激光测振仪技术需求
LDV激光测振与3D视觉传感技术融合的实践与展望
LDV激光测振与3D视觉传感技术融合的实践与展望严建伟(浙江舜宇智能光学技术有限公司，浙江省杭州市310000)摘要：随着LDV激光测振技术与3D视觉技术的迅猛发展，两项应用性技术的有效结合及融合发展的产品已广泛应用于各行业.同时衍生出应用于不同领域、具有各种特殊功能性的科技产品.着重介绍相关产品的研发实践过程和产品展望.关键词：3D视觉；激光测振1引言随着智能化产业的高速发展，3D视觉技术与LDV 测振技术融合的产品，已广泛应用于工、农、医和物联网等产业，并呈落地之势。
本文以应用实例，全面论述了融合技术的产品发展过程和未来产品趋向。
2振动概述2.1振动起源在大自然、人们日常生活中，振动是常见的一种自然现象。
古代，智慧的劳动人民就已发现釆用振动的方式可以清理掉衣物表面上的尘埃。
17世纪初，伽利略开始了研究单摆周期和物体振动；17世纪中叶，荷兰物理学家克里斯蒂安•惠更斯(Christiaan Huygens)从系统理论上对振动展开了深入研究。
2.2振动分类振动可分为宏观振动和微观振动。
在大规模机械加工过程中，不良振动会导致机械加工件表面光洁度不合格，影响产品质量。
在加工过程中，过度的不良振动会对机床寿命、刀具的磨损度产生直接影响。
交通运输上，航空飞行器上出现的机翼猛烈振动，会导致机毁人亡事故。
建筑工程上出现的失控振动，将导致建筑物墙体开裂及整体倒塌。
2.3振动的基本参数及相关公式可用于正弦或余弦函数描述的振动过程称为简谐振动,振动的参数有位移、速度和加速度。
振动位移X=^sin(®r+^>)(1)振动速度V=—=Aa)sin\ot+<Z>+—|(2)d/I2)振动加速度a==Aa)2sin^coT+0+n)(3)式中，&为振动的最大值，称为振幅；®为园频率。
振动三要素为振幅4、频率/和相位角0。
2.4振动检测分类在工农业生产过程及人们日常生活中，振动的安全检测控制甚为重要。
多普勒激光测振仪扫描式激光测振仪影像测量仪
Hale Waihona Puke 应用领域MEMS器件（微机电系统）的振动特性 连续的频域振动特性 MEMS的故障分析以及可靠性测试 MEMS运动特性分析
参数
点直径 频率响应范围 最大测量速度
低通滤波 * 可定制
物镜
MLV-100 显微激光测振仪
10um *
1Hz–100KHz,50KHz-1.5MHz *
面外
50mm/sec ,500mm/s,3m/sec
30mm 120mm/s，12m/s（可选）
5Hz~100kHz 1.00%
4um/s，400um/s（可选） 1.6nm 0.04nm
0.00157g 0.063g
１１
显微激光测振仪
简介
MLV-100显微激光测振仪通过显微光学系统可实现对微小 物体的振动测量，使激光光斑达到微米量级，提高测量的准确 性，并可通过显微成像系统实时观察物体的振动状态。
特点
对各类型振动进行非接触测量 多功能和精确的算法提供所有有用信息 动态测量范围广 >90dB 设计紧凑、结构牢固 使用红色激光，安全可见 完整的解决方案：包含了光学、信号处理、软件以及数据采集 便携，可固定于三角架
２
３
远距离激光测振仪
简介
LV-S01-LD 远距离激光测振仪采用先进的动态激光干涉技术 和光电图像处理技术，以非接触式测量方式，对各种物体的变形 及振动、速度及位移等进行测量。它由激光测振系统、振动控制 器和图象处理器等组成。可与望远镜系统相匹配，实现大型物体 的远距离测试。
激光测振仪公式
激光测振仪公式
摘要：
1.激光测振仪概述
2.激光测振仪的工作原理
3.激光测振仪的应用领域
4.激光测振仪的优缺点
5.结语
正文：
一、激光测振仪概述
激光测振仪是一种先进的非接触式测量仪器，可以对物体的振动特性进行可视化测量分析。
它通过在单点激光测振仪前面加两个扫描镜，运动控制系统控制扫描镜的偏转角度，来实现x、y 方向上的扫描测振。
此外，激光测振仪还配备摄像系统和软件分析系统，能实现二维、三维动画显示及数据分析等功能。
二、激光测振仪的工作原理
激光测振仪的工作原理是利用激光束对物体表面进行扫描，通过测量激光束在物体表面上的反射时间和幅度变化，来分析物体的振动特性。
配备的摄像系统可以捕捉物体表面的激光反射信号，并将其传输给软件分析系统，从而实现对物体振动的实时监测和分析。
三、激光测振仪的应用领域
激光测振仪广泛应用于大型结构、高温、柔软物体等接触式测量无法满足
的振动测量场景。
此外，激光测振仪还可以用于机械制造、航空航天、汽车工程、土木工程等领域，对各种结构和材料的振动特性进行测量和分析。
四、激光测振仪的优缺点
激光测振仪具有非接触式测量、高精度、高效率、灵活性高等优点。
但是，激光测振仪也存在一定的局限性，例如对测量距离和物体表面的反射性能有一定的要求，同时在复杂环境下的测量精度可能会受到影响。
五、结语
激光测振仪作为一种先进的非接触式测量仪器，具有广泛的应用前景和重要的实用价值。
激光测振原理及应用
（17—16）
由（17—15）式、（17—16）式解得速度分量为
Vx
= Vzx
− Vz cosθ sin θ
（17—17）
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Vy
=
Vzy
− Vz cosψ sin ψ
图 17—7 用时间平均法 ESPI 测量传统乐器 Veena 振动的图像
涉条纹不随振幅增加而衰减，缺点是振动节线不明显。该方法对非正弦振动也可以进行测量。 随着激光技术的飞速发展，多脉冲激光器发出的脉冲激光的光脉冲时间极短，约为几十
纳秒，可以用来做全息振动测量的光源。
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v x
u
个位移分量的时间函数， u(x, y, z, t), v(x, y, z,t), w(x, y, z,t) 。 在 非 接触式测量方法中，各种激光测量方法， 因原理不同，可以分别实现物体表面的点
w z
图 17—1 物体的振动及坐标系
测量或物体表面的面（场）测量，并且激
光束的入射方向与物体的表面法线方向应满足一定的几何要求。
间隔δt 中，假定 P 移动到 P′ 的距离为 Vδt。 在光程中周期数将减少为
− δn
=
PN λ
+
PN ′ λ ′′
（17—7）
其中 PN 和 PN′分别是向 SP 和 PO 作的垂线，PP′为无限小，λ 和λ″ 是散射前后的波长。
（17—7）可表示为
− δn
=
Vδt
cos θ1 λ
+
激光测振仪工作原理
激光测振仪工作原理：
激光测振技术依赖于光的多普勒效应，用于测量振动物体的物理参数。
当相干激光光束照向振动物体时，由于多普勒效应，光的频率会发生调制，产生激光多普勒效应，体现为激光频偏（fd）。
通过激光干涉技术，将照射物体并反射回的激光光束与参考光束进行干涉，最终在光电探测器（PD）上探测得到多普勒频偏（fd），从而获得振动物体的物理参数。
多普勒激光干涉测振技术路线：激光多普勒测振技术包括外差干涉和零差干涉两种。
外差干涉对照射物体的光束或参考光束的其中一路施加一个固定频率的移频，干涉后得到一个包含载波的调频信号，再通过锁相环
技术或正交混频得到多普勒频偏或相位，直接对应振动物体的振动速度或相对位移。
零差干涉则对照射物体的光束和参考光束进行零频率处理，直接干涉得到一个零频附近（不包含载波）的调频信号，通过光学方式同时得到I和Q的信号，后续通过鉴相解调方式，得到相位，直接对应振动物体的相对位移。
激光多普勒测振技术及方案
1.1 多普勒频移概念
多普勒频移效应是为了纪念克里斯琴·多普勒·约翰而命名的，他于 1842 年提出这一理论， 主要内容为： 物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而 产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高。在运 动的波源后面，波被拉长，波长变得较长，频率变得较低。波源的速度越高，产 生的频移效应越大。 多普勒效应是速度测量中所用到的最主要的物理效应。假设一个固定波源发 出频率为 f s 的单频波，波的传播速度为 c ，波长为 ，观测者相对于波源的运动 速度为 v ，观测者接收到的波频率为 f ，产生的频移量为 f 。下面我们做一个 简单的推导： 如果波源和观测者都不动，那么时间 t 内观测者接收到 tf s 个波长。如果观测 者相对于波源以速度 v 运动（向波源方向运动为正，相反为负） ，那么相当于在 vt 时间 t 内，观测者多接收到了 个波长。
一个参数，就可以得到物体的振动频率。因此，可以利用激光多普勒技术测量叶 片的瞬时振动位移、速度来得到叶片的振动频率。
方案一：激光干涉法测量叶片振动位移
1. 光路如下图：
角锥反射镜
PBS 激光器 角锥反射镜
信号处理
光敏二极管
图 2.1 激光干涉法测位移光路一
图 2.2 激光干涉法测位移光路二
2.测量原理 （1）光的干涉：干涉现象是光的波动性独有的特性，两列或几列光波在空 间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终削弱，形成稳定的 强弱分布的现象，称之为光的干涉现象。明与暗的间隔为半个波长，即 。 2 干涉产生的条件： 只有两列光波的频率相同， 相位差恒定， 振动方向一致 （光 具有偏振现象）的相干光源，才能产生光的干涉。 （2）利用光的干涉测量位移的原理：如图 2.1 和 2.2，如果被测物体位置改 变时，反射光路的长度发生变化，干涉时相位会发生改变，反映在干涉条纹上的 现象是， 明暗交替的干涉条纹会沿着一个方向运动。通过光探测器来检测通过某 个点的光强变化，可以“数”出条纹的移动距离，来推算出物体的移动距离。 如图 2.1，一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。 另一个角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量光线。从激光头射出的 激光光束具有稳定的单一频率， 当此光束到达偏振分光镜时，被分成两束光—— 反射光束和透射光束。 两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后反射回分光镜 中，在探测器中形成干涉光束。如果两光光程差不变化，探测器将在相长干涉和 相消干涉的两端之间的某个位置观察到一个稳定的信号（即干涉条纹不动） 。如 果两光程差发生变化， 每次光路变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两 端之间的信号变化，这些条纹被数出来，用于计算光程差的变化，测量的长度等 于条纹数乘以激光波长的一半，即 s n 。 2 图 2.2 的光路，与图 2.1 类似，因为接收器的位置与激光器相差 90 度，因 此角锥反射镜可被反射镜代替，但系统占用空间较大。 3.系统组成 激光器、 半透半反镀银分光镜 PBS、 反射镜 （或角锥反射镜） 、 光敏二极管 （或 光电倍增管） 、示波器（或信号处理与采集系统） 4.系统适用范围 低频大振幅或高频小振幅的振动情况。由于多普勒频移的存在，使得测量结 果受到一定影响，如果振动速度不大，对于测量平均位移来说仍有较高的精度。
激光多普勒测振仪
面外激光多普勒测振仪
SIS研发生产的面外LV-S01型激光多普勒测振仪，采用了外 差式激光干涉原理，可以对各种物体的振动、速度及位移 等进行非接触测量。具有测量精度高，抗干扰能力强，结 构设计坚固紧凑、易于使用等特点。
技术特点
采用先进的外差干涉技术 通过非接触式测量，对各种物体的 振动、速度及位移等进行测量 高空间分辨率 精巧的内部设计，坚实的外部防撞 设计，以及多种可以适用不同工业 领域的要求的光传感器 可以通过CCD镜头实时的观察检测 范围 多种配套振动分析软件 完整测量解决方案
Experiments
A typical radial runout measurement of a 3.5” HDD with media platters
Laser Beam Tested Surface Mirror
A typical axial runout measurement of a 3.5” drive with 3 platters
Experiments
Tested Drives
Drive 1 (new model) 10,601 nm 50 - 70 nm
Drive 2 (old model) 15,189 nm 187 - 207 nm
Axial RRO Axial NRRO
The errors caused by rotor position detection or signal synchronously sampling have been minimized. System resolution and accuracy will mainly depend on the sensors.
N 1 N j j j j 1 j j NRRO ( i , j ) z ( , r ) z ( , r z Pi i Pi Pi i Pi ) NRROr (i, j ) rPi (i ) rPi (i ) N j 1 N j 1 Error sources of NRRO: r
激光测振仪
激光测振仪
激光测振仪简介
激光测振仪是基于光学干涉原理，采用非接触式的测量方式，可以应用在许多其他测振方式无法测量的任务中。
频率和相位响应都十分出色，足以满足高精度、高速测量的应用。
使用非接触测量方式，还可以检测液体表面或者非常小物体的振动，同时，还可以弥补接触式测量方式无法测量大幅度振动的缺陷。
激光测振仪原理
He-Ne 激光器发出一定频率的偏振光（设频率为F0）由分光镜分成两路，一路作为测量，一路用于参考。
测量光通过声光调制器具有一定频移（F）,再被聚焦到被测物体表面，物体振动引起多普勒频移（f）。
系统再收集反射光与参考光汇聚在传感器上，这样两束光产生在传感器表面产生干涉，干涉信号的频率为F+f，携带了被测物体的振动信息。
信号处理器将频移信号转换为速度和位移信号。
应用领域
激光测振仪采用非接触式动态干涉测量技术，在以下各方面有广泛的应用：
l 马达回转动态精度测试；
l 机床动态精度测试；
l 生命科学、医学、动物学研究；
l 汽车工业：发动机、齿轮、制动器、轮胎、排气系统、车身等；
l 微机电系统（MEMS）动态测试；
l 桥梁、建筑振动测试。
激光测振仪主要技术参数
操作温度
3°C~45°C
操作湿度
<90% 电源
100~230Vrms 50-60hz 激光
氦氖激光632.8nm 工作距离
0.35m~20m 最大速度范围
10m/s 频率范围
DC~2.5MHz 典型精度 1% 激光测振仪光学头 激光测振仪控制箱。
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激光测振仪技术需求：
1. 使用范围广泛，可测量从原子级微弱振动到数十万g冲击；
2. *高灵敏度测量激光光源：红外激光，波长1550nm，功率小于10mW，对人眼安全；
3. *具备自动聚焦功能，自动聚焦时间小于3s；
4. *可通过控制器按键和远程式软件，对激光进行自动聚焦，并且可以手动调节焦距大小，设备带有RS-232接口，可以通过电脑进行远程控制；
5. *为保证光学头极高的光学灵敏度，以及光学和电气互不干扰性，自动聚焦式光学头与控制器采用分离式结构（非镜头与激光头分离）；
6. 控制器采用触摸屏式按键，并带有可选灵敏度、通道等信息，方便振动测量时设置激光测振仪参数；
7. 定位激光为绿色可见激光，功率小于1mW，对人眼安全；
8. 激光安全标准：IEC/EN60825-1；
9. 最新数字式解码技术；
10. *速度量程：±25m/s；
11. 最小速度分辨率：≤0.15微米/秒/HZ带宽；
12. 位移量程：最高125mm;
13. 最小位移分辨率：1.5pm;
14. *模拟电压输出：±10V，采用BNC接口，可与LMS、示波器等各种通用数据采集记录设备连接；
15. 频率范围：DC-2.5MHz；
16. 工作距离：0.4-50m；
17. 被测物体表面无需进行贴膜或者喷漆等表面处理，即可测量出物体的振动参数；
18. 速度解码器：包含14个输出档位；
19. 设备厂商的研发和生产部门成立不少于15年，需有多年的激光测振经验；
20. *设备厂商提供的型号须为成熟产品，不接受在研或者定制型号；
21. *设备厂商在国内设有检测维修处，提供本地检测及维修服务；。