CN108917895B - 一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置及方法，包括钨卤素灯光源模块、迈克尔逊干涉仪模块、二维光谱仪模块、悬臂梁模块、以及计算机。本发明在对轻的薄壁结构件的振动检测及模态分析进行了解和研究的基础上，提出一种效率高、精度高、非接触、无损、不引入附加质量及高分辨率的结构模态分析方法，该方法无需知道激振输入信号的信息就可以对梁结构进行实时模态分析，并且无需知道激振输入信号，就能够实现质量称量。

Description

一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量质量称量领域，特别是一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置及方法。

背景技术

二维频域光学振动层析(2D-OCVT)以低相干光干涉为原理，以高速COMS相机为检测器，通过分析振动结构表面反射光与系统参考光的干涉信号，可获取振动结构的位移信息，经频谱校正后可得到纳米级超高分辨率的振动位移精度。2D-OCVT系统可以实现线域振动测试，一次采集可同时获取线上多点的位移信息，并且无需知道激振输入信号的信息就可以对梁结构进行实时模态分析。在对轻的薄壁结构件的振动检测及模态分析中，传统的位移、加速度等接触式传感器引入的附加质量对测试件的影响不可忽略，会造成检测的极大误差，而对一些表面加工质量要求较高、要求非接触式振动测试的场合，传统的振动传感器也不能满足检测要求。

对于结构、材料确定的悬臂梁，其模态参数是确定的。当对悬臂梁添加不同附加集中质量时，其振动模态参数将会发生改变。在结构模态参数中，固有频率较易测试，由附加集中质量下横向振动悬臂梁前三阶固有频率变化分析可知，一阶固有频率对附加质量的变化整体而言相比于二阶、三阶有更高的灵敏性，且一阶固有频率更易通过实验测得。通过分析微悬臂梁结构一阶固有频率对集中质量变化的关系，结合悬臂梁在附加集中质量下固有振动理论，对系统结构中附加集中质量—一阶固有频率关系进行了分析及拟合，将其应用于质量称量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置及方法，该装置及方法可实现对轻的薄壁结构件的振动检测及模态分析，并且无需知道激振输入信号，即可实现质量称量。

本发明采用以下方案实现：一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置，包括钨卤素灯光源模块、迈克尔逊干涉仪模块、二维光谱仪模块、悬臂梁模块、以及计算机；

所述钨卤素灯光源模块包括钨卤素灯以及位于钨卤素灯出光方向的凸透镜，发散的钨卤素灯点光源发出的光线经凸透镜准直为平行光束；

所述悬臂梁模块包括悬臂梁以及设置在悬臂梁上的磁铁；所述磁铁可对称重金属质量块进行吸附，以达到称重目的。

所述迈克尔逊干涉仪模块包括第一柱透镜、第一分光镜、参考镜以及第二柱透镜，所述钨卤素灯光源模块输出的平行光束经所述第一柱透镜入射至所述第一分光镜，所述参考镜、所述悬臂梁模块分别位于所述第一分光镜的两个出光方向；所述第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，第一分光镜将焦线光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于所述悬臂梁模块中带磁铁的悬臂梁表面，两束光经反射后重合发生干涉，所述第二柱透镜位于干涉光的出光方向；

所述二维光谱仪模块包括第二分光镜、单频激光光源、反射镜、反射式光栅、第三柱透镜、以及面阵高速COMS相机；所述干涉光依次经过第二柱透镜、第二分光镜射入反射镜，所述单频激光光源发出的激光也经分光镜射入反射镜，反射镜将接收到的光束发射至反射式光栅，经过反射式光栅后的光束按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集并获得二维干涉条纹；所述单频激光光源为二维光谱仪模块波长标定引入波长已知的特征谱线；

所述计算机与所述面阵高速COMS相机相连，用以接收面阵高速COMS相机采集的二维干涉条纹图像信号，并对对其进行存储和处理。

较佳的，振动测量中以低相干光干涉为主要原理，以傅里叶变换及离散频谱校正技术为主要信号处理方法。

进一步地，所述悬梁臂采用压电陶瓷片贴附于环氧树脂基底的结构，通过信号发生器或可编程直流电源供应器控制压电陶瓷片的输入电压使得压电陶瓷片带动悬臂梁振动。

进一步地，所述计算机对所述的二维干涉条纹图像信号进行处理，获得线域二维振动信息，并对其进行信号处理获得悬臂梁在该称量质量下的一阶固有频率，计算称量质量。

进一步地，利用带附加集中质量的悬臂梁各阶模态频率对附加集中质量变化的敏感性来进行质量称量。

进一步地，在质量称重时，需确定装置中悬臂梁的一阶固有频率对附加集中质量的关系：确定装置中悬臂梁的一阶固有频率对附加集中质量的拟合函数，通过测量多组(通常可取5组)悬臂梁在附加集中质量已知下的一阶固有频率，并对附加集中质量与一阶固有频率关系进行数值拟合。

进一步地，在进行悬臂梁各阶模态频率测量时，通过信号发生器或可编程直流电源供应器输出频率在一定范围的快速正弦扫描信号，驱动压电陶瓷片带动悬臂梁振动，无需知道激振输入信号的信息就能够对梁结构进行实时模态分析。

进一步地，悬臂梁振动的测量采用二维频域光学相干振动层析测量法，并以低相干光干涉为原理。

本发明还提供了一种基于上文所述的基于悬臂梁模态频率的质量称量装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1：将待测质量块通过磁铁磁力吸附于悬臂梁质量块安放处；

步骤S2：采用信号发生器或可编程直流电源供应器输出频率在一定范围的快速正弦扫描信号，驱动电陶瓷片带动悬臂梁振动；

步骤S3：所述二维光谱仪模块面阵高速相机对干涉条纹图像进行连续成像和记录，获得包含悬臂梁位移信息的二维干涉条纹图像；

步骤S4：所述二维光谱仪模块面阵高速相机将采集到的干涉条纹图像序列传输到计算机，采用图像处理软件进行条纹信号的处理；

步骤S5：计算机对采集到的一系列图像的每行像素点光强加Hanning窗并进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率,并将其乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率，得到悬臂梁频率在一定范围内的快速正弦扫描信号驱动下的振动信息；

步骤S6：计算机对悬臂梁频率在一定范围内的快速正弦扫描信号驱动下的位移加Hanning窗并进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出在该称量质量下悬臂梁的一阶固有频率；

步骤S7：计算机将称量质量下悬臂梁的一阶固有频率带入确定的悬臂梁一阶固有频率与附加集中质量的拟合函数中，求解出称量质量大小。

进一步地，步骤S3中，二维干涉条纹图像为参考光I_r与样品光I_s发生干涉矢量相加由相机感光元件感光而获得；

其中参考光I_r表示为：I_r(k,y,t)＝S_r(k)e^i2kr，其中，k为光谱波数，r为参考光光程，S_r(k)为参考光的谱功率分布函数，y表示焦线上探测点纵向位置，t表示时间；

其中样品光I_s表示为：I_s(k,y,t)＝S_s(k)e^{i2k(r+n*Δz(y,t))}，其中，S_s(k)为样品光的谱功率分布函数，n为光在空气中的折射率，n*Δz(y,t)为参考光与样品光光程差；

二维干涉条纹图像I(k,y,t)表示为：

I(k,y,t)＝|I_r(k,y,t)|²+|I_s(k,y,t)|²+2|I_r(k,y,t)||I_s(k,y,t)|cos(Δφ(k,y,t))；

式中，Δφ(k,y,t)＝4πnΔz(y,t)k，Δz(y,t)为探测焦线上各点随时间变化的位移。

在一段时间内，对振动结构振动连续采集，获得一系列二维干涉条纹图，对采集的多幅二维干涉条纹I(k,y,t)的每行像素点光强进行快速傅里叶变换(FFT)，提取出各行像素点强度变化频率，乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到振动结构件的位移Δz(y,t)，此即为线域微振动的检测原理。

进一步地，步骤S5中，所述采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率的计算公式为：

式中，为第i帧条纹图像的归一化频率，G_l为离散频谱能量谱的最大值，l表示第l条离散功率谱线对应的频率，G_l+j为第(l+j)条谱线能量值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数；第i帧条纹密度d_i与归一化条纹频率/>之间的计算公式为：

式中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数。

进一步地，对在xy平面做横向弯曲振动并带有i个附加集中质量的等截面梁，将其视为欧拉伯努利梁，梁的长度为l，高度为B，厚度为H，则附带集中质量悬臂梁横向振动自由振动微分方程表示为：

式中，E为梁材料的弹性模量，I为梁截面惯性矩，n为集中质量个数，表示第n个附加集中质量，ρ为梁材料密度，A为梁截面面积，A＝B×H，δ为δ函数，m_i为第个集中质量块质量，x_mi为该集中质量沿梁长度方向位置坐标，u(x,t)为梁上距梁左端距离为的点横向位移；

令设振动微分方程解为：u(x,t)＝Y(x)y(t)，代入式⑴分离变量得：

公式(3)为振型函数满足的微分方程，ω为梁系统固有频率。

对于带有1个附加集中质量的等截面梁，由边界条件Y⁽²⁾(l)＝0、Y⁽³⁾(l)＝0，令并将定a_m义为质量系数，将边界条件带入得：

在式中，令l₁＝l，l₂＝0，此时集中质量位于悬臂梁悬伸端末端，得：

1+coshklcoskl+a_mkl(sinhklcoskl-sinklcoshkl)＝0(5)

求解式(5)得各k_n(k_n＝kl)值(n＝1,2,3···)，得各阶固有频率为：

将k_n ²定义为第n阶固有频率系数，可看出各阶固有频率为加集中质量(m＝a_mρAl)质量系数a_m的函数关系。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的装置及方法可实现对轻的薄壁结构件的振动检测及模态分析，并且无需知道激振输入信号，可实现结构件(一阶)固有频率的高精度测量及实现对一定质量范围内质量块提供较好的质量测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图。

图2为本发明实施例的悬臂梁模块结构示意图。

图3为本发明实施例的在带集中质量悬臂梁在不同质量(系数)下前三阶频率(系数)与集中质量(系数)理论关系。

图4为本发明实施例的对带有集中质量悬臂梁结构进行实时模态分析计算(一阶)固有频率的流程。

图5为本发明实施例的确定装置中悬臂梁(一阶)固有频率与附加集中质量的拟合函数。

图6为本发明实施例的确定装置中附加集中质量与悬臂梁(一阶)固有频率的拟合函数。

图7为本发明实施例的用本发明装置及方法测得称量质量及与精密电子秤测得结果对比示意图。

图中，1-钨卤素灯光源，2-凸透镜，3-第一柱透镜，4-第一分光镜，5-参考镜，6-悬臂梁模块，7-第二柱透镜，8-单频激光光源，9-分光镜，10-反射镜，11-反射式光栅，12-第三柱透镜，13-面阵高速相机，14-环氧树脂材料基底，15-压电陶瓷(PZT),16-聚酰亚胺薄膜，17-圆柱薄磁铁块，18-悬臂梁安装固定孔，19-压电陶瓷导线连接接头(连接至信号发生器)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置，包括钨卤素灯光源模块、迈克尔逊干涉仪模块、二维光谱仪模块、悬臂梁模块、以及计算机；

所述钨卤素灯光源模块包括钨卤素灯1以及位于钨卤素灯出光方向的凸透镜2，发散的钨卤素灯点光源发出的光线经凸透镜准直为平行光束；

所述悬臂梁模块6包括悬臂梁以及设置在悬臂梁上的磁铁；所述磁铁可对称重金属质量块进行吸附，以达到称重目的。

所述迈克尔逊干涉仪模块包括第一柱透镜3、第一分光镜4、参考镜5以及第二柱透镜7，所述钨卤素灯光源模块输出的平行光束经所述第一柱透镜入射至所述第一分光镜，所述参考镜、所述悬臂梁模块分别位于所述第一分光镜的两个出光方向；所述第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，第一分光镜将焦线光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于所述悬臂梁模块中带磁铁的悬臂梁表面，两束光经反射后重合发生干涉，所述第二柱透镜位于干涉光的出光方向；

所述二维光谱仪模块包括第二分光镜9、单频激光光源8、反射镜10、反射式光栅11、第三柱透镜12、以及面阵高速COMS相机13；所述干涉光依次经过第二柱透镜、第二分光镜射入反射镜，所述单频激光光源发出的激光也经分光镜射入反射镜，反射镜将接收到的光束发射至反射式光栅，经过反射式光栅后的光束按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集并获得二维干涉条纹；所述单频激光光源为二维光谱仪模块波长标定引入波长已知的特征谱线；

所述计算机与所述面阵高速COMS相机相连，用以接收面阵高速COMS相机采集的二维干涉条纹图像信号，并对对其进行存储和处理。

较佳的，振动测量中以低相干光干涉为主要原理，以傅里叶变换及离散频谱校正技术为主要信号处理方法。

如图2所示，在本实施例中，所述悬梁臂采用压电陶瓷片贴附于环氧树脂基底的结构，通过信号发生器或可编程直流电源供应器控制压电陶瓷片的输入电压使得压电陶瓷片带动悬臂梁振动。图中，14为环氧树脂材料基底，15为压电陶瓷(PZT),16为聚酰亚胺薄膜，17为圆柱薄磁铁块，18为悬臂梁安装固定孔，19为压电陶瓷导线连接接头(连接至信号发生器)。

在本实施例中，所述计算机对所述的二维干涉条纹图像信号进行处理，获得线域二维振动信息，并对其进行信号处理获得悬臂梁在该称量质量下的一阶固有频率，计算称量质量。

在本实施例中，利用带附加集中质量的悬臂梁各阶模态频率对附加集中质量变化的敏感性来进行质量称量。

在本实施例中，在质量称重时，需确定装置中悬臂梁的一阶固有频率对附加集中质量的关系：确定装置中悬臂梁的一阶固有频率对附加集中质量的拟合函数，通过测量多组(通常可取5组)悬臂梁在附加集中质量已知下的一阶固有频率，并对附加集中质量与一阶固有频率关系进行数值拟合。

在本实施例中，在进行悬臂梁各阶模态频率测量时，通过信号发生器或可编程直流电源供应器输出频率在一定范围的快速正弦扫描信号，驱动压电陶瓷片带动悬臂梁振动，无需知道激振输入信号的信息就能够对梁结构进行实时模态分析。

在本实施例中，悬臂梁振动的测量采用二维频域光学相干振动层析测量法，并以低相干光干涉为原理。

本实施例还提供了一种基于上文所述的基于悬臂梁模态频率的质量称量装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1：将待测质量块通过磁铁磁力吸附于悬臂梁质量块安放处；

步骤S2：采用信号发生器或可编程直流电源供应器输出频率在一定范围的快速正弦扫描信号，驱动电陶瓷片带动悬臂梁振动；

步骤S3：所述二维光谱仪模块面阵高速相机对干涉条纹图像进行连续成像和记录，获得包含悬臂梁位移信息的二维干涉条纹图像；

步骤S4：所述二维光谱仪模块面阵高速相机将采集到的干涉条纹图像序列传输到计算机，采用图像处理软件进行条纹信号的处理；

步骤S5：计算机对采集到的一系列图像的每行像素点光强加Hanning窗并进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率,并将其乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率，得到悬臂梁频率在一定范围内的快速正弦扫描信号驱动下的振动信息；

步骤S6：计算机对悬臂梁频率在一定范围内的快速正弦扫描信号驱动下的位移加Hanning窗并进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出在该称量质量下悬臂梁的一阶固有频率；

步骤S7：计算机将称量质量下悬臂梁的一阶固有频率带入确定的悬臂梁一阶固有频率与附加集中质量的拟合函数中，求解出称量质量大小。

在本实施例中，步骤S3中，二维干涉条纹图像为参考光I_r与样品光I_s发生干涉矢量相加由相机感光元件感光而获得；

其中参考光I_r表示为：I_r(k,y,t)＝S_r(k)e^i2kr，其中，k为光谱波数，r为参考光光程，S_r(k)为参考光的谱功率分布函数，y表示焦线上探测点纵向位置，t表示时间；

其中样品光I_s表示为：I_s(k,y,t)＝S_s(k)e^{i2k(r+n*Δz(y,t))}，其中，S_s(k)为样品光的谱功率分布函数，n为光在空气中的折射率，n*Δz(y,t)为参考光与样品光光程差；

二维干涉条纹图像I(k,y,t)表示为：

I(k,y,t)＝|I_r(k,y,t)|²+|I_s(k,y,t)|²+2|I_r(k,y,t)||I_s(k,y,t)|cos(Δφ(k,y,t))；

式中，Δφ(k,y,t)＝4πnΔz(y,t)k，Δz(y,t)为探测焦线上各点随时间变化的位移。

在一段时间内，对振动结构振动连续采集，获得一系列二维干涉条纹图，对采集的多幅二维干涉条纹I(k,y,t)的每行像素点光强进行快速傅里叶变换(FFT)，提取出各行像素点强度变化频率，乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到振动结构件的位移Δz(y,t)，此即为线域微振动的检测原理。

在本实施例中，步骤S5中，所述采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率的计算公式为：

式中，为第i帧条纹图像的归一化频率，G_l为离散频谱能量谱的最大值，l表示第l条离散功率谱线对应的频率，G_l+j为第(l+j)条谱线能量值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数；第i帧条纹密度d_i与归一化条纹频率/>之间的计算公式为：

式中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数。

在本实施例中，对在xy平面做横向弯曲振动并带有i个附加集中质量的等截面梁，将其视为欧拉伯努利梁，梁的长度为l，高度为B，厚度为H，则附带集中质量悬臂梁横向振动自由振动微分方程表示为：

式中，E为梁材料的弹性模量，I为梁截面惯性矩，n为集中质量个数，表示第n个附加集中质量，ρ为梁材料密度，A为梁截面面积，A＝B×H，δ为δ函数，m_i为第个集中质量块质量，x_mi为该集中质量沿梁长度方向位置坐标，u(x,t)为梁上距梁左端距离为的点横向位移；

令设振动微分方程解为：u(x,t)＝Y(x)y(t)，代入式⑴分离变量得：

公式(3)为振型函数满足的微分方程，ω为梁系统固有频率。

对于带有1个附加集中质量的等截面梁，由边界条件Y⁽²⁾(l)＝0、Y⁽³⁾(l)＝0，令并将定a_m义为质量系数，将边界条件带入得：

在式中，令l₁＝l，l₂＝0，此时集中质量位于悬臂梁悬伸端末端，得：

1+coshklcoskl+a_mkl(sinhklcoskl-sinklcoshkl)＝0(5)

求解式(5)得各k_n(k_n＝kl)值(n＝1,2,3···)，得各阶固有频率为：

将k_n ²定义为第n阶固有频率系数，可看出各阶固有频率为加集中质量(m＝a_mρAl)质量系数a_m的函数关系。

特别的，如图3至图7所示，图3为本实施例中在带集中质量悬臂梁在不同质量(系数)下前三阶频率(系数)与集中质量(系数)理论关系。图4为本实施例中对带有集中质量悬臂梁结构进行实时模态分析计算(一阶)固有频率的流程。图5为本实施例中确定装置中悬臂梁(一阶)固有频率与附加集中质量的拟合函数。图6为本实施例中确定装置中附加集中质量与悬臂梁(一阶)固有频率的拟合函数。图7为本实施例中用本发明装置及方法测得称量质量及与精密电子秤测得结果对比，所测结果与精密电子秤测得结果相比相对误差均小于0.8％，说明本实施例的系统能提供较好的质量测量精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置，其特征在于：包括钨卤素灯光源模块、迈克尔逊干涉仪模块、二维光谱仪模块、悬臂梁模块、以及计算机；

所述钨卤素灯光源模块包括钨卤素灯以及位于钨卤素灯出光方向的凸透镜，发散的钨卤素灯点光源发出的光线经凸透镜准直为平行光束；

所述悬臂梁模块包括悬臂梁以及设置在悬臂梁上的磁铁；

所述迈克尔逊干涉仪模块包括第一柱透镜、第一分光镜、参考镜以及第二柱透镜，所述钨卤素灯光源模块输出的平行光束经所述第一柱透镜入射至所述第一分光镜，所述参考镜、所述悬臂梁模块分别位于所述第一分光镜的两个出光方向；所述第一柱透镜将平行光束聚焦为焦线，第一分光镜将焦线光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于所述悬臂梁模块中带磁铁的悬臂梁表面，两束光经反射后重合发生干涉，所述第二柱透镜位于干涉光的出光方向；

所述二维光谱仪模块包括第二分光镜、单频激光光源、反射镜、反射式光栅、第三柱透镜、以及面阵高速COMS相机；所述干涉光依次经过第二柱透镜、第二分光镜射入反射镜，所述单频激光光源发出的激光也经分光镜射入反射镜，反射镜将接收到的光束发射至反射式光栅，经过反射式光栅后的光束按波长在空间分光后由第三柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵高速COMS相机采集并获得二维干涉条纹；所述单频激光光源为二维光谱仪模块波长标定引入波长已知的特征谱线；

所述计算机与所述面阵高速COMS相机相连，用以接收面阵高速COMS相机采集的二维干涉条纹图像信号，并对其进行存储和处理；

所述计算机对所述的二维干涉条纹图像信号进行处理，获得线域二维振动信息，并对其进行信号处理获得悬臂梁在称量质量下的一阶固有频率，计算称量质量；利用带附加集中质量的悬臂梁各阶模态频率对附加集中质量变化的敏感性来进行质量称量。

2.根据权利要求1所述的一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置，其特征在于：所述悬臂梁采用压电陶瓷片贴附于环氧树脂基底的结构，通过信号发生器或可编程直流电源供应器控制压电陶瓷片的输入电压使得压电陶瓷片带动悬臂梁振动。

3.根据权利要求1所述的一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置，其特征在于：在质量称重时，需确定装置中悬臂梁的一阶固有频率对附加集中质量的关系：确定装置中悬臂梁的一阶固有频率对附加集中质量的拟合函数，通过测量多组悬臂梁在附加集中质量已知下的一阶固有频率，并对附加集中质量与一阶固有频率关系进行数值拟合。

4.根据权利要求1所述的一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置，其特征在于：在进行悬臂梁各阶模态频率测量时，通过信号发生器或可编程直流电源供应器输出频率在一定范围的快速正弦扫描信号，驱动压电陶瓷片带动悬臂梁振动，无需知道激振输入信号的信息就能够对梁结构进行实时模态分析。

5.根据权利要求4所述的一种基于悬臂梁模态频率的质量称量装置，其特征在于：悬臂梁振动的测量采用二维频域光学相干振动层析测量法，并以低相干光干涉为原理。

6.一种基于权利要求1-5任一项的基于悬臂梁模态频率的质量称量装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：将待测质量块通过磁铁磁力吸附于悬臂梁质量块安放处；

步骤S2：采用信号发生器或可编程直流电源供应器输出频率在一定范围的快速正弦扫描信号，驱动电陶瓷片带动悬臂梁振动；

步骤S3：所述二维光谱仪模块面阵高速相机对干涉条纹图像进行连续成像和记录，获得包含悬臂梁位移信息的二维干涉条纹图像；

步骤S4：所述二维光谱仪模块面阵高速相机将采集到的干涉条纹图像序列传输到计算机，采用图像处理软件进行条纹信号的处理；

步骤S5：计算机对采集到的一系列图像的每行像素点光强加Hanning窗并进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率,并将其乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率，得到悬臂梁频率在一定范围内的快速正弦扫描信号驱动下的振动信息；

步骤S6：计算机对悬臂梁频率在一定范围内的快速正弦扫描信号驱动下的位移加Hanning窗并进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出在称量质量下悬臂梁的一阶固有频率；

步骤S7：计算机将称量质量下悬臂梁的一阶固有频率带入确定的悬臂梁一阶固有频率与附加集中质量的拟合函数中，求解出称量质量大小。

7.根据权利要求6所述的基于悬臂梁模态频率的质量称量装置的方法，其特征在于：步骤S3中，二维干涉条纹图像为参考光I_r与样品光I_s发生干涉矢量相加由相机感光元件感光而获得；

其中参考光I_r表示为：I_r(k,y,t)＝S_r(k)e^i2kr，其中，k为光谱波数，r为参考光光程，S_r(k)为参考光的谱功率分布函数，y表示焦线上探测点纵向位置，t表示时间；

其中样品光I_s表示为：I_s(k,y,t)＝S_s(k)e^{i2k(r+n*z(y,t))}，其中，S_s(k)为样品光的谱功率分布函数，n为光在空气中的折射率，n*z(y,t)为参考光与样品光光程差；

二维干涉条纹图像I(k,y,t)表示为：

I(k,y,t)＝|I_r(k,y,t)|²+|I_s(k,y,t)|²+2|I_r(k,y,t)||I_s(k,y,t)|cos(φ(k,y,t))；

式中，φ(k,y,t)＝4πn z(y,t)k，z(y,t)为探测焦线上各点随时间变化的位移。

8.根据权利要求6所述的基于悬臂梁模态频率的质量称量装置的方法，其特征在于：步骤S5中，所述采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率的计算公式为：

式中，f_i ¹为第i帧条纹图像的归一化频率，l表示第l条离散功率谱线对应的频率，G_l+j为第(l+j)条谱线能量值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数；第i帧条纹密度d_i与归一化条纹频率f_i ¹之间的计算公式为：

d_i＝f_i ¹N；

式中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数。