激光測震.ppt

1、,激光測振儀在微機械振動 測量中的應(yīng)用,蘇州舜新儀器有限公司 *清華大學(xué) 2011.9.26,趙婷婷 王宇峰* 宋云峰,1/27,MEMS簡介,2/27,MEMS指可批量制作的，集微型傳感器、微型結(jié)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口、通訊等于一起的微型器件或系統(tǒng)。它具有微型化、集成化、微電子化等主要特點。 MEMS已在信息技術(shù)外圍設(shè)備、汽車、工業(yè)航空/航天發(fā)動機、消費電子、醫(yī)藥和生命科學(xué)、遠(yuǎn)程通訊等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。,小尺寸： 多樣化： 微電子：,MEMS簡介,*由于尺度小，能夠感受作用的面積極??；由于體積小而相對表 面積大，易受環(huán)境影響。,3/27,包含數(shù)字接口、自檢、自調(diào)整和總線兼

2、容功能，具備在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的基本條件，具有標(biāo)準(zhǔn)的輸出，便于與系統(tǒng)集成在一起，且能按要求靈活的設(shè)計制造出多樣化的MEMS；,采用MEMS工藝可以把不同功能、不同敏感方向或制動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列或其他更復(fù)雜的微系統(tǒng)。,體積小、質(zhì)量輕、功耗低、慣性小,對MEMS進行振動測量主要是利用振動參數(shù)來對MEMS進行設(shè)計或者檢測等，尤其是諧振頻率、線性度、串?dāng)_比等等。 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡解決了原子級尺度的測量問題，但無法勝任MEMS在高頻高速運動下的動力學(xué)特性測試。 激光測振儀可進行非接觸式動態(tài)測量。,MEMS測量方法,4/27,激光多普勒振動儀(La

3、ser Doppler Vibrometer)是一類應(yīng)用最廣的非接觸式無損測量設(shè)備，目前已具備納米級的測量精度，在宏觀結(jié)構(gòu)和微型結(jié)構(gòu)的動態(tài)測量方面都獲得了廣泛應(yīng)用。 非接觸式測量，無附加質(zhì)量； 紅色激光，安全可見； 光斑大小可調(diào)，10um；,激光測振儀的優(yōu)勢,5/27,激光測振儀原理,激光多普勒測振儀是基于光學(xué)干涉原理，也就是光強分別是I1和I2的兩個相干光束相互重疊。其總光強不是簡單的單獨光強的相加而是根據(jù)以下稱之為干涉條件的公式得出的Itot = I1 + I2 + 2(I1I2)cos2(r1r2)/由于多普勒頻移f=2v/,即f與速度(v)成正比變化。傳感器獲得的信號再經(jīng)過頻率電壓轉(zhuǎn)化

4、為電壓信號U,由于該轉(zhuǎn)化為線性，即：U=k(F+f)+L=k*f+L 其中L,L為常數(shù)，電壓通過高通濾波去處直流分量得：U=k*f=2kv/ ，則v=k*U， 電壓與振動速度成正比。,一、面外激光測振儀,6/27,激光測振儀原理,二、面內(nèi)激光測振儀,激光內(nèi)測振儀測量的是垂直于兩個匯聚激光探針平分線平面內(nèi)的表面移動速度。背散色激光的頻移（多普勒效應(yīng)）決定了速度。信號處理把振動（交流電源）組件和連續(xù)運動（直流電源，平均速度）分開。在測量頭里面，輸出激光被分成兩束。探測光離開測量頭，在待測移動表面，以一個已知的角度匯聚和交疊。 兩束交疊的光作用在由平行光和暗條紋構(gòu)成的干涉圖樣的3D區(qū)域（測量范圍）將

5、要測量的表面切割了測量體積，顯示和散色條紋的中間部分。邊緣間距d僅由交叉半角和光的波長決定。 波長的穩(wěn)定，產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)對保持兩個變量不變是很重要的. 多普勒頻移和速度直接成正比例,7/27,產(chǎn)品概況,激光測振儀產(chǎn)品是基于光學(xué)干涉原理，采用非接觸式測量技術(shù)，可以在線實時測量物體的振動速度、振幅、加速度等物理量，用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測和優(yōu)化等。分辨率在納米量級。,針對客戶不同的需求，主要有以下幾種系列：,單點激光多普勒測振儀 三維激光多普勒測振儀 多點激光多普勒測振儀 遠(yuǎn)距離激光測振儀 掃描激光測振儀 高頻激光測振儀 面內(nèi)激光測振儀 顯微激光測振儀,8/27,產(chǎn)品概況,白光干涉儀采用光學(xué)干涉技術(shù)，可

6、以沿垂直軸方向?qū)Ρ粶y物體進行掃描，它精密測量樣品的表面形狀分布。,應(yīng)用領(lǐng)域：,LED晶片基板測量 表面粗糙度/平整度分析 硬盤懸臂焊接點的直徑測量 太陽能電池紋理缺陷檢測,9/27,產(chǎn)品特色優(yōu)勢,產(chǎn)品的新穎性： 納米光電測控設(shè)備在中國的需求量是近幾年才開始發(fā)展起來的,具有相當(dāng)?shù)男路f性。激光測振儀采用非接觸式測量，對物體的振動、速度及位移等進行測量；擁有高空間分辨率；可通過外接顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備實現(xiàn)對微小物體的顯微測試和大型物體的遠(yuǎn)距離測試；,先進性和獨特性： 本團隊研制的納米光電測控設(shè)備在世界上處于先進水平,在中國具領(lǐng)先地位. 其獨特性在于將激光干涉技術(shù)和三角法位移技術(shù)相結(jié)合,可實現(xiàn)動態(tài)和靜

7、態(tài)的同時測量,面內(nèi)激光測振儀和面外激光測振儀相結(jié)合,可實現(xiàn)三維振動同時測量。,10/27,11,案例 1 振動工作臺和壓電陶瓷測試,激光多普勒測振儀應(yīng)用案例,11/27,案例 1 振動工作臺和壓電陶瓷測試,激光多普勒測振儀應(yīng)用案例,12,12/27,13,案例 2 音圈電機測試,激光多普勒測振儀-應(yīng)用案例,13/27,50 Hz,20k Hz,案例 2 音圈電機測試,激光多普勒測振儀應(yīng)用案例,14,14/27,激光多普勒測振儀-應(yīng)用案例,15/27,實驗概述,被測器件是一6*6的超聲換能器陣列，陣列中的每一單元可單獨操作，其基本結(jié)構(gòu)是帶有上下電極的壓電薄膜，所有單元的下電極連在一起，上電極單獨

8、引出，在上下電極間加正弦激勵信號可產(chǎn)生超聲波，當(dāng)接收到超聲波時，上下電極間會有電信號。,16/27,實驗概述,激光測振儀將直徑小于30um的激光光斑匯聚于壓電微超聲換能器的每個單元上，由信號發(fā)生器對其進行激勵，并由激光測振儀測量其振動量，實現(xiàn)了激光測振儀對微結(jié)構(gòu)振動特性的非接觸式測量，并給出了測量結(jié)果，包括諧振頻率、信噪比、低壓串?dāng)_等。,17/27,各系統(tǒng)組成及作用,激光測振儀：發(fā)出并收集測量光和參考光；,電源：220-240Vrms 50-60Hz 激光波長：632.8nm 頻率范圍：1Hz2.5MHz 最大測量速度：20m/s 速度分辨率：1um/s 最大線性誤差：1% 最小光斑尺寸：10

9、um 位移分辨率(20kHZ):0.04nm,18/27,各系統(tǒng)組成及作用,激光測振儀控制箱：對采集到的光信號進行分析；,顯示信號強度,增益設(shè)置,19/27,各系統(tǒng)組成及作用,影像測量儀：縮小光斑尺寸；,20/27,各系統(tǒng)組成及作用,數(shù)據(jù)采集卡：模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 分析軟件：進行數(shù)據(jù)分析； 顯示屏：顯示測量結(jié)果。,21/27,系統(tǒng)示意圖,22/27,試驗搭建,23/27,測試項目及測試結(jié)果,測試目的：找出器件的諧振頻率 測試方法：將光斑定位在單元上電極的中心點，在單元的上下電極間加峰峰值4V的正弦電壓，改變輸入電壓的頻率，記錄相應(yīng)的振動速度或振幅，以便于繪制頻響曲線。,24/27,測試項目及測試結(jié)果,測試目的：測量器件的信噪比 測試方法：將光斑定位在單元上電極的中心點,在單元的上下電極間加峰峰值4V的正弦電壓,頻率即為前面測試確定的諧振頻率.記錄振動的幅度,去除激勵電壓,再次記錄振動的幅度,兩次振幅的比值極為信噪比。 測試結(jié)果：加載前振幅：0.01um 加載后振幅：0.128um 信噪比：0.078125,25/27,測試項目及測試結(jié)果,測試目的：測量器件振動是否對周邊單元產(chǎn)生影響 測試方法：在找到諧振頻率后，在單元的上下電極間加峰峰值4V的正弦電壓，頻率即為前面測試確定的諧振頻率。將光斑