浙大宁波理工学院 朱磊磊

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浙大宁波理工学院 马修水 于凯东

余姚舜宇智能光学技术有限公司 宋云峰

激光测振仪具有非接触测量，时间与空间分辨率高等优点，广泛应用于微机电系统（MEMS）、机床、汽车等行业振动测量。本文综述了三维激光多普勒测振仪国内外研究成果及应用，简要分析其存在的问题及发展趋势。

传统的振动测量大多是接触式测量，其缺点是有附加质量以及质量载荷引起的误差，特别是对于轻型或者小型结构的测试对象，可能会改变轻和柔性材料结构的固有频率，此外，有些材料对电磁干扰灵敏，也对振动测量产生影响，对于测量大面积物体时，需要放置较多的测振仪。非接触式测量以单点式振动测量仪为主，随着校准技术的发展，三维激光多普勒测振仪应用越来越广泛，由于其测量准确性、自动化程度越来越高，能够配合工业机器人进行自动化测试，与单点测振仪在三个位置测量相比，使用三维测振仪测量具有整体的测量结构，信号处理更加方便。

本文综述了三维激光多普勒测振仪的原理与发展，重点介绍国内外具有代表性企业的产品，对其发展趋势进行展望。

1 原理

三维激光多普勒测振仪测振原理如图1所示，主要包括三组正交分布的单点式测振单元、控制箱以及信号处理部分。常用的激光是波长为632.8nm的He-Ne激光，测振单元发出的激光光束经过透镜聚焦于某一物点，测振单元内部有高精度的干涉仪，被测物体表面点上的散射光束回到测振单元形成干涉，通过控制器解调出各个测振单元相应的光束投影分量，再将投影分量数据进行三维变换分解，将分解后的数据通过空间矢量算法将物点三分量多普勒频移信号转换为对应的三分量物体振动速度与位移信息，最后得到被测点的三维振动信息。

图1 三维激光多普勒测振仪测振原理

2 研发现状

2.1 Polytec公司产品

德国Polytec公司利用激光多普勒干涉技术测量振动，其三维测振仪主要由光学部分（扫描头），电子部分（前端）和控制部分（数据管理系统）构成。扫描头内部包含高精度干涉仪、一对将激光束偏转到需要测试位置高速摇摆镜和用于可视化测量的高清彩色摄像机。代表性产品有PSV-500-3D三维扫描式激光测振仪和MSA-100-3D显微式测振仪。

PSV-500-3D-M是Polytec公司推出的全球第一款全数字式全场三维扫描激光测振仪，适用于高频振动测量，拥有完整的全场振动测量系统，具有模块化的特点。该产品优化了相干技术，使设备在测量范围内频率呈高稳定性，解决了三束光的串扰问题。该产品主要特点有：（1）交互式设置可以通过导入文件来获取被测物体的形貌数据，能直接在视频图像中定义需要的内容；（2）在快速扫描的过程中保持最佳聚焦状态，并且保持最佳信噪比；（3）可输出需要的内容图片、图形和动画；（4）信号处理器可以对测试结果进行大量的统计计算；（5）采用高精度扫描头和激光三角法进行精确定位，扫描角度达到50°×40°。图2为三维扫描激光多普勒测振仪。

图2 三维扫描激光多普勒测振仪

为了进行小面积的测量，Polytec公司研发了MSA-100-3D显微式激光多普勒测振仪，可以进行微机电传感器和执行器的振动测量，激光光斑小于4μm，测试距离大，可达38mm，能与常规的MEMS商用探针测试台兼容。

2.2 舜宇集团有限公司产品

舜宇集团光学科技公司2018年生产了国内首台跨尺度三维光电振动测量仪3DLVS-B，可同时测量X、Y、Z三个方向的振动，配置专用软件，可实现三维数据同步输出，实现超宽频带振动测量，可以选择适当的量程和频率范围来达到用户的要求。

三维光纤测振仪3DLVS-F是3DLVS-B的升级版，与3DLVS-B相比，体积更加的小巧，模块化设计使得测振仪便于拆装。在控制箱中有高精密的红外激光干涉仪，可结合扫描功能进行三维扫描测量。

表1 三维激光多普勒测振仪的技术参数对比表

公司研发的三维扫描式激光测振仪LV-SC300-3D，含高精密激光干涉仪，360倍（30倍光学变焦，12倍数字变焦）彩色高清摄像头，扫描点数可高达512×512。

表1为德国polytec公司和舜宇集团有限公司生产的三维激光多普勒测振仪的技术参数对比。由表1可见，在相同频率范围内，国内测量速度指标与国外还有较大差距。

2.3 应用现状

利用三维激光测振仪对整车制动器在特定的情况下的振型进行监测。其中，三维激光多普勒测振仪捕捉采集噪音的振型，利用有限元模型进行分析，最后得到降低制动器噪音的解决方法。

利用三维扫描激光测振仪测量风机叶片的三维位移，以此来计算风机叶片的动态应力应变分布，优化传统结构设计，提高动载荷作用下构件的耐久性，再利用有限元模型进行数值模拟，与实际测量数据比较验证，实现在低频和高频下精确测量法向应变和剪切应变。

利用三维激光多普勒测振仪组成的系统测量人颅骨的三维表面，在表面设置了200个点的振动频率响应。研究得到在各种刺激模式下，不同的频率对于颅骨的不同位置产生的影响是不同的，低频的颅骨运动取决于刺激部位。

3 存在问题与发展趋势

3.1 存在问题

激光多普勒测振仪在应用方面存在以下问题：

（1）用户交互改善。有些设备含有大量的用户交互，需要手动进行仪器定位等，耗时长，且导致同一物体测量数据的不确定性，需要自动校准程序和建立3D模型，配合摄像机实时与样本进行比对，实现设备测量与模型自动映射。

（2）基于表面效应的聚焦方法改进。目前激光多普勒测振仪大多具备高灵敏度的光学头，能够适应部分恶劣环境，但对于一些低反射率的物体，反射光可能会消失或不足以到达接收镜头，需要涂反射材料提高反射性能。

（3）测量精度有待提高。多普勒频移可能会影响测量精度，接收器接收到的多普勒信号存在信号增宽，也就是多普勒频谱增宽等问题，其原因可能是测量仪器离被测对象太远，测量时间太长，以至于携带振动信息反射光有时间差；此外由于参考光的存在，导致探测器孔径增大，会影响测量精度。

（4）误差溯源及修正技术需加强。测量点并不能一直都精确地满足要求，激光束不是完全正交，由此引入的误差，过程的非平稳性带来的误差以及被测对象位置的不确定性引起的误差，大部分与位置相关，此外还有安装误差，需研究误差溯源、建模及修正技术。

（5）三维姿态成像定位优化。三维激光多普勒测振仪与扫描式激光测振仪两者应用场景有很多类似，因此有成像定位的需求，现阶段国内外的激光测振仪的发展已有成像，但是成像的像素不是很高，定位还需要优化，有待进一步的研究。

3.2 发展趋势

经过多年的发展，国内激光多普勒测振的研发已经有较大的发展，但是与国外的先进水平相比还有一定的差距，其技术发展趋势如下。

（1）优化功能设置。不同的用户需要的数据结果各不相同，输出的结果以用户需求为导向是发展的方向，现在国外仪器已能输出图片、动画等，国内的情况相对比较单调，需要丰富用户优化交互设置。

（2）提高环境适应能力。目前设备适应环境的温度在3℃到45℃之间，更恶劣的环境下无法测量。因此改善设备的环境适应能力是激光测振仪未来研发的方向。

（3）噪声与数据处理。噪声是真实信息以外测量所得的值，如热噪声，散粒噪声等，由于光量子性的特点，相同的测量时间内进入探测器的光子数有差异，形成散粒噪声，当光电转换时，量子起伏也会形成散粒噪声；此外，还有低频噪声等。降低噪声是提高测量精度的关键。

（4）仪器移动稳定性。因为仪器位置会影响测量的稳定性，所以固定仪器以及灵活移动仪器时，测量稳定性成为一个特别重要的因素。现在虽然已经有便携式激光多普勒测振仪，但是测量精度不高。在测量大尺寸的物件时，仪器的移动不可避免，因此，研究仪器移动的稳定性是热点和难点问题。

总结：三维激光多普勒测振仪是一种适合多种场合振动测量的仪器，在航空航天、生物医学、车辆安全、军工产品检测等方面发挥重要作用。本文综述了三维激光多普勒测振仪产品研发以及应用现状及发展趋势。目前，我国的三维激光多普勒测振仪的发展与国外差距正在缩小，相关研究还需要进一步突破优化功能设置、提高测量速度、提高测量精度及定位精度等关键技术，推动三维激光多普勒测振仪向仪器整体化、模块化、多样化方向发展。