LDV激光測振與3D視覺傳感技術融合的實踐與展望

嚴建偉

應用 Application

LDV激光測振與3D視覺傳感技術融合的實踐與展望

嚴建偉

（浙江舜宇智能光學技術有限公司，浙江省杭州市 310000）

隨著LDV激光測振技術與3D視覺技術的迅猛發展，兩項應用性技術的有效結合及融合發展的產品已廣泛應用于各行業。同時衍生出應用于不同領域、具有各種特殊功能性的科技產品。著重介紹相關產品的研發實踐過程和產品展望。

3D視覺；激光測振

1 引言

隨著智能化產業的高速發展，3D視覺技術與LDV測振技術融合的產品，已廣泛應用于工、農、醫和物聯網等產業，并呈落地之勢。本文以應用實例，全面論述了融合技術的產品發展過程和未來產品趨向。

2 振動概述

2.1 振動起源

在大自然、人們日常生活中，振動是常見的一種自然現象。古代，智慧的勞動人民就已發現采用振動的方式可以清理掉衣物表面上的塵埃。17世紀初，伽利略開始了研究單擺周期和物體振動；17世紀中葉，荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)從系統理論上對振動展開了深入研究。

2.2 振動分類

振動可分為宏觀振動和微觀振動。在大規模機械加工過程中，不良振動會導致機械加工件表面光潔度不合格，影響產品質量。在加工過程中，過度的不良振動會對機床壽命、刀具的磨損度產生直接影響。交通運輸上，航空飛行器上出現的機翼猛烈振動，會導致機毀人亡事故。建筑工程上出現的失控振動，將導致建筑物墻體開裂及整體倒塌。

2.3 振動的基本參數及相關公式

可用于正弦或余弦函數描述的振動過程稱為簡諧振動，振動的參數有位移、速度和加速度。

振動位移

振動速度

振動加速度

式中，為振動的最大值，稱為振幅；為園頻率。

振動三要素為振幅、頻率和相位角。

2.4 振動檢測分類

在工農業生產過程及人們日常生活中，振動的安全檢測控制甚為重要。目前常用振動檢測方式分為非接觸式振動測量與接觸式振動測量兩種形式。非接觸式振動測量是在不與被測物體接觸的工作狀態下，完成相關測量工作；接觸式測量是將測試傳感器直接安裝在被測物體表面，會對原振動的參數產生一定的影響，產生測量誤差值。在現代高、精、尖科技的制造加工領域，非接觸式的激光測量方式由于其擁有獨特的可靈活安裝放置、高精密度測量和高效工作模態等特點，被廣泛采用。

2.5 激光測振技術

激光多普勒測振技術采用非接觸式測量方式，利用激光多普勒頻移效應產生頻差的原理，結合激光干涉技術提取各種物體的振動速度、位移和加速度等信息。激光多普勒測振儀（Laser Doppler Vibrometer，LDV）是以激光為光源，利用了光的散射、反射等特性，對物體振動信息進行測量的儀器。基本原理是激光通過分光棱鏡將光束分為兩路，一路為測量光，另一路為參考光，測量光用于測量被測物體。由于物體表面反射光將與參考光進行拍頻，通過光電二極管對拍頻信號進行處理，提取物體的振動信息。激光測振技術能有效保障在生產加工過程中產品的加工質量，實時檢測加工零部件的在線振動狀況，及時發現生產加工過程中出現的異常情況，反饋相關測量數據。光學外差式測量如圖1所示。

圖1 光學外差式測量

3 LDV激光測振與3D視覺傳感融合應用

3.1 LDV激光測振儀分類及應用

1）單點激光測振儀分為法向和切向兩種。切向測量廣泛應用于磁帶驅動、超聲刀和手術刀等多種行業。法向測量具有自動聚焦、遠程聚焦和聚焦存儲等功能，廣泛應用于工業制造和科研院校，是激光測振儀的基礎，其原理如圖2所示。

2）高速激光測振儀是在基礎單點激光測振儀上開發的新功能、新特性，廣泛應用于賽車發動機氣閥、高功率傳感器和航空航天組建等高速測量行業。

圖2 激光測振儀原理圖

3）便攜式激光測振儀適用于靈活、耐用性要求較高的行業。

4）光纖式激光測振儀適用于空間受限的測量，實時獲取振動數據。

5）遠距離激光測振儀用于測量超遠距離物體振動，有超強的光學靈敏度，可進行建筑物形變監測、微振動自動監測。

6）顯微式激光測振儀用于對微小物體的振動測量，通過顯微成像系統實時觀察物體的振動狀態。

7）三維式激光測振儀可以同時測量物體、、三個方向的振動，適用于測量大型設備的三維振動特性。

8）三維掃描激光測振儀可實現二維、三維動畫顯示及數據分析，適用于大型結構、高溫和柔軟物體等接觸式測量無法滿足的振動測量領域。

9）全場三維掃描激光測振儀可實現高速跟蹤旋轉物體，如航空發動機渦輪葉片、汽車輪胎等ODS工作狀態的三維模態振動測試。

3.2 LDV激光測振儀與3D視覺傳感融合應用

3.2.1 掃描式激光測振儀

掃描式激光測振儀是在單點激光測振儀前加裝兩個掃描鏡，利用本機運動控制系統對掃描鏡的工作狀態進行自動控制，有效調整掃描鏡偏轉角，完成在、方向上的掃描測振。全場掃描式激光測振儀采用非接觸式測量、可視化測量分析，可靈活選擇、設置測量點和測量區域，快速完成對物體表面的掃描工作，適用于高溫、柔軟件和大型結構件等工業場景的應用。3D視覺攝像系統實現人機互動，軟件分析系統實現二維、三維動畫顯示及數據分析等，如圖3所示。

圖3 二維、三維振型圖

3.2.2 融合應用于智能制造及電力場景

激光測振與3D視覺傳感融合已廣泛應用于精密機械與新材料、智能制造、航天航空、汽車制造、電力、交通運輸、生物醫療和5G物聯網等行業，激光測振與各類視覺傳感器的有效結合組成有特定功能的智能機器人，如圖4所示。

圖4 激光測振與各類視覺傳感器的組合

在智能制造加工業，應用于各類精密數控機床加工過程中對數控機床刀具磨損控制，如圖5、圖6所示。

圖5 機床刀具磨控制

圖6 數控機床振動測試

激光測振與各類視覺傳感器組合成的各類型智能機器人用于電力行業的智能化巡檢，對現場的相關指標進行實時監測。及時識別設備的異常狀態，避免發生重大機械故障，產生高額成本的停機，如圖7所示。

在汽車工業領域，用于發動機、變速箱、制動系統、車身部件、進排氣系統、萬向聯軸節、輪胎、電動機和車門等振動測試或模態測試分析，如圖8所示。

圖7 智能機器人巡場

圖8 汽車發動機輸油管振動測試

在航空航天領域，用于發動機振動測試、發動機葉片工作變形分析、激光陀螺動態特性測試、輕質大柔度空間索網天線的模態測試、高速飛行器翼面、舵面、垂尾、發動機噴管等結構的熱模態試驗等，如圖9所示。

圖9 渦輪葉片三維振動分析及衛星電池板模態分析

3.2.3 融合應用于生物醫療領域

激光測振儀與視覺傳感融合可有效評估醫療器械的研發和質量，如牙科或外科超聲設備和成像方法等。使用激光測振儀與視覺傳感融合進行測量，提高醫療保健產品（吸入器、呼吸器和牙刷）的效率和安全性，成為研發、檢查、校準和認證中耳植入物和植入式助聽器的必備工具。掃描式激光測振儀能快速、準確測定超聲波致動器能量的分布情況，是用于驗證有創性和診斷性醫學超聲儀器的FEM模型的高效工具，如圖10所示。

圖10 生物醫療領域的應用

3.2.4 融合應用于5G物聯網與健康診斷平臺領域

激光測振儀與視覺傳感融合應用于5G物聯網光電感知與健康診斷平臺，結合其他聲音、振動、溫度和應變等多種感知技術，在5G物聯網基礎上采集海量數據，并進行人工智能分析。從而對設備狀態實現健康診斷，進一步提出改善方案，構建5G物聯網光電感知與健康診斷平臺系統，如圖11所示。

3.2.5 融合應用于農產品行業

激光測振儀與視覺傳感融合可用于日常生活中的農產品檢測，如：雞蛋品質無損檢測，蘋果、梨、柑橘和獼猴桃的堅實度檢測，柿子、獼猴桃和甜瓜的成熟度檢測，梨等果實彈性特性的檢測以及盒裝牛奶無損檢測等。

圖11 5G物聯網與健康診斷平臺系統

4 未來與發展

對于未來在工業化領域的應用，激光測振儀與視覺傳感融合產品向集成化、微型化、智能化和多樣化，適用于不同特殊場景應用方向發展。不斷開展與各種先進測量技術有效結合，如與遙感技術結合進行水下聲信號探測，完成海洋資源勘探，海洋參數探測；通過在生物和醫學領域的深入研究，在生物體、器官、組織、細胞和神經上獲取不同層面的結構、功能信息；開展對人體心臟瓣膜的振動研究，為提高完善仿生學人造器官提供有益幫助。在工業、智能機器人、新材料和電力系統等動態力上的精準測量，為行業檢測水平提高提供有效保障，在科研領域為聲學方面的深入研究提供必備的高精度測量檢測手段和有效測量途徑。

5 結語

通過將3D視覺技術與LDV測振技術有效結合，已衍生出系列產品可助推于工、農、醫和物聯網等產業發展。隨著新技術革命、“工業4.0”的發展需求，系列產品的集成化、智能化和微型化將是該項融合技術今后研發、制造的重點和發展方向。相關科研、制造單位需投入更多的人力、物力進行深入研究、試制，以取得長足的發展。