激光测振方法在振动试验中的应用
摘 要 激光测振技术因为采用非接触式测量的方式，其测量结果准确度高，受到越来越广泛的关注和认可，具有良好的应用前景。本文对激光测振技术进行介绍，并采用激光测振系统进行标准梁的振动测量实验，实验结果证明激光测振比原有的应用传感器测振准确度更高，尤其对轻薄结构的测量不存在质量和刚度上的质量附加问题。
关键词 激光；振动；测量；振动试验；标准梁
振动对机械设备等带来的负面影响不容忽视，不但对设备以及部件等的精度造成影响，而且其所带来的振动荷载也加大了机械设备的损耗，直接影响其使用的寿命。因此，如何对振动进行测量，并采用恰当的措施将其有效的降低，是行业中普遍关注的问题。传统的传感器测振方法需要将加速度传感器附着在被测试物体上，但是这种测试方法对于轻薄结构的测量存在质量和刚度上的附加问题，对测量结果的准确性产生影响。激光测振技术是利用了激光多普勒效应，对于被测物体的结构表面不需要预先进行打孔或者打磨的处理，对安装控件也没有性要求，这就解决了传感器附加作用的影响。激光测振以非接触的测量操作，高度的测量准确性，赢得了行业内的认可，受到了广泛的推广。
1 激光测振的常用方法
关于测振主要分为两个方面，一方面是对设备和结构本身所具有的振动进行测量，另一方面是对设备和结构在外界某种激励的作用下而产生的振动测量。随着光学技术和电子技术的发展，激光测振作为光电检测中的一种重要检测方法，改变了传统传感器接触式测量所带来的附加干扰问题，以非接触式的振动测量方法得到更加准确、实时的测量结果。从目前激光测振的方法来看，以下面三种方法为主：
1）激光干涉法。此种方法以激光本身所具有的干涉特性为基础，利用激光波长作为主要参数，进行元件的测振。激光干涉测量法在光电测量领域应用广泛，在非接触式振动检测方法中占有重要地位。但是这种测量系统中大部分光路是由各种玻璃光学元件分立构成，在元件的安装和调试方面都要求极高的精度，而且结构相对要复杂的多，其系统的设置也受多方面条件的，缺少灵活性；
2）激光散斑法。激光散斑法将二次曝光技术加以利用，对被测物体表面产生的面内位移和空间位移进行测试。如果激光光束在粗斑表面投射时，会产生普通光所没有的斑点，每个光点都可看作成子波源，子波源产生的散射光互相叠加形成散斑。随着散斑研究的深入发展，一种新的光程方法产生，即散斑计量学；
3）激光三角法。因为激光投射有不同的形状，以此为基础，激光三角法又可分为光带投影和光点投影两种形式，也就是表示投影是一个光斑还是一条光带。通常，激光三角法在物体面形信息的获取上，多用逐点扫描方式或者逐线扫
描方式来实现，因此也叫做激光扫描法。激光三角法的优点在于具有快速的测试速度，强大的实时处理性能，结构上也先对简单，较强的抗干扰性，高精度的测量效果，在光学测量中使用非常广泛。
2 激光测振试验
2.1 试验装置
本次试验次用的试验标准梁为A3钢材质，长为90cm，宽为1.5cm，高为2cm。激光测振系统为扫描式测振系统，主要任务是对标准梁的振动从弯曲振动和纵向振动两方面进行测量。
1）首先根据弯曲振动理论计算公式对试验用的标准梁的横向振动进行理论计算，得出结果；
2）将试验梁在一个柔性支撑上水平放置，建立一个模拟的自由梁的状态。试验装置如图1所示：
图1 激光测振试验系统
2.2 试验过程
激光扫描头在试验梁上采用线性扫描的方式形成扫描网格，试验中按照扫描网格用激光点对每个测点按序进行扫描测量。采用电荷放大器将力锤信号与系统的信号采集箱相连接，用力锤对试验梁进行激励施加。力锤对试验梁没进行一次敲击，就相当于对梁产生一次激励施加，相应的激光扫描点对网格内的每个测点进行一次逐个的扫描测量。位于激光扫描头内部的光学器件对光学信号进行接收，然后向振动仪控制器进行传输，控制器接收的光学信号后将其进行电子信号的转换。采用专门的软件对力锤产生的激励信号和激光测量的光学信号加以处理，每进行完一个点的测量，软件就对此点的激励信号和振动信号进行一次函数计算并将结果保存。每个测点均进行三次的振动测量。
2.3 试验结果分析
根据试验完成后软件给出的频响函数的曲线图结果，对测量结果进行分析，将其与理论计算结果与传统的使用传感器测量的结果进行对比，如下表1所示：
表1 激光测振试验梁的频率对比结果
从频率结果对比表来看，在1阶和2阶，梁的弯曲振动频率在理论计算的值和激光测振值相差不多，因为实际试件与理论计算的试件模型在件体上存在差别，导致在3阶上有一定的差别存在。传统的传感器测量访问与前两者有较大差别，主要是因为在使用传感器测量法时有传感器的附加质量存在，使其对试件的振动产生了影响作用，因此，相对来说，传感器测振的误差也大一些。由此可见，
激光测振在准确度上要远高于传感器测量。
3 结论
综上所述，传感器测量方法因为对件体结构具有附加作用，直接影响其振动测量的精度。激光测振作为一种新的光电测量的方法，因为其非接触式的特点和高准确度的优势，对振动实现高精度测量具有重要意义，具有广阔的发展前景。
参考文献
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[2]胡海岩，孙久厚，等.机械振动与冲击[M].北京：航空工业出版社，2012：242-280.