便携式数字散斑测振仪研究

　　1　引　　言

　　随着机械工业向高速度、高精度方向发展,机械结构动态特性的研究和设计也显得越来越重要,相应地对测振技术也提出了更高的要求。目前常用的测振方法如应变片、加速度传感器和激光多谱勒测量,均为单点测量,测量速度低、结果不直观,并且应变片和加速度传感器对被测物体带来附加质量和约束,会影响物体的固有振动特性。数字散斑(DSPI——Digital speck-le pattern interferometry)是全息测量技术的发展,它综合了激光技术、计算机技术、视频技术和数字图像处理技术,自提出以来发展很快。用DSPI测量物体振动具有非接触、灵敏度高、全场同时测量等优点。

　　本文在我所多年进行数字散斑静态测量研究的基础上[1],开发出了DSPI振动测量仪,可以方便、快速地对物体振动进行全场测量。该仪器引用了作者的多项研究成果,可以达到较好的测量效果。

　　2　DSPI振动测量原理

　　2.1　大振动测量的条纹移动技术

　　在DSPI离面位移敏感光路里,当物体以频率f、振幅a0(x,y)振动,且振动频率高于CCD摄像机的工作频率(25帧/秒)约5倍时,摄像机的输出可表示为:

　　当物体的振动较大时(最大振幅大于30nm),散斑干涉图上将会出现条纹,可采用条纹移动法来测量[2,3]。由于散斑干涉图((1)式)中存在较大的背景光强(I0+Ir)和散斑噪声(cosφ(x,y)),所以条纹的信噪比较低。为此作者提出一种光学相位连续扫描法来消除背景光强和散斑噪声,可有效提高测量效果。在参考光路中引入光学相移器,使参考光的相位以步长Δα在足够大的范围内连续扫描,寻找每一点处I的最大、最小值,得到两幅图像Imax、Imin,并取

　　这样就会完全消除背景光强和散斑项的影响,使条纹的信噪比增加,并增大测量范围。这种方法不需要精确校准相移器,并且具有较强的抗环境干扰能力,因为环境干扰只会引起φ的一个附加变化,只要总的扫描范围∑Δα大于2π,环境干扰并不影响最大、最小值的正确性。

　　在参考光路中通过正弦相位调制器(SPM)引入一个和物体同频率的偏置参考振动,此时摄像机的输出图像为

　　ar是参考振动的幅值,β是参考振动和物体振动的振动相位差。当参考振动的相位改变时,贝塞尔条纹会发生移动,这相当于DSPI静态测量时余弦条纹的相移。因而可用振动相移技术解调贝塞尔条纹。当参考振动分别和物体振动同相、无参考振动、反相,并经最大、最小值扫描后可得

　　可得物体振幅的包裹相位值,再经过相位去包裹处理就可以得到振幅的连续相位值。其中,α是引入参考振动所对应的相移值,一般取α=120°。由于这里是将贝塞尔条纹看作余弦条纹进行解调,因而存在理论误差,需要经过误差修正才能得到正确的结果。将计算相位值和真实相位值做成误差查找表,通过查表就可以修正这种误差[3]。