1. 引言
振动，与人类的生产生活息息相关，直接影响生活的品质和生产的质量。比如：空调在工作时外机的振动直接影响噪音的大小，车辆行驶时的振动直接影响驾驶性能与乘坐的舒适度，旋转机械的振动直接反映设备运转的状态，机械加工设备的振动直接影响到加工的精度与有效性，等等[1] [2] 。随着技术的发展，特别是人们对生产生活的要求越来越高以及设备朝着大型化、高速化的发展，振动带来的问题越来越突出。为解决这些问题，对振动的测试方法和信号的分析技术提出了更高的要求，比如测量测量精度高、灵敏度高和测量范围宽等等。现在的振动测量方法主要有机械法、电测法和光学法三种。但是，机械法测试时，由测试装置会给工件加上一定的负荷，直接影响测试结果，只适用于低频大振幅的振动测量；电测法的灵敏度高、频率范围宽，但易受到电磁场的干扰；光学法的测量精度高，测量范围广，采用非接触的方式，在精密测量、传感器以及测振仪的标定中得到广泛的应用 [3] - [6] 。
针对以上的问题和各测量方法的优缺点，本文提出了一套三维振动测量系统，其采用激光干涉原理和激光多普勒原理的光学法制作的系统，不仅测量精度和灵敏度高，而且能够测量被测物的空间三维振动信息。本文阐述了该系统的硬件和软件部分，对该系统的原理进行了详细的描述。
2. 系统
三维振动测量系统框架如图1所示：它由硬件系统、数据采集板卡和软件系统组成。硬件系统由5台单维的激光多普勒测振仪(Laser Doppler Vibrometer, 简称LDV)构成，其作用是提取被测物体的振动信息，并转化为电信号；数据采集板卡采集LDV输出的电信号，并将其传输到软件系统中；软件系统得到振动数据，进行实时处理和分析，得到各振动指标和曲线图，充分分析物体的振动状态。
2.1. 硬件系统
如图1所示，硬件系统由5台相同的单维LDV (型号为LV-S01，舜宇智能测量仪器有限公司)组成，每台LDV独立运行，都包含光学头和控制箱两部分。
光学头的工作原理如图2所示：光学头内的He-Ne激光器发出的偏振光(设频率为F0)由分光镜分成
Figure 1. The system frame of the three-dimensional vibration measuring equipment
图1. 三维振动测量系统框架图
Figure 2. The working principle of the optical components
图2. 光学头工作原理图
两路，一路作为测量，一路用于参考。测量光通过声光调制器后具有一定频移(F)，再被聚焦到被测物体表面，物体振动引起多普勒频移(f = 2v/λ)。系统收集反射光并与参考光汇聚在传感器上，这样两束光在传感器表面产生干涉，干涉信号的频率为F + f，携带了被测物体的振动信息。控制箱中的信号处理单元剥离出频移信号，并将其转换为速度、位移等振动信号，经过信号调理板卡，最终将被测物体的振动信息以电信号的方式输出。
五台单维LDV的光学头按照图3示意的空间位置摆放，并且五束激光通过聚焦透镜聚焦在被测物的测试点上。光学头3和光学头4到光学头0的距离相等，三者所在的直线定义为空间X轴方向，则光学头3和4发出的激光经过聚焦透镜后与光学头0发出的激光的夹角相等，记为
。同理，光学头1和光学头2到光学头0的距离相等，三者所在的直线定义为空间Y轴方向，则光学头1和2发出的激光经过聚焦透镜后与光学头0发出的激光的夹角相等，记为
。同时，在机械结构上保证五个光学头发出的激光与Z轴平行。实物如图4所示，包含光学头柜和控制箱柜，五个光学头按照要求安装在光学头柜中，五个控制箱摆放在控制箱柜里。
测试前，由公式(1)和公式(2) [7] 可以计算得出光学头1和光学头2发出的两束激光的夹角
以及光学头3和光学头4发出的两束激光的夹角
的大小。其中，五台单维LDV各自测得的振动信息(以速度为例)分别记为V40、V41、V42、V43和V44。
(1)
Figure 3. The spatial locations of the five laser beam
图3. 五束激光空间位置图
(2)
测试时，根据由上述两公式得到的
和
和五台单维LDV测得的振动数据(以速度为例)，由公式(3)、公式(4)和公式(5) [7] 可以得到被测点的空间三维振动信息
和
：
(3)
(4)
(5)
由上所述可知，五个光学头的位置必须按照图3所示的空间位置摆放，并且在机械结构上按照要求固定。若光学头3、光学头4和光学头0 (或者光学头1、光学头2和光学头0)不在同一直线上，或者光学头3和光学头4到光学头0的距离不相等，直接影响
和
的大小，从而影响测量数据的准确性。
2.2. 数据采集卡
数据采集卡选用NI公司的USB-6366数据采集，如图5所示，其包含8个分辨率为16位的模拟输入通道，最高采样率达到2 MS/s，测量范围为−10 V~+10 V，并且提供OEM、BNC和mass接线端三种硬件接口。
2.3. 软件系统
振动测量软件是一款采用图形化编程语言——LabVIEW编写 [8] 的集数据采集和数据分析一体的多功能软件，包含数据采集，数据转化，信号处理、数据分析和测试结果显示、结果保存等功能模块。数据采集模块主要实现对采集板卡的采集设置、开始采集、停止采集等控制；数据转化模块主要是将五路LDV输出的信号通过算法转化为物体空间三维的振动信号(X\Y\Z三分量振动信号)；信号处理模块主要包含滤波(高通、低通、带通和带阻)和加窗(矩形窗、汉宁窗和平顶窗等)功能；数据分析模块主要包含自功率、互功率、小波分析和功率谱密度等分析功能；结果显示模块主要可以将测试结果以时域、频域、瀑布图、三维模拟显示、伯德图以及极坐标等方式显示出来；数据保存模块可以将测试结果的原始数据、显示波形保存在指定的路径下。软件的主界面如图6所示：
软件的流程见图7所示：在硬件连接正确的前提下，启动软件，首先需要对采集参数进行设置，比如采样率、采样数和标定值等，设置结束后，点击运行按钮，程序自动进行采集、信号转化、数据分析和显示等功能，如果需要对信号进行处理，还可以设置滤波器和加窗等操作；如果需要将测试结果保存下来，则可以点击“保存数据”按钮，程序自动将当前的测试数据保存在TDMS格式文件中，或者以UFF格式文件输出测试结果。
3. 试验
利用该系统测试振动台(型号为JX-3B，北京测振仪器厂)的振动信息，调整振动台的位置，利用工装使振动台的实际振动方向与各空间平面(坐标系与五束光的空间坐标系一致)成45˚夹角，并且五束激光汇聚在振动轴的一点上，保证被测物体在X\Y\Z三个方向上的分量都最大。通过设置振动台的振动频率和幅值参数，测试系统能够得到振动台不同振动参数下的空间振动信息。如下面两图所示：图8和图9分别是测试系统(采样率为4096 Hz，采样数为2048)在振动台的振动频率为160 Hz、振幅为35 mm/s条件下测得的时域波形和频谱波形，此时X\Y\Z三个方向上的分量理论值为20.21 mm/s (实际振动方向与X\Y\Z三个方向的夹角为
)，即有效值为14.29 mm/s。由两图可以看出，X\Y\Z三个方向上的振动信号(速度)为正弦波，而且基本无杂波。若信号中带有干扰信号，可以利用滤波器将干扰信号剔除。
Figure 5. The picture of the USB-6366 product
图5. USB-6366产品图
Figure 6. The main interface of the software
图6. 软件主界面
从测试软件中可以直接读出各方向振动指标值，例如幅值、峰峰值、主频、主频幅值等等。表1为实测值和理论值得比较表格，以幅值(速度，单位为mm/s)和主频(单位为Hz)为例。从表格中可以看出，主频的误差比较小，幅值的误差都在5%以内。通过分析，影响幅值大小的因素主要有以下几点：1) 振动台的输出误差在10%左右；2) 系统本身具有误差；3) 环境等不确定因数给测量带来的误差等等。所以，从表格中可以看出，该系统测得的数据比较准确。
Table 1. The compared table of the measured value and theoretical value
表1. 实测值与理论值比较表
注：误差 = (实测值−理论值) ÷ 理论值
4. 结论
本文基于LabVIEW和激光测振仪，利用激光干涉原理和激光多普勒原理，制作了一套三维振动测量系统，该系统能够测量物体的空间三维振动信息，包括时域和频域信息、频谱信息、自功率谱、互功率谱等等，并能自动保存测试结果，为后续的模态分析和故障诊断提供数据。该系统具有测量准确、测量范围宽、采用非接触的方式进行测量等优点，具有较好的应用前景与价值。
基金项目
跨尺度三维光电振动测量仪的开发和应用，国家重大仪器专项，2013YQ470765。