CN102679902B - 薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法，系统包括有位于激光光源出光侧的第一分束棱镜，位于第一分束棱镜的物光束一侧的第一空间光滤波器，位于第一分束棱镜参考光束的一侧的第二空间光滤波器，第一空间光滤波器出射光侧设置接收光的被测平板，第二空间光滤波器出射光侧设置有接收光的参考平面，还依次设置有第二分束棱镜、光信号的摄像机、内部嵌入有用于接收摄像机所采集的图像的图像采集卡的PC机、以及频率可调谐正弦波发生器，频率可调谐正弦波发生器的输出连接用于对被测平板进行激振的激振源。本发明可以实现对微米级别的共振形变进行高精度的检测。并且通过后期的图像处理方法可以将薄平板变形的最大位置的坐标值和变形的最大值一一求解。

Description

薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种共振模态分析。特别是涉及一种薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法。

背景技术

电子散斑干涉测量技术是一种高精度，高灵敏度，实时检测的光学测量技术。由于电子散斑干涉测量技术是基于三维物体表面的微小形变而产生干涉条纹的光学测量技术，因此它广泛的用于检测工业中材料的变形分析，机械工程中振动引起的变形、振动冲击、粗糙度等测量。

平板结构的共振模态分析在机械工程中的应用非常重要，它广泛的应用于航空航天工业和电子工业中。为了测量各种材料，各种形状，各种边界条件的经典平板国内外做了多种方法的研究。目前，针对共振频率和共振模态变形的测量方法主要集中在加速度传感器和激光多普勒测振的方法，这两种方法的缺点在于它们都是逐点测量振幅然后拟合出振形，数据量较大，测量速度较慢，对于实时性要求较高的测量环境下也不便于应用。因此，针对传统方法对于全场测量速度较慢的缺点，薄平板的共振模态的测量需要一种高精度，快速实时的全场测量的方法。对于电子散斑干涉测量方法，条纹图对于薄平板在共振条件下的微小位移的变形非常敏感，且电子散斑干涉测量的实时性也非常适合于高速振动物体的共振测量之中。

目前国内关于电子散斑干涉测量技术应用的专利主要集中基于物体微小形变的三维位移和形貌的测量领域。如中科院上海光机所的大视场数字全息成像装置(专利号：200240082611.7)；中国船舶重工集团公司第七一一研究所的一种三维电子散斑干涉仪(专利号：200610024276.0)；山东师范大学的利用电子散斑干涉载频调制技术测量物体形貌的方法(专利号：200710112994.6)；清华大学的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统(专利号：200910088896.2)等等。这些专利都是基于被测物体微小且稳态变形的基础上测量物体表面形变的方法，即对物体受到应力的稳态检测，不能实现对于物体在共振下动态形变的测量。

国内方面将电子散斑干涉测量技术用于振动分析和振幅测量方面的专利还很少，现阶段，国内外利用电子散斑干涉技术进行振动分析主要集中在以下方面。国立台湾大学机械工程学院的团队利用ESPI系统研究了关于方形压电材料平板在振动下的变形。台湾国立清华大学机械工程学院利用ESPI系统研究了不同材料物体粘合后的振动特性和共振频率的变化，用于测量粘合物体的粘合位置。以上的这些研究方法只是研究了薄板在各个频率下的振动形变，没有提到如何通过改变外界激振源的频率，实现薄板在各阶相应的共振频率下的振动。

国内方面西安交通大学先后开发出三代电子散斑测振仪。第一代是采用人工判读贝塞尔条纹级数的方法来估算物体振动的。第二代采用相移解调的方法,可定量分析物体振幅，第三代产品还能进行纳米振动测量。三代测振仪可以用于测量被测物在外界振动的振幅。东南大学的工程力学系利用单幅数字散斑投影和图像相关法结合的方法测量了悬臂梁的离面振动，获得了振形分布和各点振幅值。沈阳发动机设计研究所利用ESPI技术对发动机叶片进行振动变形的测量，这些研究虽然得到了在某一固定频率的振动条纹分布，但并没有说明如何快速测量被测物的各阶共振频率，以及各阶共振频率下对应的振形分布。

综上所述，目前利用散斑的测振方法都是测量物体某一的振动频率下的变形，并没有说明如何利用电子散斑干涉测量技术对薄板结构的物体进行模态分析，也没有形成一种专门用于模态分析的散斑干涉测量系统。因此，利用电子散斑干涉测量技术对不同薄平板的共振频率和共振模态进行全场快速的测量，特别是通过识别不同条纹图像确定被测板的共振阶数和共振频率，目前国内还没有一套完整的理论和系统，也没有利用电子散斑干涉法对薄板进行模态分析的专利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在用于对薄板结构的物体进行快速全场的模态分析的薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法。

本发明所采用的技术方案是：一种薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法，薄平板结构共振模态分析系统，包括有激光光源，位于激光光源出光侧并将该光分为物光束和参考光束的第一分束棱镜，位于第一分束棱镜的物光束一侧的第一空间光滤波器，位于第一分束棱镜参考光束的一侧的第二空间光滤波器，所述的第一空间光滤波器出射光侧设置接收光的被测平板，所述第二空间光滤波器出射光侧设置有接收光的参考平面，还依次设置有分别接收被测平板和参考平面所反射的光的第二分束棱镜、位于第二分束棱镜出光侧并接收第二分束棱镜所发出的光信号的摄像机、内部嵌入有用于接收摄像机所采集的图像的图像采集卡的PC机、以及接收PC机信号的频率可调谐正弦波发生器，所述的频率可调谐正弦波发生器的输出连接用于对被测平板进行激振的激振源。

所述的激振源设置于被测平板后侧的50cm至80cm处。

所述的激振源选用大功率音箱。

所述的频率可调谐正弦波发生器的频率调节范围是10Hz～20MHz。

所述的频率可调谐正弦波发生器包括有控制芯片MCU，和通过控制芯片MCU上的第一系统I/O扩展接口与控制芯片MCU相连的波形发生器芯片，所述的波形发生器芯片的COSC端口分别通过开关S1、S2、S3、S4对应连接电容C1、C2、C3、C4，所述电容C1、C2、C3、C4的另一端接地，所述的波形发生器芯片的IIN端口和REF端口之间通过数字电位器连接，所述的数字电位器的信号输入端还连接第一系统I/O扩展接口，所述的波形发生器芯片的FADJ端脚通过D/A芯片连接第一系统I/O扩展接口，所述的波形发生器芯片的输出连接激振源。

所述的控制芯片MCU分别设置有RS232接口、SDRAN接口、FLASH接口、第二系统I/O扩展接口、JTAG接口和LCD接口。

一种薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，包括如下步骤：

1）首先开启激振源，并通过频率可调谐正弦波发生器调节频率在10Hz～20Hz的低频振动；

2）然后利用摄像机和嵌入有图像采集卡的PC机采集一幅被测平板的图像；

3）自小向大的调节频率可调谐正弦波发生器的频率，振动的同时利用利用摄像机和嵌入有图像采集卡的PC机采集另外一幅图像，并将采集到和该图像与步骤2）采集的图像做减模式在PC显示屏上面显示。

4）当激振源的振动频率靠近被测平板的共振频率的时候，被测平板发生共振，且全场变形符合被测平板自身共振变形的分布，并且随着共振阶数和频率的增加，振动条纹分布也不同；

5）当激振源的振动频率和被测平板的共振频率相差在10Hz～30Hz的的时候，被测平板将不发生共振。

8．根据权利要求7所述的薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，其特征在于，步骤3）所采集到图像的光强分布符合下面的公式：其中：λ为光波波长，θ为物光路和参考光路间夹角，A为被测样板的振幅，即共振下的挠度分布，I_avg为采集条纹的光强分布，I_obj为被测物反射光束的光强，I_ref为参考光束的光强信息。φ为随机相位差值，ΔA为振动幅度的变化值。

本发明的薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法，利用基于电子散斑干涉测量的方法，它可以实现对微米级别的共振形变进行高精度的检测。同时由于高速CCD摄像机和高速MCU 芯片控制下的频率调谐系统可以实现高速的实时的共振频率和薄板主振形的测量。一次采集共振条纹图像可以实现整个被测平板的共振变形信息，相比于传统的逐点探测的方法大大降低了数据处理时间。并且通过后期的图像处理方法可以将薄平板变形的最大位置的坐标值和变形的最大值一一求解。本发明可实现工业中薄平板结构的在线快速测量，可提高测量速度，对于航空航天领域，电子工业生产的平板结构分析有较好经济效益。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的频率可调谐正弦波发生器的构成框图；

图3是对比效果图。

图中，

1：激光光源            2：第一分束棱镜

3：第二分束棱镜        4：第一空间光滤波器

5：第二空间光滤波器    6：参考平面

7：被测平板            8：摄像机

9：PC机                     10：频率可调谐正弦波发生器

11：激振源                  101：控制芯片MCU

102：第一系统I/O扩展接口    103：波形发生器芯片

104：数字电位器             105：RS232接口

106：SDRAN接口              107：FLASH接口

108：第二系统I/O扩展接口    109：JTAG接口

1010：LCD接口

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的薄平板结构共振模态分析系统做出详细说明。

本发明的薄平板结构共振模态分析系统，包括有激光光源1，位于激光光源1出光侧并将该光分为物光束和参考光束的第一分束棱镜2，位于第一分束棱镜2的物光束一侧的第一空间光滤波器4，位于第一分束棱镜2参考光束的一侧的第二空间光滤波器5，所述的第一空间光滤波器4出射光侧设置接收光的被测平板7，所述第二空间光滤波器5出射光侧设置有接收光的参考平面6，还依次设置有分别接收被测平板7和参考平面6所反射的光的第二分束棱镜3、位于第二分束棱镜3出光侧并接收第二分束棱镜3所发出的光信号的摄像机8、内部嵌入有用于接收摄像机8所采集的图像的图像采集卡的PC机9、以及接收PC机9信号的频率可调谐正弦波发生器10，所述的频率可调谐正弦波发生器10的输出连接用于对被测平板7进行激振的激振源11。所述的激振源11选用大功率音箱。所述的激振源11设置于被测平板7后侧的50cm至80cm处。激振源的振幅和频率要通过频率可调谐正弦波发生器调节。所述的频率可调谐正弦波发生器10的频率调节范围是10Hz～20MHz。

光源在第一分束棱镜2的作用下分束成两束光，其中一束光作为物光束经过被测平板反射至第二分束棱镜3，另外一束光作为参考光束经过参考平面反射至第二分束棱镜3，经过第二分束棱镜3的汇合作用通过成像镜头在摄像机上形成电子散斑干涉条纹，经过图像采集卡9在PC机上采集干涉条纹。

所述的频率可调谐正弦波发生器10包括有型号为ARM9（S3C2440）的控制芯片MCU 101，和通过控制芯片MCU 101上的第一系统I/O扩展接口102与控制芯片MCU101相连的型号为MAX038的波形发生器芯片103，该波形发生器芯片103通过控制芯片MCU 101上的第一系统I/O扩展接口102完成驱动和控制作用，所述的波形发生器芯片103的COSC端口分别通过开关S1、S2、S3、S4对应连接电容C1、C2、C3、C4，所述电容C1、C2、C3、C4的另一端接地，四个电容C1～C4用于粗调输出频率。所述的波形发生器芯片103的IIN端口和REF端口之间通过型号为X9C104的数字电位器104连接，用于粗调输出频率。所述的数字电位器104的信号输入端还连接第一系统I/O扩展接口102，所述的波形发生器芯片103的FADJ端脚通过一个16位的D/A 芯片连接第一系统I/O扩展接口102，用于细调输出频率，所述的波形发生器芯片103的输出连接激振源11。

上电后波形发生器芯片103输出的频率由挂在其COSC端口的电容值，FADJ管脚上的电压值，以及IIN和REF端口之间的电阻值三者决定。三个调节都是通过上位机设定并经过串口发送至控制芯片MCU中，再通过第一系统I/O扩展接口控制输出的，设置成功后在LCD上显示输出正弦波频率，最后正弦波经过高精度运放完成输出至激振源，完成了频率可调谐正弦波的输出。

所述的控制芯片MCU101分别设置有RS232接口105、SDRAN接口106、FLASH接口107、第二系统I/O扩展接口108、JTAG接口109和LCD接口1010。

本发明利用可调谐频率正弦波发生器使得被测薄板在其共振频率附近时达到共振，从而使薄板产生共振变形，进而使参考光和被测光的光程差发生改变，通过本发明的减模式采集由于光程差而产生条纹图，从而得知该共振下的振形。

如图2所示，本发明所述的薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，包括如下步骤：

1）首先开启激振源11，并通过频率可调谐正弦波发生器（10）调节频率在10Hz～20Hz的低频振动；

2）然后利用摄像机8和嵌入有图像采集卡的PC机9采集一幅被测平板7的图像；

3）自小向大的调节频率可调谐正弦波发生器10的频率，振动的同时利用利用摄像机8和嵌入有图像采集卡的PC机9采集另外一幅图像，并将采集到和该图像与步骤2）采集的图像，在PC显示屏上面显示。所采集到图像的光强分布符合下面的公式： $I_{\mathrm{avg}}=\frac{1}{2}\sqrt{I_{\mathrm{obj}}{I}_{\mathrm{ref}}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right){\mathrm{\Γ}}^2\mathrm{\Δ}{A}^2{J}_0\left(\mathrm{\ΓA}\right),$ 其中： $\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(1+\cos \mathrm{\θ}),$ λ为光波波长，θ为物光路和参考光路间夹角，A为被测样板的振幅，即共振下的挠度分布，I_avg为采集条纹的光强分布，I_obj为被测物反射光束的光强，I_ref为参考光束的光强信息。φ为随机相位差值，ΔA为振动幅度的变化值。

4）当激振源的振动频率靠近被测平板的共振频率的时候，被测平板发生共振，且全场变形符合被测平板自身共振变形的分布，并且随着共振阶数和频率的增加，振动条纹分布也不同；

5）当激振源的振动频率和被测平板的共振频率相差在10Hz～30Hz的的时候，被测平板将不发生共振。因此其振形分布随机且振幅较小，不会产生散斑干涉条纹。

本发明通过识别测量中不同振动条纹图来识别被测平板的共振阶数和共振频率。由于被测平板在各阶共振频率下发生共振时候，其全场的挠度变形不同且具有独特的特性，因此通过本发明测量出的光强条纹分布也不同且独特，如附图3所示为前5阶供着频率下条纹光强分布的模拟图(边界条件悬臂)。因此，在测量过程之中，随着给定共振频率的逐渐递增也会出现若干个不同且独特形状的电子散斑干涉条纹。本测量方法就是通过将这些条纹和模拟图对比来识别薄板的共振条纹的阶数和频率。另外还可以通过共振条纹图分析出全场的被测样板的振幅和振形等信息。

本发明进行模态分析的最佳实施方式如下，将固定住的薄平板(边界条件可为四边固定、对边固定、单边悬臂固定等等)作为被测平板，例如对于其大小为150mm的方形铝薄板，厚度为1mm，其弹性量为72GPa。本实施例中选择了单边悬臂这一边界条件进行测量。利用波长为532nm的泵浦绿光激光器作为干涉光源，其功率为60mW，经过附图1中的系统在激振源的激励下测量该板的共振频率和共振模态，其中激振源可选择大功率音箱，而正弦波发生系统可选择以ARM9为核心的最小控制系统控制MAX038芯片，完成可调频率正弦波的输出。通过正弦波发生系统调整激振源频率为10Hz左右，然后利用摄像机采集一副图像保存起来，摄像机可采用采集频率为30帧/秒型号为敏通MTV-23F1的CCD摄像机。然后通过正弦波发生器逐步地改变激振源的振动频率，并采集另一幅图像与之前保存的图像相减得到振动条纹图，观察采集到的振动条纹，当薄板产生共振时，采集到的振动条纹会出现特定规律的分布(可参照模拟图识别)，此时利用图像采集卡保存共振条纹图，同时从可调频率正弦波发生器中读取当前的激振频率，由此可以同时得到被测悬臂薄板的共振频率和全场的共振模态分布。附图3中的Matlab测量是对被测悬臂薄板利用ESPI系统进行模态分析的结果，其中的ESPI测量的条纹图分别是该悬臂薄板的前8阶共振频率下的散斑振动条纹分布图，通过将其和模拟对比可以测量出其共振的阶数或共振频率值。

Claims (7)

1.一种薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，包括有激光光源(1)，位于激光光源(1)出光侧并将该光分为物光束和参考光束的第一分束棱镜(2)，位于第一分束棱镜(2)的物光束一侧的第一空间光滤波器(4)，位于第一分束棱镜(2)参考光束的一侧的第二空间光滤波器(5)，所述的第一空间光滤波器(4)出射光侧设置接收光的被测平板(7)，所述第二空间光滤波器(5)出射光侧设置有接收光的参考平面(6)，还依次设置有分别接收被测平板(7)和参考平面(6)所反射的光的第二分束棱镜(3)、位于第二分束棱镜(3)出光侧并接收第二分束棱镜(3)所发出的光信号的摄像机(8)、内部嵌入有用于接收摄像机(8)所采集的图像的图像采集卡的PC机(9)、以及接收PC机(9)信号的频率可调谐正弦波发生器(10)，所述的频率可调谐正弦波发生器(10)的输出连接用于对被测平板(7)进行激振的激振源(11)，所述的频率可调谐正弦波发生器(10)包括有控制芯片MCU(101)，和通过控制芯片MCU(101)上的第一系统I/O扩展接口(102)与控制芯片MCU(101)相连的波形发生器芯片(103)，所述的波形发生器芯片(103)的COSC端口分别通过开关S1、S2、S3、S4对应连接电容C1、C2、C3、C4，所述电容C1、C2、C3、C4的另一端接地，所述的波形发生器芯片(103)的IIN端口和REF端口之间通过数字电位器(104)连接，所述的数字电位器(104)的信号输入端还连接第一系统I/O扩展接口(102)，所述的波形发生器芯片(103)的FADJ端脚通过D/A芯片连接第一系统I/O扩展接口(102)，所述的波形发生器芯片(103)的输出连接激振源(11)。

2.根据权利要求1所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的激振源(11)设置于被测平板(7)后侧的50cm至80cm处。

3.根据权利要求1所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的激振源(11)选用大功率音箱。

4.根据权利要求1所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的频率可调谐正弦波发生器(10)的频率调节范围是10Hz～20MHz。

5.根据权利要求1所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的控制芯片MCU(101)分别设置有RS232接口(105)、SDRAN接口(106)、FLASH接口(107)、第二系统I/O扩展接口(108)、JTAG接口(109)和LCD接口(1010)。

6.一种权利要求1所述的薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先开启激振源(11)，并通过频率可调谐正弦波发生器(10)调节频率在10Hz～20Hz的低频振动；

2)然后利用摄像机(8)和嵌入有图像采集卡的PC机(9)采集一幅被测平板(7)的图像；

3)自小向大的调节频率可调谐正弦波发生器(10)的频率，振动的同时利用摄像机(8)和嵌入有图像采集卡的PC机(9)采集另外一幅图像，并将采集到的该图像与步骤2)采集的图像做减模式在PC显示屏上面显示；

4)当激振源的振动频率靠近被测平板的共振频率的时候，被测平板发生共振，且全场变形符合被测平板自身共振变形的分布，并且随着共振阶数和频率的增加，振动条纹分布也不同；

5)当激振源的振动频率和被测平板的共振频率相差在10Hz～30Hz的的时候，被测平板将不发生共振。

7.根据权利要求6所述的薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，其特征在于，步骤3)所采集到图像的光强分布符合下面的公式：其中：λ为光波波长，θ为物光路和参考光路间夹角，A为被测样板的振幅，即共振下的挠度分布，I_avg为采集条纹的光强分布，I_obj为被测物反射光束的光强，I_ref为参考光束的光强信息，φ为随机相位差值，△A为振动幅度的变化值。