LDV激光测振与3D视觉传感技术融合的实践与展望

严建伟

应用 Application

LDV激光测振与3D视觉传感技术融合的实践与展望

严建伟

（浙江舜宇智能光学技术有限公司，浙江省杭州市 310000）

随着LDV激光测振技术与3D视觉技术的迅猛发展，两项应用性技术的有效结合及融合发展的产品已广泛应用于各行业。同时衍生出应用于不同领域、具有各种特殊功能性的科技产品。着重介绍相关产品的研发实践过程和产品展望。

3D视觉；激光测振

1 引言

随着智能化产业的高速发展，3D视觉技术与LDV测振技术融合的产品，已广泛应用于工、农、医和物联网等产业，并呈落地之势。本文以应用实例，全面论述了融合技术的产品发展过程和未来产品趋向。

2 振动概述

2.1 振动起源

在大自然、人们日常生活中，振动是常见的一种自然现象。古代，智慧的劳动人民就已发现采用振动的方式可以清理掉衣物表面上的尘埃。17世纪初，伽利略开始了研究单摆周期和物体振动；17世纪中叶，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)从系统理论上对振动展开了深入研究。

2.2 振动分类

振动可分为宏观振动和微观振动。在大规模机械加工过程中，不良振动会导致机械加工件表面光洁度不合格，影响产品质量。在加工过程中，过度的不良振动会对机床寿命、刀具的磨损度产生直接影响。交通运输上，航空飞行器上出现的机翼猛烈振动，会导致机毁人亡事故。建筑工程上出现的失控振动，将导致建筑物墙体开裂及整体倒塌。

2.3 振动的基本参数及相关公式

可用于正弦或余弦函数描述的振动过程称为简谐振动，振动的参数有位移、速度和加速度。

振动位移

振动速度

振动加速度

式中，为振动的最大值，称为振幅；为园频率。

振动三要素为振幅、频率和相位角。

2.4 振动检测分类

在工农业生产过程及人们日常生活中，振动的安全检测控制甚为重要。目前常用振动检测方式分为非接触式振动测量与接触式振动测量两种形式。非接触式振动测量是在不与被测物体接触的工作状态下，完成相关测量工作；接触式测量是将测试传感器直接安装在被测物体表面，会对原振动的参数产生一定的影响，产生测量误差值。在现代高、精、尖科技的制造加工领域，非接触式的激光测量方式由于其拥有独特的可灵活安装放置、高精密度测量和高效工作模态等特点，被广泛采用。

2.5 激光测振技术

激光多普勒测振技术采用非接触式测量方式，利用激光多普勒频移效应产生频差的原理，结合激光干涉技术提取各种物体的振动速度、位移和加速度等信息。激光多普勒测振仪（Laser Doppler Vibrometer，LDV）是以激光为光源，利用了光的散射、反射等特性，对物体振动信息进行测量的仪器。基本原理是激光通过分光棱镜将光束分为两路，一路为测量光，另一路为参考光，测量光用于测量被测物体。由于物体表面反射光将与参考光进行拍频，通过光电二极管对拍频信号进行处理，提取物体的振动信息。激光测振技术能有效保障在生产加工过程中产品的加工质量，实时检测加工零部件的在线振动状况，及时发现生产加工过程中出现的异常情况，反馈相关测量数据。光学外差式测量如图1所示。

图1 光学外差式测量

3 LDV激光测振与3D视觉传感融合应用

3.1 LDV激光测振仪分类及应用

1）单点激光测振仪分为法向和切向两种。切向测量广泛应用于磁带驱动、超声刀和手术刀等多种行业。法向测量具有自动聚焦、远程聚焦和聚焦存储等功能，广泛应用于工业制造和科研院校，是激光测振仪的基础，其原理如图2所示。

2）高速激光测振仪是在基础单点激光测振仪上开发的新功能、新特性，广泛应用于赛车发动机气阀、高功率传感器和航空航天组建等高速测量行业。

图2 激光测振仪原理图

3）便携式激光测振仪适用于灵活、耐用性要求较高的行业。

4）光纤式激光测振仪适用于空间受限的测量，实时获取振动数据。

5）远距离激光测振仪用于测量超远距离物体振动，有超强的光学灵敏度，可进行建筑物形变监测、微振动自动监测。

6）显微式激光测振仪用于对微小物体的振动测量，通过显微成像系统实时观察物体的振动状态。

7）三维式激光测振仪可以同时测量物体、、三个方向的振动，适用于测量大型设备的三维振动特性。

8）三维扫描激光测振仪可实现二维、三维动画显示及数据分析，适用于大型结构、高温和柔软物体等接触式测量无法满足的振动测量领域。

9）全场三维扫描激光测振仪可实现高速跟踪旋转物体，如航空发动机涡轮叶片、汽车轮胎等ODS工作状态的三维模态振动测试。

3.2 LDV激光测振仪与3D视觉传感融合应用

3.2.1 扫描式激光测振仪

扫描式激光测振仪是在单点激光测振仪前加装两个扫描镜，利用本机运动控制系统对扫描镜的工作状态进行自动控制，有效调整扫描镜偏转角，完成在、方向上的扫描测振。全场扫描式激光测振仪采用非接触式测量、可视化测量分析，可灵活选择、设置测量点和测量区域，快速完成对物体表面的扫描工作，适用于高温、柔软件和大型结构件等工业场景的应用。3D视觉摄像系统实现人机互动，软件分析系统实现二维、三维动画显示及数据分析等，如图3所示。

图3 二维、三维振型图

3.2.2 融合应用于智能制造及电力场景

激光测振与3D视觉传感融合已广泛应用于精密机械与新材料、智能制造、航天航空、汽车制造、电力、交通运输、生物医疗和5G物联网等行业，激光测振与各类视觉传感器的有效结合组成有特定功能的智能机器人，如图4所示。

图4 激光测振与各类视觉传感器的组合

在智能制造加工业，应用于各类精密数控机床加工过程中对数控机床刀具磨损控制，如图5、图6所示。

图5 机床刀具磨控制

图6 数控机床振动测试

激光测振与各类视觉传感器组合成的各类型智能机器人用于电力行业的智能化巡检，对现场的相关指标进行实时监测。及时识别设备的异常状态，避免发生重大机械故障，产生高额成本的停机，如图7所示。

在汽车工业领域，用于发动机、变速箱、制动系统、车身部件、进排气系统、万向联轴节、轮胎、电动机和车门等振动测试或模态测试分析，如图8所示。

图7 智能机器人巡场

图8 汽车发动机输油管振动测试

在航空航天领域，用于发动机振动测试、发动机叶片工作变形分析、激光陀螺动态特性测试、轻质大柔度空间索网天线的模态测试、高速飞行器翼面、舵面、垂尾、发动机喷管等结构的热模态试验等，如图9所示。

图9 涡轮叶片三维振动分析及卫星电池板模态分析

3.2.3 融合应用于生物医疗领域

激光测振仪与视觉传感融合可有效评估医疗器械的研发和质量，如牙科或外科超声设备和成像方法等。使用激光测振仪与视觉传感融合进行测量，提高医疗保健产品（吸入器、呼吸器和牙刷）的效率和安全性，成为研发、检查、校准和认证中耳植入物和植入式助听器的必备工具。扫描式激光测振仪能快速、准确测定超声波致动器能量的分布情况，是用于验证有创性和诊断性医学超声仪器的FEM模型的高效工具，如图10所示。

图10 生物医疗领域的应用

3.2.4 融合应用于5G物联网与健康诊断平台领域

激光测振仪与视觉传感融合应用于5G物联网光电感知与健康诊断平台，结合其他声音、振动、温度和应变等多种感知技术，在5G物联网基础上采集海量数据，并进行人工智能分析。从而对设备状态实现健康诊断，进一步提出改善方案，构建5G物联网光电感知与健康诊断平台系统，如图11所示。

3.2.5 融合应用于农产品行业

激光测振仪与视觉传感融合可用于日常生活中的农产品检测，如：鸡蛋品质无损检测，苹果、梨、柑橘和猕猴桃的坚实度检测，柿子、猕猴桃和甜瓜的成熟度检测，梨等果实弹性特性的检测以及盒装牛奶无损检测等。

图11 5G物联网与健康诊断平台系统

4 未来与发展

对于未来在工业化领域的应用，激光测振仪与视觉传感融合产品向集成化、微型化、智能化和多样化，适用于不同特殊场景应用方向发展。不断开展与各种先进测量技术有效结合，如与遥感技术结合进行水下声信号探测，完成海洋资源勘探，海洋参数探测；通过在生物和医学领域的深入研究，在生物体、器官、组织、细胞和神经上获取不同层面的结构、功能信息；开展对人体心脏瓣膜的振动研究，为提高完善仿生学人造器官提供有益帮助。在工业、智能机器人、新材料和电力系统等动态力上的精准测量，为行业检测水平提高提供有效保障，在科研领域为声学方面的深入研究提供必备的高精度测量检测手段和有效测量途径。

5 结语

通过将3D视觉技术与LDV测振技术有效结合，已衍生出系列产品可助推于工、农、医和物联网等产业发展。随着新技术革命、“工业4.0”的发展需求，系列产品的集成化、智能化和微型化将是该项融合技术今后研发、制造的重点和发展方向。相关科研、制造单位需投入更多的人力、物力进行深入研究、试制，以取得长足的发展。