源：Brown University）

對變形和振動的精確測量是工業(yè)應(yīng)用中的關(guān)鍵。目前應(yīng)用最廣泛的振動測量方式是激光多普勒測振儀（LDV）（名詞解釋>），它能夠?qū)崿F(xiàn)在高時(shí)間和空間分辨率下的物體振動測量。但由于測量原理限制，LDV往往只能進(jìn)行單點(diǎn)測量，一旦需要多個(gè)區(qū)域的同步測量，布置多個(gè)LDV裝置的方案不僅成本高昂且難以實(shí)施。

針對多個(gè)位置的振動同步測量，目前的主要的發(fā)展方向?yàn)?strong>多波束LDV和多傳感器，但這些方案要么受到波束定向靈活性的限制，要么在傳感器頭調(diào)整、信號同步方面成本高昂。

雖然也有方法如掃描激光干涉儀，可用于測量全場振動，但它無法在測量時(shí)同步獲得信號，因此無法測量瞬態(tài)信號。

鑒于此，來自德國斯圖加特大學(xué)的 Wolfgang Osten 教授的研究小組提出了一種靈活適用的高分辨多點(diǎn)實(shí)時(shí)振動測量方法。

該成果以“Multi-positional image-based vibration measurement by holographic image replication”為題發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing。

該方法基于成像測量原理，將單個(gè)光源的全息圖像復(fù)制到圖像傳感器上，可在148 mm×110 mm的范圍內(nèi)同時(shí)測量多個(gè)位置的絕對和相對振動，可以清晰地檢測到100 nm的振幅和1000 Hz的頻率。并且，所有實(shí)驗(yàn)均使用最先進(jìn)的振動計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

與傳統(tǒng)的振動測量方法相比，該方法不需要對小振幅進(jìn)行校準(zhǔn)，并具備同時(shí)測量多個(gè)光源之間相對運(yùn)動的能力。研究小組進(jìn)一步證明了在省略帶通濾波的情況下，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)之間的相對振蕩。

物體振動測量的基本方法如圖2所示。多個(gè)光點(diǎn)（顯示為紅色）被照射到振動物體上，并將其成像到攝像機(jī)上。通過以固定采集幀率監(jiān)測每個(gè)光點(diǎn)的位置，可以將每個(gè)幀之間的移動歸因于物體振動和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境振動的疊加。同時(shí)，一個(gè)靜態(tài)光點(diǎn)（綠色）未照射到振動對象，它僅暴露于環(huán)境振動中。通過計(jì)算物體和靜態(tài)光點(diǎn)之間的相對位移，可以補(bǔ)償環(huán)境誤差源，如空氣湍流和傳感器噪聲。

圖2：振動測量方法示意圖（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

基于空間平均原理，研究人員將單個(gè)光源的光斑以全息方式復(fù)制成一組N=21個(gè)光斑。如圖3所示，通過使用光刻制作的衍射光學(xué)元件（DOE）生成光斑簇，放置在雙遠(yuǎn)心透鏡的傅里葉平面中。根據(jù)傅里葉移位定理可知，如果光源移動，所有復(fù)制的光點(diǎn)移動量相同。通過計(jì)算光斑簇中所有光斑中心的平均值，理想的光源位置精度可以提高√N(yùn)倍。

圖3：基于衍射光學(xué)元件的光斑簇生成（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

為了測量每個(gè)光斑的振動，需要計(jì)算圖像中每個(gè)相應(yīng)簇的位置。圖4總結(jié)了確定亞像素簇位置的過程。

圖4：圖像處理過程示意圖（圖源：Light: Advanced Manufacturing）

步驟1：選取一個(gè)光斑簇的圖像區(qū)域，通過模糊卷積和局部極大值算法對每個(gè)光斑的粗略位置進(jìn)行定位，將光斑位置（標(biāo)記為藍(lán)色十字）在模板坐標(biāo)系中標(biāo)出，并存儲在矢量圖中（圖4a）。

步驟2：對每個(gè)圖像中的光斑簇位置進(jìn)行粗略定位（圖4b）。使用與步驟1中的模板坐標(biāo)系的互相關(guān)找到每個(gè)簇的左上角。對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行模糊處理，采用局部極大值算法得到局部極大值。

步驟3：將步驟1中的點(diǎn)地圖坐標(biāo)與步驟2中的粗略簇位置相結(jié)合。在光斑粗中的每個(gè)單點(diǎn)周圍標(biāo)記藍(lán)色方塊（圖4c）。通過計(jì)算在環(huán)境和物體上的光標(biāo)記之間的相對運(yùn)動，即可測得物體的振幅和頻率。

總的來說，這項(xiàng)工作提出了一種低成本且靈活的振動測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的大范圍振動測量。

這種多點(diǎn)實(shí)時(shí)的測量方法在工業(yè)應(yīng)用中，如汽車發(fā)動機(jī)和車身零件的振動監(jiān)測，可以有效提升振動的測量精度和效率。

對于更大的應(yīng)用場景，如橋梁或建筑物，也可以使用這種多點(diǎn)的測量方法，并且在外部干擾下也能實(shí)現(xiàn)高分辨率，從而滿足復(fù)雜環(huán)境下對振動測量的需求。

| 論文信息 |

Hartlieb et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:32

http://dx.doi.org/10.37188/lam.2021.032

本文編輯 | 趙陽

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