一种基于单点激光扫描的全场振动测试方法和系统

本发明涉及振动测试分析，尤其是一种基于单点激光扫描的全场振动测试方法和系统。

背景技术：

1、振动测试在于通过传感器、放大仪器以及数据采集设备，测量运动机械或工程结构在激振器激励或运行工况中的位移、速度、加速度、应变、力等物理量，从而了解机械或结构的工作状态以及力学动态特性。

2、传感器中，加速度传感器因其鲁棒性、灵敏性、宽带宽等特点，应用最为广泛。然而由于加速度传感器需要附着于结构被测点处，对于全场振动响应测量需求虽然可以通过移动传动器逐点测量来满足，但极大增加了测量的复杂性。以扫描激光多普勒测量与数字图像相关测量等非接触式测量技术的发展为全场振动响应测量提供了新方法。

3、扫描激光多普勒测振仪通过测量反射激光频率的多普勒频移来获取被测点的运动信息，通过控制光束的角度使激光端点到达场内的被测点，从而实现面内多测点的振动响应测量。然而，扫描激光多普勒测振仪在应用中存在一些不足，如扫描频率不能和被测物体的振动频率及其谐波频率一致，扫描范围及测点数受限，光束角度变化后与被测表面不再垂直导致测量精度受影响，价格高昂等。数字图像相关测量技术则是对结构表面变形前后的散斑图运用算法得到全场位移和应变。然而，由于该方法基于密集的图像变化，灵敏度不如扫描激光多普勒，同时对存储空间与运算性能需求很高，所需多个高速摄像机价格昂贵，同步性要求高。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于单点激光扫描的全场振动测试方法和系统，实现宽频带内结构全场振动响应的精确测量。

2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、本发明一方面公开了一种基于单点激光扫描的全场振动测试方法，包括：

4、步骤s1、在被测结构的测试面上设置一组被测点；在平行于测试面的二维空间中确定一组与被测点一一对应的激光位移传感器的停驻点；

5、步骤s2、设置遍历停驻点的运动路径；在运动路径的每一个停驻点上停驻的激光位移传感器均能以垂直方式照射对应的被测点；

6、步骤s3、设置一组激振频率；以设定的激振周期遍历各激振频率对被测结构进行振动激励；在每个激振周期内，激光位移传感器按照设置的运动路径，通过行走停驻方式，在每个停驻点上采集对应被测点位置上被测结构的振动信号；

7、步骤s4、根据对各激振频率下采集的振动信号进行信号分析得到的全场振动响应，确定出被测结构在各激振频率下的包括响应振型以及幅值大小在内的力学动态特性。

8、进一步地，在被测结构的测试面上设置的被测点均匀且充分的覆盖所述测试面，记录被测点在测试面上的相对坐标和序号；

9、在平行于测试面的二维空间上设置的停驻点与被测点一一对应，是被测点在二维空间中的投影；

10、激光位移传感器在每个停驻点进行测量时与被测面始终保持垂直，激光正入射，光斑能量均匀；

11、设置的运动路径使激光位移传感器能够单次遍历每个停驻点，在每个停驻点静止固定时长；使运动路径的初始点和终止点重合，路径闭合；记录运动路径中所遍历每个停驻点对应的被测点的序号。

12、进一步地，采用两轴滚珠丝杆滑台确定平行于测试面的二维空间，将单点激光传感器固定在两轴滚珠丝杆滑台上，采用步进电控方式控制两轴滚珠丝杆滑台带动激光位移传感器在二维空间中，按照设定的运动路径，通过行走停驻遍历每一个停驻点，采用静止测量的方式进行被测点的振动测量。

13、进一步地，在被测结构上安装压电纤维片的方式，对被测结构进行振动激励；通过对压电纤维片施加一组设定频率的激励信号，使压电纤维片激励被测结构按照设定的频率振动。

14、进一步地，所述设置一组被测结构的激振频率，为以固定间隔频率值进行等间隔增加或减小的一组频率；该组频率的最大值和最小值的范围覆盖对结构振动响应关注的频率范围；固定间隔频率值的选取使激振频率点均匀而密集的分布于测量频段中，其中含有若干阶固有频率；

15、在测试过程中，对压电纤维片施加步进扫频的激振信号，扫频周期固定且不小于激光位移传感器在运动路径的行走周期；在逐个扫频周期的扫频控制下，激振信号频率以固定间隔频率值等间隔增加或减小，信号幅值保持不变。

16、进一步地，所述步骤s4，包括：

17、1）存储在各激振频率下激光位移传感器采集的振动信号时间序列；

18、2）采用基于小波变换分析的滤波器进行振动信号时间序列的频域分解和时域重构，得到重构后的振动信号时间序列；

19、在小波变换的频域分解中对各级dwt系数进行修正，保留各激振频率项，衰减其他频率项，在idwt重构后得到保留各激振频率项的重构振动信号时间序列；

20、3）将重构振动信号时间序列按照各激振频率进行分块，每个分块的信号时间序列为一个激振频率下重构振动信号时间序列；

21、4）对于每个分块的信号时间序列，按照运动路径设置时记录的遍历每个停驻点对应的被测点的序号，按照设置被测点时记录的被测点在测试面上的相对坐标和序号；为信号时间序列中各信号分配测试面上的坐标；形成以测试面为平面坐标以重构振动信号幅度为竖坐标的振动信号分布三维图，每个激振频率对应一幅振动信号分布三维图；

22、从振动信号分布三维图中振动幅度的分布和幅值获得被测结构对应不同激振频率包括响应振型以及幅值大小在内的力学动态特性。

23、本发明还公开了一种实现上所述的基于单点激光扫描的全场振动测试方法的全场振动测试系统，包括：激光传感模块、步进路径模块、激振模块和数据采控处理模块；

24、激光传感模块与步进路径模块固定连接，激振模块与被测结构固定连接，数据采控处理模块与所述激光传感模块、步进路径模块和激振模块电连接；

25、所述激振模块，用于在数据采控处理模块的控制下，采用设定的激振频率激励被测结构振动；

26、所述步进路径模块设置在被测结构的测试面的对侧，用于在数据采控处理模块的控制下，带动激光传感模块以设定的运动路径，通过行走停驻方式，遍历每个停驻点；

27、所述激光传感模块，用于在数据采控处理模块的控制下，在每个停驻点上对测试面上对应的被测点进行振动信号采集；

28、所述数据采控处理模块，用于控制激振模块、步进路径模块和激光传感模块的工作，并接收激光传感模块在各激振频率下采集的振动信号，通过信号后处理进行信号分析和力学动态特性分析。

29、进一步地，所述步进路径模块包括电机控制器、两轴滚珠丝杆滑台与直流电源；

30、所述两轴滚珠丝杆滑台用于承载激光传感模块进行二维空间步进运动；

31、所述电机控制器与两轴滚珠丝杆滑台连接，用于二维空间运动控制；

32、所述直流电源分别与两轴滚珠丝杆滑台和电机控制器连接；进行直流供电；

33、所述两轴滚珠丝杆滑台包括相互连接的垂直滚珠丝杆滑台和水平滚珠丝杆滑台；激光传感模块固定在垂直滚珠丝杆滑台上或水平滚珠丝杆滑台上。

34、进一步地，所述激振模块，包括功率放大器与压电纤维片；

35、压电纤维片粘接于被测结构上，功率放大器与压电纤维片电连接；

36、所述功率放大器还与接线盒电连接，从接线盒接收激振信号进行功率放大后输出到压电纤维片；

37、所述压电纤维片与功率放大器连接，粘接于被测结构上，将输入的激振信号转换为对应频率的机械振动激励，驱动被测结构振动。

38、进一步地，所述数据采控处理模块，包括计算机、数字i/o板卡与接线盒；

39、所述数字i/o板卡搭载于计算机，用于信号的发送与采集；

40、所述接线盒与数字i/o板卡连接，用于线路的保护与连接，建立数字i/o板卡与激光传感模块、步进路径模块和激振模块的数据连接；

41、所述计算机，用于系统总控、功能程序写入以及数据存储与处理分析。本发明有益效果如下：

42、本发明的中基于单点激光扫描的全场振动测试方法和系统，在测量振动响应时单点激光保持静止，不引入噪声；采用正入射测量，光斑能量均匀，测量精度高；步进控制精度高，重定位准确位置误差小；各激振频率下，激光传感器自动按设定路径运动，完成全场振动响应测量，测试过程中不需要人工操作，无时间累计误差；通过压电纤维片施加激励，体积小，重量轻，侵入程度小，激振频率范围广；

43、综上，本发明通过单个激光位移传感器完成振动测量，价格便宜，极大地降低了全场振动测试的成本。