薄平板結構共振模態分析系統及其使用方法

專利名稱：薄平板結構共振模態分析系統及其使用方法
技術領域：
本發明涉及ー種共振模態分析。特別是涉及ー種薄平板結構共振模態分析系統及其使用方法。
背景技術：
電子散斑干涉測量技術是ー種高精度，高靈敏度，實時檢測的光學測量技木。由于電子散斑干涉測量技術是基于三維物體表面的微小形變而產生干涉條紋的光學測量技木，因此它廣泛的用于檢測エ業中材料的變形分析，機械工程中振動引起的變形、振動沖擊、粗糙度等測量。 平板結構的共振模態分析在機械工程中的應用非常重要，它廣泛的應用于航空航天工業和電子エ業中。為了測量各種材料，各種形狀，各種邊界條件的經典平板國內外做了多種方法的研究。目前，針對共振頻率和共振模態變形的測量方法主要集中在加速度傳感器和激光多普勒測振的方法，這兩種方法的缺點在于它們都是逐點測量振幅然后擬合出振形，數據量較大，測量速度較慢，對于實時性要求較高的測量環境下也不便于應用。因此，針對傳統方法對于全場測量速度較慢的缺點，薄平板的共振模態的測量需要ー種高精度，快速實時的全場測量的方法。對于電子散斑干涉測量方法，條紋圖對于薄平板在共振條件下的微小位移的變形非常敏感，且電子散斑干涉測量的實時性也非常適合于高速振動物體的共振測量之中。目前國內關于電子散斑干涉測量技術應用的專利主要集中基于物體微小形變的三維位移和形貌的測量領域。如中科院上海光機所的大視場數字全息成像裝置(專利號200240082611.7);中國船舶重工集団公司第七一一研究所的一種三維電子散斑干涉儀(專利號200610024276.0);山東師范大學的利用電子散斑干渉載頻調制技術測量物體形貌的方法(專利號200710112994. 6);清華大學的多功能三維位移和形貌激光干涉測量系統(專利號200910088896.2)等等。這些專利都是基于被測物體微小且穩態變形的基礎上測量物體表面形變的方法，即對物體受到應カ的穩態檢測，不能實現對于物體在共振下動態形變的測量。國內方面將電子散斑干涉測量技術用于振動分析和振幅測量方面的專利還很少，現階段，國內外利用電子散斑干渉技術進行振動分析主要集中在以下方面。國立臺灣大學機械工程學院的團隊利用ESPI系統研究了關于方形壓電材料平板在振動下的變形。臺灣國立清華大學機械工程學院利用ESPI系統研究了不同材料物體粘合后的振動特性和共振頻率的變化，用于測量粘合物體的粘合位置。以上的這些研究方法只是研究了薄板在各個頻率下的振動形變，沒有提到如何通過改變外界激振源的頻率，實現薄板在各階相應的共振頻率下的振動。國內方面西安交通大學先后開發出三代電子散斑測振儀。第一代是采用人エ判讀貝塞爾條紋級數的方法來估算物體振動的。第二代采用相移解調的方法，可定量分析物體振幅，第三代產品還能進行納米振動測量。三代測振儀可以用于測量被測物在外界振動的振幅。東南大學的工程力學系利用單幅數字散斑投影和圖像相關法結合的方法測量了懸臂梁的離面振動，獲得了振形分布和各點振幅值。沈陽發動機設計研究所利用ESPI技術對發動機葉片進行振動變形的測量，這些研究雖然得到了在某一固定頻率的振動條紋分布，但并沒有說明如何快速測量被測物的各階共振頻率，以及各階共振頻率下對應的振形分布。綜上所述，目前利用散斑的測振方法都是測量物體某一的振動頻率下的變形，并沒有說明如何利用電子散斑干涉測量技術對薄板結構的物體進行模態分析，也沒有形成一種專門用于模態分析的散斑干涉測量系統。因此，利用電子散斑干涉測量技術對不同薄平板的共振頻率和共振模態進行全場快速的測量，特別是通過識別不同條紋圖像確定被測板的共振階數和共振頻率，目前國內還沒有一套完整的理論和系統，也沒有利用電子散斑干涉法對薄板進行模態分析的專利
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供ー種在用于對薄板結構的物體進行快速全場的模態分析的薄平板結構共振模態分析系統及其使用方法。本發明所采用的技術方案是ー種薄平板結構共振模態分析系統及其使用方法，薄平板結構共振模態分析系統，包括有激光光源，位于激光光源出光側并將該光分為物光束和參考光束的第一分束棱鏡，位于第一分束棱鏡的物光束ー側的第一空間光濾波器，位于第一分束棱鏡參考光束的ー側的第二空間光濾波器，所述的第一空間光濾波器出射光側設置接收光的被測平板，所述第二空間光濾波器出射光側設置有接收光的參考平面，還依次設置有分別接收被測平板和參考平面所反射的光的第二分束棱鏡、位于第二分束棱鏡出光側并接收第二分束棱鏡所發出的光信號的攝像機、內部嵌入有用于接收攝像機所采集的圖像的圖像采集卡的PC機、以及接收PC機信號的頻率可調諧正弦波發生器，所述的頻率可調諧正弦波發生器的輸出連接用于對被測平板進行激振的激振源。所述的激振源設置于被測平板后側的50cm至80cm處。所述的激振源選用大功率音箱。所述的頻率可調諧正弦波發生器的頻率調節范圍是IOHz 20MHz。所述的頻率可調諧正弦波發生器包括有控制芯片MCU，和通過控制芯片MCU上的第一系統I/O擴展接ロ與控制芯片MCU相連的波形發生器芯片，所述的波形發生器芯片的COSC端ロ分別通過開關SI、S2、S3、S4對應連接電容Cl、C2、C3、C4，所述電容Cl、C2、C3、C4的另一端接地，所述的波形發生器芯片的IIN端ロ和REF端ロ之間通過數字電位器連接，所述的數字電位器的信號輸入端還連接第一系統I/O擴展接ロ，所述的波形發生器芯片的FADJ端腳通過D/A芯片連接第一系統I/O擴展接ロ，所述的波形發生器芯片的輸出連接激振源。所述的控制芯片MCU分別設置有RS232接ロ、SDRAN接ロ、FLASH接ロ、第二系統I/o擴展接ロ、JTAG接口和LCD接ロ。ー種薄平板結構共振模態分析系統的使用方法，包括如下步驟I)首先開啟激振源，并通過頻率可調諧正弦波發生器調節頻率在IOHz 20Hz的低頻振動；2)然后利用攝像機和嵌入有圖像采集卡的PC機采集一幅被測平板的圖像；
3)自小向大的調節頻率可調諧正弦波發生器的頻率，振動的同時利用利用攝像機和嵌入有圖像采集卡的PC機采集另外一幅圖像，并將采集到和該圖像與步驟2)采集的圖像做減模式在PC顯示屏上面顯示。4)當激振源的振動頻率靠近被測平板的共振頻率的時候，被測平板發生共振，且全場變形符合被測平板自身共振變形的分布，并且隨著共振階數和頻率的増加，振動條紋分布也不同；5)當激振源的振動頻率和被測平板的共振頻率相差在1OHz 30Hz的的時候，被測平板將不發生共振。8.根據權利要求7所述的薄平板結構共振模態分析系統的使用方法，其特征在干，步驟3)所采集到圖像的光強分布符合下面的公式:
權利要求
1.一種薄平板結構共振模態分析系統，其特征在于，包括有激光光源(I)，位于激光光源(I)出光側并將該光分為物光束和參考光束的第一分束棱鏡(2),位于第一分束棱鏡(2)的物光束一側的第一空間光濾波器(4)，位于第一分束棱鏡(2)參考光束的一側的第二空間光濾波器(5)，所述的第一空間光濾波器(4)出射光側設置接收光的被測平板(7)，所述第二空間光濾波器(5)出射光側設置有接收光的參考平面(6)，還依次設置有分別接收被測平板(7)和參考平面(6)所反射的光的第二分束棱鏡(3)、位于第二分束棱鏡(3)出光側并接收第二分束棱鏡(3)所發出的光信號的攝像機(8)、內部嵌入有用于接收攝像機(8)所采集的圖像的圖像采集卡的PC機(9)、以及接收PC機(9)信號的頻率可調諧正弦波發生器(10)，所述的頻率可調諧正弦波發生器(10)的輸出連接用于對被測平板(7)進行激振的激振源(11)。
2.根據權利要求I所述的薄平板結構共振模態分析系統，其特征在于，所述的激振源(11)設置于被測平板(7)后側的50cm至80cm處。
3.根據權利要求I所述的薄平板結構共振模態分析系統，其特征在于，所述的激振源(11)選用大功率音箱。
4.根據權利要求I所述的薄平板結構共振模態分析系統，其特征在于，所述的頻率可調諧正弦波發生器(10)的頻率調節范圍是IOHz 20MHz。
5.根據權利要求I所述的薄平板結構共振模態分析系統，其特征在于，所述的頻率可調諧正弦波發生器(10)包括有控制芯片MCU (101)，和通過控制芯片MCU (101)上的第一系統I/O擴展接口(102)與控制芯片MCU (101)相連的波形發生器芯片(103)，所述的波形發生器芯片(103)的COSC端口分別通過開關SI、S2、S3、S4對應連接電容Cl、C2、C3、C4，所述電容C1、C2、C3、C4的另一端接地，所述的波形發生器芯片(103)的IIN端口和REF端口之間通過數字電位器(104)連接，所述的數字電位器(104)的信號輸入端還連接第一系統I/O擴展接口( 102)，所述的波形發生器芯片(103)的FADJ端腳通過D/A芯片連接第一系統I/O擴展接口( 102)，所述的波形發生器芯片(103)的輸出連接激振源(11)。
6.根據權利要求5所述的薄平板結構共振模態分析系統，其特征在于，所述的控制芯片 MCU (101)分別設置有 RS232 接口(105)、SDRAN接口(106)、FLASH接口(107)、第二系統I/O 擴展接口(108)、JTAG 接口(109)和 LCD 接口(1010)。
7.—種權利要求I所述的薄平板結構共振模態分析系統的使用方法，其特征在于，包括如下步驟 1)首先開啟激振源(11)，并通過頻率可調諧正弦波發生器(10)調節頻率在IOHz 20Hz的低頻振動； 2)然后利用攝像機(8)和嵌入有圖像采集卡的PC機(9)采集一幅被測平板(7)的圖像； 3)自小向大的調節頻率可調諧正弦波發生器(10)的頻率，振動的同時利用利用攝像機(8)和嵌入有圖像采集卡的PC機(9)采集另外一幅圖像，并將采集到和該圖像與步驟2)采集的圖像做減模式在PC顯示屏上面顯示。
4)當激振源的振動頻率靠近被測平板的共振頻率的時候，被測平板發生共振，且全場變形符合被測平板自身共振變形的分布，并且隨著共振階數和頻率的增加，振動條紋分布也不同；5)當激振源的振動頻率和被測平板的共振頻率相差在IOHz 30Hz的的時候，被測平板將不發生共振。
8.根據權利要求7所述的薄平板結構共振模態分析系統的使用方法，其特征在于，步驟3)所采集到圖像的光強分布符合下面的公式Γ2Δ^ν0(Γ^)其中r=f(1+cose) ,λ為光波波長，Θ為物光路和參考光路間夾角，A為被測樣板的振幅，即共振下的撓度分布，Iavg為米集條紋的光強分布，Iobj為被測物反射光束的光強，Iref為參考光束的光強信息。Φ為隨機相位差值，λα為振動幅度的變化值。
全文摘要
一種薄平板結構共振模態分析系統及其使用方法，系統包括有位于激光光源出光側的第一分束棱鏡，位于第一分束棱鏡的物光束一側的第一空間光濾波器，位于第一分束棱鏡參考光束的一側的第二空間光濾波器，第一空間光濾波器出射光側設置接收光的被測平板，第二空間光濾波器出射光側設置有接收光的參考平面，還依次設置有第二分束棱鏡、光信號的攝像機、內部嵌入有用于接收攝像機所采集的圖像的圖像采集卡的PC機、以及頻率可調諧正弦波發生器，頻率可調諧正弦波發生器的輸出連接用于對被測平板進行激振的激振源。本發明可以實現對微米級別的共振形變進行高精度的檢測。并且通過后期的圖像處理方法可以將薄平板變形的最大位置的坐標值和變形的最大值一一求解。
文檔編號G01H9/00GK102679902SQ20121016673
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者劉鐵根, 季業, 張以謨, 張紅霞, 賈大功 申請人:天津大學