全息妙用：高分辨振动测量

因此，测量振动的物理变量，探讨各种振动现象的机理，阐明振动的基本规律，可以为解决实践中可能产生的振动问题提供理论依据。

在工程技术领域，机械系统运行和刀具切削过程中的振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度和光洁度，加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和结构物的使用寿命。振动还可能引起结构的大变形破坏，建筑结构和桥梁在风或地震载荷下因振动而坍毁，飞机机翼的颤振和机轮的抖振造成事故，如图1所示。

图1：桥梁震动

图源：Brown University

对变形和振动的精确测量是工业应用中的关键。目前应用最广泛的振动测量方式是激光多普勒测振仪（LDV）（名词解释>），它能够实现在高时间和空间分辨率下的物体振动测量。但由于测量原理限制，LDV往往只能进行单点测量，一旦需要多个区域的同步测量，布置多个LDV装置的方案不仅成本高昂且难以实施。

针对多个位置的振动同步测量，目前的主要的发展方向为多波束LDV和多传感器，但这些方案要么受到波束定向灵活性的限制，要么在传感器头调整、信号同步方面成本高昂。

鉴于此，来自德国斯图加特大学的 Wolfgang Osten 教授的研究小组提出了一种灵活适用的高分辨多点实时振动测量方法。

该成果以“Multi-positional image-based vibration measurement by holographic image replication”为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

该方法基于成像测量原理，将单个光源的全息图像复制到图像传感器上，可在148 mm×110 mm的范围内同时测量多个位置的绝对和相对振动，可以清晰地检测到100 nm的振幅和1000 Hz的频率。并且，所有实验均使用最先进的振动计进行了验证。

与传统的振动测量方法相比，该方法不需要对小振幅进行校准，并具备同时测量多个光源之间相对运动的能力。研究小组进一步证明了在省略带通滤波的情况下，可以实现监控多个目标点之间的相对振荡。

图2：振动测量方法示意图

图源：Light: Advanced Manufacturing

基于空间平均原理，研究人员将单个光源的光斑以全息方式复制成一组N=21个光斑。如图3所示，通过使用光刻制作的衍射光学元件（DOE）生成光斑簇，放置在双远心透镜的傅里叶平面中。根据傅里叶移位定理可知，如果光源移动，所有复制的光点移动量相同。通过计算光斑簇中所有光斑中心的平均值，理想的光源位置精度可以提高√N倍。

图3：基于衍射光学元件的光斑簇生成

图源：Light: Advanced Manufacturing

为了测量每个光斑的振动，需要计算图像中每个相应簇的位置。图4总结了确定亚像素簇位置的过程。

图4：图像处理过程示意图

图源：Light: Advanced Manufacturing

步骤1：选取一个光斑簇的图像区域，通过模糊卷积和局部极大值算法对每个光斑的粗略位置进行定位，将光斑位置（标记为蓝色十字）在模板坐标系中标出，并存储在矢量图中（图4a）。

步骤2：对每个图像中的光斑簇位置进行粗略定位（图4b）。使用与步骤1中的模板坐标系的互相关找到每个簇的左上角。对相关结果进行模糊处理，采用局部极大值算法得到局部极大值。

步骤3：将步骤1中的点地图坐标与步骤2中的粗略簇位置相结合。在光斑粗中的每个单点周围标记蓝色方块（图4c）。通过计算在环境和物体上的光标记之间的相对运动，即可测得物体的振幅和频率。

总的来说，这项工作提出了一种低成本且灵活的振动测量系统，能够实现高分辨率的大范围振动测量。

这种多点实时的测量方法在工业应用中，如汽车发动机和车身零件的振动监测，可以有效提升振动的测量精度和效率。

对于更大的应用场景，如桥梁或建筑物，也可以使用这种多点的测量方法，并且在外部干扰下也能实现高分辨率，从而满足复杂环境下对振动测量的需求。

论文信息：

Hartlieb et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:32

http://dx.doi.org/10.37188/lam.2021.032