振动是外力作用在弹性体后产生周期运动的一种自然现象，它是物体的一种重要特性，能够反映出物体的外在时空变化和内在特殊性质，所以振动的研究与测试在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。随着现代制造水平的提升，军事、工业、农业等方面大型结构件和负载设备的振动测量具有越来越重要的实际意义，振动测量技术发展水平也成为衡量国家重大机电产品设备质量、可靠性水平的重要标准，由于振动载荷的存在，加快了机械设备的失效，降低机器设备的使用寿命甚至导致损坏酿成事故，并且振动产生的噪音会污染环境危害健康。综上所述，如何测量振动并采取措施降低振动影响成为当前理论研究的重点。
根据测量原理的不同，常用的振动测量方法主要可以分为两类：接触式测量和非接触式测量。
1.接触式振动测量
接触式测量方法属于传统的振动测量方法，需要使用接触式传感器，如加速度计、LVDT位移传感器等。如下图所示，将传感器按一定的规则布置在测量对象之上，并连接上配套的上位机软件，上位机软件显示结构的固有频率、振型、阻尼等振动参数信息。
接触式振动测量方法
接触式测量技术已经非常成熟，具有较高的精度和可靠性。然而，使用接触式传感器测量轻型结构会引起质量负载效应，并在一定程度上会改变结构自身的动力学特性，虽然关于补偿质量负载效应已经做了很多研究，但这些质量抵消方法的精度并不令人满意。此外，这种方法只能提供单一方向的有限输入，并且无法量化传感器布置位置和数量，在特殊情况下，接触式传感器并无法进行有效安装。
1.1接触式振动测量常用的传感器
加速度传感器是接触式振动测量方法中最常用的传感器，根据其转化为电信号的机理不同，可以分为微电容式加速度传感器、微应变式加速度传感器、石英振梁式加速度传感器，其测振结构原理如下图所示：
微电容式加速度传感器结构原理图
微应变式加速度传感器结构原理图
石英振梁式加速度传感器结构原理图
除了加速传感器外，接触式振动测量还使用速度传感器，对于大型汽轮机转子、发机电、大型鼓风机、飞机发动机、空气压缩机等的振动测量，速度传感器很有应用价值。
2 .非接触式振动测量
鉴于接触式振动测量存在的不足，非接触式振动测量得到了发展。相较于接触式测量，非接触式测量方法有两大天然优点：一是非接触测量无质量负载效应，不会带来附加影响；二是在某些情况下，传感器布置比较困难甚至无法布置传感器，此时只能使用非接触式测量法。
2.1激光测振技术
激光测振技术具有测量频带宽并可以高精度地测量高振幅的振动，同时实现对多个测量点的数据采集，可以实现对接近困难的位置和微小的结构的测量，可以测量非常高的振动频率等优点，目前激光测振主要有三种方法，分别是激光干涉法、激光散斑法、激光三角法，其测振系统如下图所示。
激光测振仪的光学系统图
激光散斑测振系统图
2.2图像法测振
从图像入手是测振的另一思路，基于图像的振动测量系统具有不依赖于连接到受刺激对象的接触传感器的优点。它基本上依赖于软件开发，硬件非常简单。研究人员提出一种采用线阵CCD图像传感器、EPP增强型并行接口数据采集卡并同微机数据处理技术相结合的振动测量系统，其灵敏度高、实时显示、安全性好，可高速度高精度的测量振动过程。
2.3其他光学测振方法
光纤布拉格光栅是一种具有电绝缘、防电磁干扰、稳定性好以及远距离信号传输等优点的新型光学振动传感器，可以在光纤中实现多个不同参数传感器的集成，在分布式动态机械系统损伤监测中具有良好的应用前景。因此研究人员提出了一种基于光纤布拉格光栅的振动测量方法，使用的是光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器。
2.4视觉测振方法
数字相机结合机器视觉技术，是一种新型的非接触测量方法，又称基于机器视觉的振动测量方法视觉测振法。因为其不改变结构的动力学特性、可进行多点测量、适应大范围远距离测量的优点，已广泛应用于轻型结构、工业设备以及大型结构的振动测量。相较于昂贵的激光测振仪，数字相机的成本较低。且随着计算机硬件性能和处理器运算速度的提高，以及机器视觉算法的快速发展，视觉测量法的运算速率和计算精度都得到了显著的提高，慢慢的可以满足现代精密测量技术的发展需要。基于机器视觉的振动测量方法国内外已有众多学者进行研究，从方法上可划分为数字图像相关法、传统光流法以及视频运动放大法。
三维数字图像相关法（3D Digital Image Correlation，3D DIC）是最常用的传统机器视觉振动测量方法之一。该方法首先利用图像设备获取待测目标表面变形前后的数字散斑图像。再手动选取变形前图像的感兴趣区域。最后按一定的搜索方法搜索到变形后图像中相关性最大的区域，确定该区域的位置，进而就能计算该区域的振动位移信号。
光流法不需要进行结构表面准备，仅根据结构的自然图像特征就可以提取出运动信息。常用的光流法包括Lucas-Kanade(LK)和Horn-Schunck(HS)方法。光流是图像灰度形式的像素运动速率，即空间运动物体在成像平面上的瞬时速度。通过求解每个像素上的孔径方程计算光流信息，该方程包含图像序列的空间和时间导数，可从视频中估计出运动场，从而恢复振动信号。
一种用于改变视频中感兴趣区域的运动幅度的技术，称之为视频运动放大技术，可以将视频中的微小色彩和运动变化放大转变为肉眼可以观察的变化，将亚像素级别的微小位移放大到像素级的肉眼可见的运动变化。通过视频放大理论，可以将视频中的微小运动进行放大，从而可以可视化振动的过程，清晰地反应振动现象，为视觉测量提供了另一种思路。
3.总结
振动测量方法有很多，绝不止于文中所述，在工业应用上，要根据所测系统的物理特征来选择测量方法，不一定因为接触测量法具有负载效应就不使用，也不一定视觉的方法一定准确，所以对于振动测量人员而言，掌握各种振动测量方法的优劣之处以及适用范围是很重要的，对于研究人员，针对某一特定系统的振动测量问题研究其解决方法是重要的。
最后，本文只是一份简短的叙述，考虑到振动领域的专业人员，我写了一份振动测量方法的详细报告，分享给大家。领取方式为：私信我“振动测量方法”。
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