薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法

专利名称：薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及ー种共振模态分析。特别是涉及ー种薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法。
背景技术：
电子散斑干涉测量技术是ー种高精度，高灵敏度，实时检测的光学測量技木。由于电子散斑干涉测量技术是基于三维物体表面的微小形变而产生干涉条纹的光学測量技木，因此它广泛的用于检测エ业中材料的变形分析，机械工程中振动引起的变形、振动冲击、粗糙度等測量。 平板结构的共振模态分析在机械工程中的应用非常重要，它广泛的应用于航空航天工业和电子エ业中。为了测量各种材料，各种形状，各种边界条件的经典平板国内外做了多种方法的研究。目前，针对共振频率和共振模态变形的测量方法主要集中在加速度传感器和激光多普勒测振的方法，这两种方法的缺点在于它们都是逐点測量振幅然后拟合出振形，数据量较大，測量速度较慢，对于实时性要求较高的测量环境下也不便于应用。因此，针对传统方法对于全场测量速度较慢的缺点，薄平板的共振模态的測量需要ー种高精度，快速实时的全场测量的方法。对于电子散斑干涉测量方法，条纹图对于薄平板在共振条件下的微小位移的变形非常敏感，且电子散斑干涉测量的实时性也非常适合于高速振动物体的共振测量之中。目前国内关于电子散斑干涉测量技术应用的专利主要集中基于物体微小形变的三维位移和形貌的测量领域。如中科院上海光机所的大视场数字全息成像装置(专利号200240082611.7);中国船舶重工集団公司第七一一研究所的一种三维电子散斑干涉仪(专利号200610024276.0);山东师范大学的利用电子散斑干渉载频调制技术测量物体形貌的方法(专利号200710112994. 6);清华大学的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统(专利号200910088896.2)等等。这些专利都是基于被测物体微小且稳态变形的基础上測量物体表面形变的方法，即对物体受到应カ的稳态检测，不能实现对于物体在共振下动态形变的测量。国内方面将电子散斑干涉测量技术用于振动分析和振幅測量方面的专利还很少，现阶段，国内外利用电子散斑干渉技术进行振动分析主要集中在以下方面。国立台湾大学机械工程学院的团队利用ESPI系统研究了关于方形压电材料平板在振动下的变形。台湾国立清华大学机械工程学院利用ESPI系统研究了不同材料物体粘合后的振动特性和共振频率的变化，用于测量粘合物体的粘合位置。以上的这些研究方法只是研究了薄板在各个频率下的振动形变，没有提到如何通过改变外界激振源的频率，实现薄板在各阶相应的共振频率下的振动。国内方面西安交通大学先后开发出三代电子散斑测振仪。第一代是采用人エ判读贝塞尔条纹级数的方法来估算物体振动的。第二代采用相移解调的方法，可定量分析物体振幅，第三代产品还能进行纳米振动测量。三代测振仪可以用于測量被测物在外界振动的振幅。东南大学的工程力学系利用单幅数字散斑投影和图像相关法结合的方法測量了悬臂梁的离面振动，获得了振形分布和各点振幅值。沈阳发动机设计研究所利用ESPI技术对发动机叶片进行振动变形的測量，这些研究虽然得到了在某一固定频率的振动条纹分布，但并没有说明如何快速測量被测物的各阶共振频率，以及各阶共振频率下对应的振形分布。综上所述，目前利用散斑的测振方法都是测量物体某一的振动频率下的变形，并没有说明如何利用电子散斑干涉测量技术对薄板结构的物体进行模态分析，也没有形成一种专门用于模态分析的散斑干涉测量系统。因此，利用电子散斑干涉测量技术对不同薄平板的共振频率和共振模态进行全场快速的測量，特别是通过识别不同条纹图像确定被测板的共振阶数和共振频率，目前国内还没有一套完整的理论和系统，也没有利用电子散斑干涉法对薄板进行模态分析的专利
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供ー种在用于对薄板结构的物体进行快速全场的模态分析的薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法。本发明所采用的技术方案是ー种薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法，薄平板结构共振模态分析系统，包括有激光光源，位于激光光源出光侧并将该光分为物光束和參考光束的第一分束棱镜，位于第一分束棱镜的物光束ー侧的第一空间光滤波器，位于第一分束棱镜參考光束的ー侧的第二空间光滤波器，所述的第一空间光滤波器出射光侧设置接收光的被测平板，所述第二空间光滤波器出射光侧设置有接收光的參考平面，还依次设置有分别接收被测平板和參考平面所反射的光的第二分束棱镜、位于第二分束棱镜出光侧并接收第二分束棱镜所发出的光信号的摄像机、内部嵌入有用于接收摄像机所采集的图像的图像采集卡的PC机、以及接收PC机信号的频率可调谐正弦波发生器，所述的频率可调谐正弦波发生器的输出连接用于对被测平板进行激振的激振源。所述的激振源设置于被测平板后侧的50cm至80cm处。所述的激振源选用大功率音箱。所述的频率可调谐正弦波发生器的频率调节范围是IOHz 20MHz。所述的频率可调谐正弦波发生器包括有控制芯片MCU，和通过控制芯片MCU上的第一系统I/O扩展接ロ与控制芯片MCU相连的波形发生器芯片，所述的波形发生器芯片的COSC端ロ分别通过开关SI、S2、S3、S4对应连接电容Cl、C2、C3、C4，所述电容Cl、C2、C3、C4的另一端接地，所述的波形发生器芯片的IIN端ロ和REF端ロ之间通过数字电位器连接，所述的数字电位器的信号输入端还连接第一系统I/O扩展接ロ，所述的波形发生器芯片的FADJ端脚通过D/A芯片连接第一系统I/O扩展接ロ，所述的波形发生器芯片的输出连接激振源。所述的控制芯片MCU分别设置有RS232接ロ、SDRAN接ロ、FLASH接ロ、第二系统I/o扩展接ロ、JTAG接口和LCD接ロ。ー种薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，包括如下步骤I)首先开启激振源，并通过频率可调谐正弦波发生器调节频率在IOHz 20Hz的低频振动；2)然后利用摄像机和嵌入有图像采集卡的PC机采集一幅被测平板的图像；
3)自小向大的调节频率可调谐正弦波发生器的频率，振动的同时利用利用摄像机和嵌入有图像采集卡的PC机采集另外一幅图像，并将采集到和该图像与步骤2)采集的图像做减模式在PC显示屏上面显示。4)当激振源的振动频率靠近被测平板的共振频率的时候，被测平板发生共振，且全场变形符合被测平板自身共振变形的分布，并且随着共振阶数和频率的増加，振动条纹分布也不同；5)当激振源的振动频率和被测平板的共振频率相差在1OHz 30Hz的的时候，被测平板将不发生共振。8.根据权利要求7所述的薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，其特征在干，步骤3)所采集到图像的光强分布符合下面的公式:
权利要求
1.一种薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，包括有激光光源(I)，位于激光光源(I)出光侧并将该光分为物光束和参考光束的第一分束棱镜(2),位于第一分束棱镜(2)的物光束一侧的第一空间光滤波器(4)，位于第一分束棱镜(2)参考光束的一侧的第二空间光滤波器(5)，所述的第一空间光滤波器(4)出射光侧设置接收光的被测平板(7)，所述第二空间光滤波器(5)出射光侧设置有接收光的参考平面(6)，还依次设置有分别接收被测平板(7)和参考平面(6)所反射的光的第二分束棱镜(3)、位于第二分束棱镜(3)出光侧并接收第二分束棱镜(3)所发出的光信号的摄像机(8)、内部嵌入有用于接收摄像机(8)所采集的图像的图像采集卡的PC机(9)、以及接收PC机(9)信号的频率可调谐正弦波发生器(10)，所述的频率可调谐正弦波发生器(10)的输出连接用于对被测平板(7)进行激振的激振源(11)。
2.根据权利要求I所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的激振源(11)设置于被测平板(7)后侧的50cm至80cm处。
3.根据权利要求I所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的激振源(11)选用大功率音箱。
4.根据权利要求I所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的频率可调谐正弦波发生器(10)的频率调节范围是IOHz 20MHz。
5.根据权利要求I所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的频率可调谐正弦波发生器(10)包括有控制芯片MCU (101)，和通过控制芯片MCU (101)上的第一系统I/O扩展接口(102)与控制芯片MCU (101)相连的波形发生器芯片(103)，所述的波形发生器芯片(103)的COSC端口分别通过开关SI、S2、S3、S4对应连接电容Cl、C2、C3、C4，所述电容C1、C2、C3、C4的另一端接地，所述的波形发生器芯片(103)的IIN端口和REF端口之间通过数字电位器(104)连接，所述的数字电位器(104)的信号输入端还连接第一系统I/O扩展接口( 102)，所述的波形发生器芯片(103)的FADJ端脚通过D/A芯片连接第一系统I/O扩展接口( 102)，所述的波形发生器芯片(103)的输出连接激振源(11)。
6.根据权利要求5所述的薄平板结构共振模态分析系统，其特征在于，所述的控制芯片 MCU (101)分别设置有 RS232 接口(105)、SDRAN接口(106)、FLASH接口(107)、第二系统I/O 扩展接口(108)、JTAG 接口(109)和 LCD 接口(1010)。
7.—种权利要求I所述的薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤 1)首先开启激振源(11)，并通过频率可调谐正弦波发生器(10)调节频率在IOHz 20Hz的低频振动； 2)然后利用摄像机(8)和嵌入有图像采集卡的PC机(9)采集一幅被测平板(7)的图像； 3)自小向大的调节频率可调谐正弦波发生器(10)的频率，振动的同时利用利用摄像机(8)和嵌入有图像采集卡的PC机(9)采集另外一幅图像，并将采集到和该图像与步骤2)采集的图像做减模式在PC显示屏上面显示。
4)当激振源的振动频率靠近被测平板的共振频率的时候，被测平板发生共振，且全场变形符合被测平板自身共振变形的分布，并且随着共振阶数和频率的增加，振动条纹分布也不同；5)当激振源的振动频率和被测平板的共振频率相差在IOHz 30Hz的的时候，被测平板将不发生共振。
8.根据权利要求7所述的薄平板结构共振模态分析系统的使用方法，其特征在于，步骤3)所采集到图像的光强分布符合下面的公式Γ2Δ^ν0(Γ^)其中r=f(1+cose) ,λ为光波波长，Θ为物光路和参考光路间夹角，A为被测样板的振幅，即共振下的挠度分布，Iavg为米集条纹的光强分布，Iobj为被测物反射光束的光强，Iref为参考光束的光强信息。Φ为随机相位差值，λα为振动幅度的变化值。
全文摘要
一种薄平板结构共振模态分析系统及其使用方法，系统包括有位于激光光源出光侧的第一分束棱镜，位于第一分束棱镜的物光束一侧的第一空间光滤波器，位于第一分束棱镜参考光束的一侧的第二空间光滤波器，第一空间光滤波器出射光侧设置接收光的被测平板，第二空间光滤波器出射光侧设置有接收光的参考平面，还依次设置有第二分束棱镜、光信号的摄像机、内部嵌入有用于接收摄像机所采集的图像的图像采集卡的PC机、以及频率可调谐正弦波发生器，频率可调谐正弦波发生器的输出连接用于对被测平板进行激振的激振源。本发明可以实现对微米级别的共振形变进行高精度的检测。并且通过后期的图像处理方法可以将薄平板变形的最大位置的坐标值和变形的最大值一一求解。
文档编号G01H9/00GK102679902SQ20121016673
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者刘铁根, 季业, 张以谟, 张红霞, 贾大功 申请人:天津大学