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连续扫描激光多普勒测振:存在的理由和振动测量的应用

2023-12-14
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挚感(苏州)光子科技有限公司

【这是一篇由荷兰特温特大学D. Di Maio教授等6位业界科学家联合撰写的一篇关于连续扫描激光多普勒测振(CSLDV)方法综述文章,由Elsevier Ltd出版,公开链接是:https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107573


基于激光和多普勒频移原理的光学测量在20世纪60年代末首次出现,当时被开发为单点激光测量。激光多普勒测速仪花了几年时间才建成扫描激光多普勒测振仪(SLDV),用于振动测试。主要创新是在激光头前面引入一组两个扫描镜,将激光束在 X Y 方向上转向目标测量点。摄像机的集成增强了系统在目标测试上创建测量网格的能力。但生成的网格测量点不是立即完成,而是逐个逐步测量的。针对 X-Y 扫描镜优化,SLDV 可以扫描几乎无限数量的测量点,提供偏转形状的高清空间分辨率,而不会产生质量负载,这使得SLDV 测量系统无疑为研究工程和其他领域的振动响应提供了工具。扫描镜可以被认为是 LDV 测量系统成功的主要推动者。当激光束连续扫描而不是逐步扫描时,该系统可以得到进一步发展模式。


连续扫描激光多普勒测振 (CSLDV) 方法于20世纪90 年代初首次出现在文献中,在过去的三十年里,它们在程序和应用方面经历了演变,构成了现在最先进的技术。首先,扫描激光多普勒测振仪增强了测量振动数据的能力从几百个测量点的网格到一次扫描,遍历并测量同一结构上的数千个点。振动的偏转形状可以通过组合来自扫描测量的两条信息(时间和空间)来创建模式,并且测量“点”越多,空间越好偏转形状的密度和分辨率。而连续扫描激光多普勒测振仪的引入挑战了传统的依靠测量数量的基本原理。此后,高清偏转形状测量可以通过连续测量单个时间序列来实现,而偏转形状扫掠轨迹覆盖的表面积与传统上被覆盖的表面积相同一组定点测量,每个测量跨越一定的频率范围。CSLDV方法压缩了时间振荡和空间分布偏转形状,形成一个LDV 输出调制信号,从而谐波振荡扫描区域的空间分布现在由中心响应谐波及其边带定义。这种在振动测量视角上从传统的步进扫描方法到连续扫描方法变化,极大地开拓了扫描激光振动仪的应用潜力。


以结构动力学的研究为例,SLDV长期以来一直用于以传统方式测量频率响应函数(FRF)数据,并将其测量数据用于描述空间和时间振动特性的参数分析。这一方案需要按顺序从每一个测量网格点获取频响数据,但这需要一定的时间来完成全套选定测量点的自由度数据获取,但它仍然提供明显的时间优势超过传统的替代品。连续扫描方式(CSLDV)也可以在连续扫描模式下使用SLDV,使用相同的物理测试设置,但在采集提取振型所需的数据,连续扫描测量点(激光瞄准的位置)测试结构的整个区域,而不是以上述的步进扫描模式跨过该区域。由此产生的LDV 信号不再是稳定的正弦曲线,而是调制的正弦曲线,其中调制由当LDV 光束穿过目标区域时,结构上每个点的稳态振幅。幅度调制LDV 时间历史在频域中变换为一组规则间隔的边带,并且它们之间的频率间隔是特定扫描速率的倍数。实际的偏转形状可以是从一个简单的多项式表达式重建,其系数由边带本身确定,并且作为结果,数量相对较少。所得公式是偏转形状的多项式描述,节省了在步进扫描LDV所要求的数据存储量。在一个比较案例中,在CSLDV情况下,只需要进行模态分析120个重要的光谱系数,而不是所有10,000 个单独的测量自由度。可见,CSLDV方法在提供用户所需的振动信息方面具有效率和优雅的明显优势独特有效的方法。实现连续扫描方式(CSLDV)有多种,下图展示了几种不同的连续扫描方式,其中包括一维线性扫描、圆形区域二维扫描,往复区域二维扫描、圆盘结构扫描等。CSLDV方法的应用很广:模态测试与分析、模型更新、结构诊断和健康监测和旋转机械动态特性分析等。

总之,连续扫描模式是最好地的扫描LDV 系统,任何类型的非接触式传感器可以在连续扫描模式下用于检索响应,这些响应不限于振动分析,也可以扩展到热、声和流体响应分析。作者认为,连续扫描原理的潜力仍有扩展的空间,远远超出实际的最先进水平,并且不一定限于偏转形状分析。值得注意的是,谱边带是 CSLDV 测量的调幅时间序列的最重要特征,这些边带包含响应中最有用的信息,可以通过多种数据方式进行评估分析,包括人工智能的最新分析。相比一些视频类的非接触式设备等替代品,使用激光测振仪代显着优势主要在于频率范围宽和对低电压的敏感度振动幅度。这两个特性使 CSLDV 技术能够检测分析整个振动能量高次谐波,通常是高频和低振幅。


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