高精度激光测振分析仪介绍

激光测振仪概述：

激光测振仪概述：

在一些特殊情况下，比如被测试物体不能直接接触，或者传统的接触式传感器（如位移/速度/加速度传感器）无法使用时，非接触式振动测量就显得尤其至关重要，如下列情况：

• 被测件重量轻和尺寸小（电子元器件，压电晶体薄膜，喇叭薄膜，薄壁件等）。
• 测试物件处于高温（200°C-3000°C）或高温及危险环境中，或无法触及到的地方。
• 被测试物件在旋转中。
• 操作者为了提高效率，免除粘贴传感器的时间和繁琐。
• 逆向工程设计中，对有限元模型和试验模型的相关性分析及验证分析，需要增加大量的测试点（大于1000测点以上）。

先泽公司为非接触式远距离振动测量提供了以下系列产品：

根据结构的不同，高精度激光测振分析仪分为单点激光测振仪，单点三维激光测振仪，激光测振仪阵列，单点扫描激光测振仪和单点三维扫描激光测振仪。

根据应用的不同，高精度激光测振分析仪又可以分为显微式激光测振仪，防水型激光测振仪，耐高温和低温型激光测振仪和发动机振动专用测振仪。

1．激光测振仪

1.1原理

和传统的多普勒激光测振仪不同，先泽公司高精度激光测振分析仪（又称自混合干涉型激光测振仪）采用半导体激光作为激光源，以及基于最先进和新颖的自混合干涉技术方案，将直接到激光头腔体里的散射光和标准激光源进行干涉处理，这样大大简化了激光头的设计，测量目标是表面法向方向的位移量 。

                        原理示意图

1.2 原理优势

  和采用多普勒干涉原理的传统激光测振仪相比，自混合干涉型激光测振仪在以下几个方面表现出独特的优势：

1）便携性

自混合干涉型激光测振仪结构小巧轻便，便携性强。多普勒激光测振仪体积大而且笨重。

2）测试结果

自混合干涉型单点激光测振仪可直接测量测试表面的法向位移。增加可选模块，可以直接输出速度和加速度量。

多普勒激光测振仪测量出来的是测试表面法向速度。

3）表面处理

自混合干涉型激光测振仪对绝大多数测试表面无需反光处理，可进行直接测量，测试表面材料包括金属/非金属/塑料/纤维/复合材料/沙子/土壤等。

多普勒激光测振仪对大部分表面需要贴反光纸或涂反光漆。

4）高温表面（200°C – 3000°C）测试

自混合干涉型激光测振仪采用的激光波长为1310nm,有效避开了发热体的发光波长，避免了相互干扰。而且高温表面往往比较粗糙，无需涂高温漆。这两个方面决定了其对高温表面的振动测量极其方便，以及保证信号极高的信噪比。

多普勒激光测振仪需要涂高温漆，实验过程中容易被烧化。另外其激光源的波长在630nm左右，容易和高温发热体的发光波长相互干扰，从而使得测试结果信噪比很低，测量精度差。

5）耐环境温度范围

自混合干涉型单点激光测振仪，结构相对简单，使得其耐温范围很宽。标准产品系列温度范围在-20°C – +80°C之间，定制的温度范围可在-273°C – +650°C之间。可在极其恶劣的温度环境和湿度在90%以上环境里正常工作。

多普勒激光测振仪由于其结构复杂，耐温范围受到限制，一般耐温范围在+5°C – +40°C 之间。

6）应变计算

自混合干涉型激光测振仪测试出来的位移量可直接用于计算应变或应变场，而且能保证极高的精度。

多普勒激光测振仪测量出来的是速度量，需要通过积分得到位移，再算出应变或应变场，极大的积分运算误差影响应变或应变场的结果。

7）设置和对焦的操作

自混合干涉型三维扫描激光测振仪的软件和硬件操作简单易懂，三维扫描激光头对焦等复杂和专业的任务完全实现自动化操作，具有极高的工作效率。

多普勒三维激光测振仪结构复杂，设置和对焦工作复杂繁琐费时，而且对操作者的专业度要求很高。

2. 高精度激光测振分析仪

2.1系统工作原理

采购高精度激光测振分析仪一台。高精度激光测振分析仪可实现目标振动速度、位移和加速度等物理量的获取，可实时显示多种振动物理量的时域波形和频谱分布。 提供配套软件，软件可进行多点时域数据采集或频域数据采集，可进行FFT分析，该高精度激光测振分析仪可用于振动噪声测试实践科研平台上，主要包括激光测振模块和声学测量模块，具备非接触振动测量功能和噪声源扫查定位功能，并通过噪声传感器、振动传感器、激振器、隔振台的采购拓展实验室现有声振测量设备的功能。通过设备振动噪声测试实践科研平台的建设，重点完成局部空间结构模态和声腔模态的快速测量，实现主要噪声源的扫查与定位，同时结合扩建后的声振测量设备完成局部空间的声振特性分析，为开展局部空间的主被动噪声控制技术创新实践活动提供技术支撑，并为振动测量提供新技术新手段。

2.2系统组成

2.3 系统特点

XZ4000LL100m-EXT25M-SCAN高精度激光测振分析仪采用自混合干涉技术原理，非接触式测量结构表面振动，可逐点扫描从1cm的小器件到47m的大型结构，得到样品的一维振型，测试数据可用于模态自动识别和FEM有限元模型验证。

XZ4000LL100m-EXT25M-SCAN高精度激光测振分析仪是由PC电脑通过专业软件遥控测试而成，可以通过软件来设置激光束的偏移角度，外加数据采集系统进行存储和分析振动数据。

XZ4000LL100m-EXT25M-SCAN高精度激光测振分析仪由激光探头（含激光头，镜片扫描系统，摄像系统和轮廓遥测仪）、一套控制器单元、电子控制器、数据采集器及电脑和一套可实现复杂几何表面扫描和测量的综合软件包组成。

 XZ4000LL100m-EXT25M-SCAN高精度激光测振分析仪可在每个方向上50°的扫描空间内测量高达1024个点/每轴。系统软件可实现：目标柔性测量网格的生成、已编程网格的自动化扫描、大量多种数据的分析和过滤选项、以及分析结果的3D动画和可视化显示。

扫描范围进一步扩大，扫描角度达±50°X±50°，扫描速率从0.5 P/s 到 30P/s,高分辨率的扫描点数（1024点×1024点），数量连续可调，一次扫描完成从几个厘米小器件到47米X47米结构的模态测量。

高精度激光测振分析仪具备距离测量功能，测量距离覆盖0.1m到100m范围。

高精度激光测振分析仪扫描过程中,数采系统具有时域和频域模块，所有点的振动以时域和频域方式逐点记录，数采的谱线数可高达1638400点。数采系统采用自动量程方式，可以根据测量值的大小调节量程，以求最大的信噪比。扫描过程中所有点的振动数据以频谱方式逐点存储。

高精度激光测振分析仪具备扫描测量的功能，能输出振动位移、速度和加速度。能同时显示振动位移、振动加速度三种物理量，并能实时显示振动物理量的频谱。

高精度激光测振分析仪可配高性能计算机一台：内含激光测振仪数据管理系统；WIN7或WIN10操作系统，32/64位嵌入式系统，安装有扫描控制软件/数据采集软件/模态后处理软件/应变场计算软件，可连接24 寸及以上的液晶显示屏；10m-15m 主电缆。

该系统所有零部件和各种仪器仪表的计量单位全部采用国际单位（SI）标准JJF1219-2009《激光测振仪校准规范》。                                                             

（1）测点选择简单直观

高清型摄像-高清模式，内置可见摄像头，分辨率为1920×1080光学变焦为30倍.自动对焦，变焦倍率可在软件上设置、自定义测量点和区域。专业布点:任意定义测量网格，任意形状、布点密度等。

多模式快速扫描

3D扫描几何图形-通过集成在激光头部的3D扫描激光遥测仪获得被测物体的距离和轮廓图，也可以提高对焦速度，提高非平面物体的扫描速率（采用可预见或实时焦距调节模式）。支持一键自动聚焦，支持多点自动聚焦，在扫描过程中不需要再对光学头做移动。标准配置的扫描速率最大为50点/秒。

（2）自动扫描和手动扫描两种模式可选

根据客户需求，选择自动或手动两种模式，或自动与手动同时使用。控制软件具有专门的窗口，用绿/黄/红三种颜色判断高精度激光测振分析仪拾取的测点的信号好坏（三种颜色对应好中差）。系统信号差的测点汇总起来，自动或手动地再次对这些测点扫描，同时，将这些测点反馈到数据采集系统，使得数据采集系统同时采集。二维扫描激光测振仪的控制部分将和数据采集系统双向通讯，使得两部分能协调工作。

模态测试

   和高精度激光测振分析仪配套的数据采集系统，控制单元通过扫描系统发出的脉冲（4.5VDC脉冲），能做到和扫描系统同步采集。即使是多次平均采集，也一样可以使得扫描和数据采集同步。

                           采集测试计划设置

                           传递函数和模态分析

                              模态振型图

测高温表面振动功能：

高精度激光测振分析仪采用红外激光头，波长为1310nm,满足高温测量需求。

                           高温叶片

与传统多通道接触式传感器相比，XZ4000LL100m-EXT25M-SCAN 的操作更直观、更简单。启动系统获取形貌数据、定义扫描网格-即可开始扫描测试。 XZ-CONTROLLER控制软件包提供给用户大量的振动信息：各部位的振动状态，振幅大小及频率响应，频响函数等。由厂家集成的数据采集系统所配的模态采集软件，具有模态频响函数品质判断功能，采用自定义的判断准则来确定所测测点的频响函数的质量。如果该点的频响函数质量不好，将可以重新对该点进行测量。可显示任意频率下的频谱图，且能分析出共振点的位置，并将测量结果以图表、图形和动画的形式显示出来。这些图片和动画均可应用于演讲和报告，给人留下深刻印象。

XZ4000LL100m-EXT25M-SCAN技术指标

最大位移 (峰值)	±20mm
位移档	位移量程数量为4档
速度范围	40m/s
速度分辨率	4nm/s/√Hz@1kHz
速度范围	速度范围覆盖1mm/s~40m/s，速度档位数16个
位移分辨率	0.1pm/√Hz
频率范围	DC-25MHZ
最大工作距离	100m
测量对象尺寸	测量对象的大小：包含0.01mm²到47x47m²
形貌测量精度	能够实现形貌扫描功能，形貌测量精度：±1.5mm
聚焦方式	满足自动、手动和软件三种方式可选
最小景深	< 1mm
目标表面	散射或背部反射面
信号输出	支持位移、速度、加速度同步模拟输出
数字接口	具备通过数字接口上传至上位机功能；
激光头尺寸	10cm×8cm×20cm
电子控制器尺寸	24.6cm×15.5cm×29.6cm
激光头重量	3 kg
电子控制器重量	6 kg
低通滤波器	0.3,1,3,10,100 KHZ
输出电压（最大值）	±10 V
激光类型	近红外（内置可见指示激光）
激光波长	包含测振激光和定位激光两种光学元件：近红外激光波段：1550nm波段，定位激光为650nm。激光安全等级：测振激光为1级安全等级，定位激光为1级安全等级
扫描角度	50 °X 50 ° (X和Y向）
最大激光扫描速度	30  点/秒
扫描点密度	1024（X向）x 1024（Y向）
扫描角度分辨率	0.00083°
扫描角度稳定性	< 0.00083°/小时
激光光斑尺寸	100um( 直径）
供电要求	电压110V/220V （50HZ）
环境指标	工作温度范围：0 C°– +60°C,存储温度:-10°C–+70°C,相对湿度:最大80%:无冷凝
防护镜	激光测振模块镜头带防护镜，防止灰尘、风以及环境噪声影响摆镜工作性能
运输箱	提供便携式运输箱，用于存放或转运激光测振设备
附件	随机带三脚架、线缆等附件；提供便携式运输箱，用于存放或转运激光测振设备

选项说明：

1）XZ4000-SCAN表示工作距离5米的二维扫描激光测振仪。工作距离10米或以上的，除了加LL以外，把距离数据加进去。

2）XZ4000LL10m-SCAN-HS-EXT35M-EXTRA-TEM-IP68表示工作距离为10米,HS-量为±100mm和±250mm两档，EXT35M-频带宽为35MHZ,EXTRA-带摄像机和遥测仪器,TEM-耐高温,IP68-防水型。

3）以上各型号的频率带宽是可以定制的，最大带宽可到35MHZ。EXT表示频率拓展到10MHZ,10MHZ以上，需要在EXT后面加上数字，如EXT20M,EXT35M。

2.4主要应用

1）二维扫描激光测振仪适用于逐点测量许多点或一个面的振动信号，但必须是对稳态信号的测量。如汽车中碟式刹车器、挡风玻璃、发动机和车体等部件的NVH和ODS测量，发动机涡轮叶片和机械结构的模态分析，应力应变场的测试和疲劳分析和寿命预估。扬声器、乐器和噪声源的定位和控制，军事上的地雷探测、噪声探测和飞机老化测试。

2）可测量对象：光滑表面（如压电陶瓷、PFA管材表面等），粗糙表面（如环氧树脂复合材料等）

3）用于在外场及室内非接触状态下，测量机械设备、精密器件、 大型结构等结构整体及其零部件在振动情况下，各部位的振动状态、振幅大小及频率响应、各阶频率振型、传递函数等，并能分析出共振点的位置，将结果以图表、图形的形式显示出来。

4)该设备振动噪声测试实践教学平台主要包括激光测振模块和声学测量模块，具备非接触振动测量功能和噪声源扫查定位功能，并通过噪声传感器、振动传感器、激振器、隔振台的采购拓展实验室现有声振测量设备的功能。通过设备振动噪声测试实践教学平台的建设，重点完成局部空间结构模态和声腔模态的快速测量，实现主要噪声源的扫查与定位，同时结合扩建后的声振测量设备完成局部空间的声振特性分析，为开展局部空间的主被动噪声控制技术创新实践活动提供技术支撑，并为振动测量提供新技术新手段。

2．数据采集系统

先泽公司的单点激光测振仪可以和市面上的任何接受模拟电压信号的数据采集系统配套使用，自身也开发了和激光系列产品配套的数据采集卡或数据采集系统XZ-DAQ-4(8)，以及专业的数据采集软件XZ-VTI-LAB。从2019年下半年开始，公司将把数据采集部分集成到控制单元，形成一体化的集成度很高的激光测振系统，以供客户选择。

硬件指标：

数据采集模块：通道数8个，采集带宽100kHz，可支持IEPE供电模式。

输入量程：±10V，±1V，±100mV，±10mV

采样率：262Hz/s

A/D位数：24 bit

动态范围：100dB以上

信号发生模块：通道数2个，可支持正弦、扫频、白噪声和伪随机等输出模式，输出带宽为100kHz；

参考通道：1/2/4个

    8通道数据采集系统                                软件界面

软件功能：

基本软件包集成了常用功能：瞬态数据采集、谱分析（线性谱、功率谱、功率谱密度谱），FFT分析谱线数为1638400；条。此外还提供了丰富的功能：磁盘连续数据记录、借助测试节拍自动定时或定转速间隔自动保存数据、瀑布图、趋势图、谐波失真度、读入其它系统采集的数据、实时数字滤波、实时一次数字积分/微分、实时二次数字积分/微分等功能。

◆ 测量功能

时域波形、线性谱、功率谱、功率谱密度、谐波失真度、自谱、互功率谱、传递函数（H1、H2、1/H1、1/H2）、相干函数、脉冲响应函数、自相关函数、互相关函数、概率密度函数(PDF)、累积分布函数(CDF)、ODSFRF、阻尼比计算。

其他功能：频率响应函数（FRF）、阻尼比分析、振动特征分析、高精度频率分析。

◆ 显示功能

实时显示信号和分析结果；显示多通道采集信号；多通道信号单图表重叠显示或多图表平行显示；采集的同时实时分析信号并显示结果，包括功率谱、阶次谱、倍频程谱、瀑布图、振动级等。

◆ 连续记录及回放分析

实时存盘,数据回放分析 实时保存各通道采集信号；文件大小无限制。

◆ 数字滤波：实时低通、高通、带通、带阻。

◆ 数字微积分：实时一次数字微分、二次数字微分、一次数字积分、二次数字积分.

◆ 测试件建模功能：可以调用现有的模型文档（CAD格式，UFF格式,IGES格式个，OBJ格式等），还可以建立几何模型。

◆ 实时动画显示功能 ：对所有点测试后，可画出所有点的峰值云图，测点布置-幅值分布-随频率变化或固定频率的分布图，时域ODS和频域ODS，MIF（峰值指针函数），并实时动画测试结构。动画视频储存功能（AVI），存储格式：WAV格式，存储时间可调，暂时只要做对所有点测试后，可画出所有点的峰值云图。

◆ 触发功能：在基本的触发功能基础上，增加周期性脉冲触发功能。

◆ 存储功能：在基础的存储功能基础上，增加周期性触发对应的自动存储功能（不同点的存储文件名通过自动加标以区别，加标可以说数字，日期或时间）

◆ 输入数据文件：数据导出，包含：.txt,.csv,.wav，.mat等数据格式文件数据测试结果报表等。

◆ 其他功能：1）测点的坐标信息，2）测量计划的设置，测点自动递增功能，3）各种传感器灵敏度和单位设置，4）自动去除多余通道参与存储和运算功能（比如用于扫描激光测振仪的触发通道信号，只是用于触发作用，对于运算是没有任何用处的，存储的时候（无论是时域信号还是频域信号），都无须参与）5）模态测试给出三维动感提示，以提醒所需敲击的测点，6）频响函数的自动化品质监测（利用响应通道和参考通道之间的相关性在共振峰的值），可给出频响质量的自动评价7）所有测点的均方根值云图。

◆ 开发包：软件需提供SDK开发包，以便客户根据自己的需求自行开发软件。

◆ 操作系统：WIN7/8/10 （32/64bit）。 ◆ 文字：中文/英文,可自动切。

三．专业分析软件

XZ-MODAL模态分析软件

XZ–STRAIN /STRESS应变和应力场测试分析软件 

模态试验分析系统软件：Modal2

Modal2——业界知名的分析软件，具有三大分析功能：

Modal2-EMA（试验模态分析），适用于大型复杂结构在输入输出可测、采用人工激励（激振器或力锤）情况下的多输入多输出（MIMO）振动模态试验与分析。可进行单个或多个激振器激励的模态试验，也可完成采用单个或多个参考点的锤击法模态试验（MRIT）

Modal2-OMA（运行模态分析），适用于大型复杂结构在运行状态中利用自然激励（环境激励）、输入不可测，或者仅使用输出数据情况下的振动模态试验与分析 Modal2-ODS（响应模态分析），分为时域ODS和频域ODS。时域ODS用于观察机械结构在各时间点上的振动响应状态；频域ODS用于观测机械结构在各频率点上的运行状态振型，还可用于区分同一频率点在不同模态空间上的强迫振动振型。

可以直接驱动采集前端，直接实时采集频响函数和ODS动画，也可以导入UFF格式的频响函数进行模态后处理分析。

集成交互式几何建模模块，实现节点、连线、多边形、3D对象的交互式选择、移动、旋转、放大、删除、修改等功能；

可定义总体坐标和局部坐标，具有笛卡尔、柱、以及球等三种坐标系统，各种坐标系统间转换方便；

可实现线段、直线、矩形、梯形、扇面、椭圆、圆台、球体等规则3D对象的快速建模，还可自定义三维单元库； 除了交互式几何建模，模型几何信息也可通过配置信息界面直接进行修改、添加、删除等操作。

向导式的信号处理参数设置，实现趋势去除、时域抽取、快速傅立叶变换（FFT）、加窗函数等功能；

FFT长度：基2整数，根据实测数据自由可选；重叠：0%～83%，可从下拉列表中选择；平均次数：用户自定义；窗函数：矩形窗、汉窗、海明窗、平顶窗、指数窗、力窗、指数窗等；分析频率范围：采样频率的1/2或1/2.56；

功率谱估计：自谱、互谱、功率谱密度矩阵、半功率谱密度矩阵；

单输入多输出（SIMO）的频率响应函数（FRF）估计：H1、H2估计；

多输入多输出（MIMO）的频率响应函数估计及相干函数估计； 多线程支持的信号处理过程，并可采用不同设置参数重复进行。

提供专用的二维曲线与三维图形控制面板，以及鼠标、快捷键、菜单等多种控制方式；

多种曲线表达方式，诸如频率响应函数的幅值（线性、对数、dB坐标）、相位、展开相位、实部、虚部、奈奎斯特图等；

方便灵活的二维曲线显示与控制，网格、图例等元素可显示或隐藏，并能提供相应曲线的完善测量信息（测量节点、方向，是否原点测量等）；

缩放（具有不同缩放状态的记忆能力）、选段、寻峰寻谷等实用功能；

方便灵活的三维图形显示与控制，节点号、输入/输出标记、坐标轴等元素可显示或隐藏，并能轻易实现平移、缩放、旋转等功能；

提供三维图形的俯仰、左右、前后等各向视图，能实现结构的框架线显示或着色面渲染；

二维曲线和三维图形的各元素颜色均可自定义；

基于OpenGL的三维图形动画控制，实现播放、暂停、帧播放、幅度控制、速度控制等功能；

各种二维曲线和三维图形均可复制到操作系统剪贴板中，亦可一键存储为BMP或JPG文件； 振型动画和ODS可直接输出成AVI文件。

• EMA : 基于输入（激振力）、输出（响应）测量的试验模态分析技术 。
• 单输入/多输出（SIMO）的全局模态识别技术，可识别得到全局模态参数；
• 多点激振的多输入/多输出（MIMO）模态识别技术，具有识别高密度或重根模态的能力，是大型、复杂结构试验模态分析的理想方法；
• 单参考点和多参考点锤击法（MRIT）模态识别技术；
• OMA: 环境激励下仅有输出（响应）可测量的运行模态分析技术，可以对桥梁、建筑、汽车、飞机、旋转机械等机械结构在运行状态进行试验与分析，无须人工激振，只需测量响应 。
• 不仅简单可行，同时还可获得结构在真实运行状态下的动态特性，且天然具备多参考点特性，具有解耦密集模态的能力；
• 基于全功率谱密度矩阵的窄带模态参数识别方法（频域空间域分解法，FSDD），方便易用，结果准确；
• 基于半功率谱密度矩阵的窄带模态参数识别方法，操作方便，实现了EMA与OMA分析的统一。 时、频域响应模态分析（ODS）及可视化，用户可实时了解某一时刻或频率点的结构振动模式 。

应力场测试软件VSM-STRAIN/STRESS 通过VSM4000L-EXT-SCAN-3D三维扫描测振仪，可以准确地测试被测物体的原材料数据（各点的位移值），再转变成结构变形ODS，通过后处理软件VSM-STRAIN/STRESS，可以转换成全场应变和应力分布。

特点：

1.全场方法：直接和有限元（FE）计算结果比较。

2.无附加质量，刚度和阻尼。

3.可以测试不同尺寸的被测件。

4.测点可以直接从扫描激光测振仪控制软件得到的模型调用，或有限元(FE)模型调

用。

5.应变数据直接从位移矢量对应的变形数据ODS计算而得，能保证测试精度.

4．国内外部分客户  

     国内部分参考客户

上海大学机电与自动化学院  贵州理工学院机械系，香港理工大学 北京信息科技大学,西南交通大学，重庆大学，国防科技大学， 中南大学，湖南大学，南通大学，机电学院， 中国矿业大学矿岩国家重点实验室， 中国地质大学，江苏大学物理系， 江苏大学材料学院，武汉理工大学，华中科技大学力学系，中国民航大学，南京理工大学，南京航空航天大学，清华大学土木工程系,大连海事大学路桥系，西安交通大学机电学院，西北工业大学，厦门大学，上海交大，上海技术物理所，航天八院812所，航天八院800所，航天702所,航空624所，航空623所，航空614所，深圳烯创材料研究院，宁波智能仪器有限公司，浙江海骆航空科技有限公司，中国商发制造公司，中船105所，中船701所，潍柴，锡柴，一汽解放，福田汽车,同济大学汽车风洞实验中心，苏州泰斯特实验仪器有限公司，无锡广电，苏州长菱测试技术有限公司，西安力利航空科技有限公司，华为东莞分公司，江苏核电，宁德核电，无锡广电等。

五.活动汇总