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三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀及其應(yīng)用

 

三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀系統(tǒng)采用三臺(tái)高精度激光干涉儀（如圖1所示），計(jì)算機(jī)控制這三路激光在掃描過(guò)程中始終照射在目標(biāo)的同一位置，掃描完畢后，由軟件自動(dòng)完成多區(qū)域掃描三維數(shù)據(jù)的拼接，迅速輸出三維振型。用戶無(wú)需建模，直接在實(shí)物視頻圖像上快速完成測(cè)量網(wǎng)格布置，操作簡(jiǎn)單直觀。此外，該系統(tǒng)還可通過(guò)激光掃描建立目標(biāo)三維輪廓數(shù)據(jù)，是一款用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維振動(dòng)模態(tài)測(cè)量的不可替代的工具。該系統(tǒng)可在距目標(biāo)0.125米~50米距離上測(cè)試，一次掃描完成從幾個(gè)厘米小器件到數(shù)十米大結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)數(shù)可多達(dá)數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)。

 

系統(tǒng)軟件包提供給用戶大量的振動(dòng)信息：各部位的振動(dòng)狀態(tài)，振幅大小及頻率響應(yīng)，各階頻率振型，傳遞函數(shù)等?？娠@示任意頻率下的頻譜圖，且能分析出共振點(diǎn)的位置，并將測(cè)量結(jié)果以圖表、圖形和動(dòng)畫的形式顯示出來(lái)。這些圖片和動(dòng)畫均可應(yīng)用于演講和報(bào)告，給人留下深刻印象。     

 

 

圖1三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

 

（一）基本原理

 

三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀是基于激光多普勒參考光測(cè)量技術(shù)，基本原理為利用相干的激光來(lái)照射振動(dòng)物體表面,從物體表面散射回來(lái)的反射光會(huì)發(fā)生頻移。利用光學(xué)與電子學(xué)的方法測(cè)出散射光的頻移,便可得到物體振動(dòng)表面的振幅、振頻、速度和加速度等各個(gè)振動(dòng)參數(shù)。

 

目前的激光測(cè)振儀可以采用直接或間接的辦法得到物理測(cè)試表面的振動(dòng)速度信號(hào)，通過(guò)積分或微分可以得到相應(yīng)的位移或加速度振動(dòng)信號(hào)。三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀通過(guò)三個(gè)激光傳感器可對(duì)器件結(jié)構(gòu)的三個(gè)方向的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備和原理圖如圖2所示。三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀可針對(duì)不同尺寸量級(jí)的物體進(jìn)行專門的軟硬件開(kāi)發(fā)，如本實(shí)驗(yàn)室除了具備常規(guī)尺寸量級(jí)物體結(jié)構(gòu)的測(cè)振能力，還專門針對(duì)電子器件這種小型尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了配置。

 

 

 

（a）三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀  （b）激光測(cè)振原理示意圖

 

圖2三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振系統(tǒng)及測(cè)試原理

 

（二）技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域

 

1.技術(shù)參數(shù)

 

三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振系統(tǒng)
功能模塊	技術(shù)參數(shù)	指標(biāo)
環(huán)境	工作氣壓	標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325kPa
	工作距離	0.125m~50m
振動(dòng)測(cè)量	測(cè)量原理	激光多普勒原理
	頻率范圍	DC-1MHz / DC-25MHz
	振動(dòng)速度	0.001m/s~10m/s
	速度分辨率	0.01(μm/s)/Hz~2.5(μm/s)/Hz
	位移分辨率	50fm/Hz
形貌測(cè)量	垂直測(cè)量范圍	250µm
	分辨率(RMS)	光滑表面評(píng)估程序45pm；粗糙表面評(píng)估程序1.2nm
	可重復(fù)精度	光滑表面評(píng)估程序500pm；粗糙表面評(píng)估程序20nm

 

2.應(yīng)用領(lǐng)域

 

（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析：機(jī)械設(shè)備、精密器件、大型結(jié)構(gòu)等的整體及其零部件的振動(dòng)狀態(tài)測(cè)試

 

· 動(dòng)態(tài)測(cè)試及振動(dòng)分析，如：硬盤驅(qū)動(dòng)的讀寫頭

 

· 健康監(jiān)測(cè)：印刷電路板、汽車及飛機(jī)內(nèi)部電子設(shè)備的缺陷分析

 

· 洗衣機(jī)、真空吸塵器、電動(dòng)牙刷或電氣工具的性能優(yōu)化和質(zhì)量控制

 

特別優(yōu)勢(shì)：極小體積物體的振動(dòng)測(cè)量，部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，寬測(cè)量頻帶

 

（2）汽車行業(yè)

 

· 剎車盤、輪胎、車門等噪音控制

 

· 汽車車身及零部件的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

 

特別優(yōu)勢(shì)：全自動(dòng)化控制、高效率、多路輸入輸出、不受被測(cè)表面影響、CAE接口、模態(tài)分析

 

（3）航空航天業(yè)

 

· 航空材料的疲勞及缺陷檢測(cè)

 

· 航天航空零部件的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)測(cè)試

 

特別優(yōu)勢(shì)：對(duì)輕型、溫敏結(jié)構(gòu)無(wú)任何附加質(zhì)量影響，可在真空環(huán)境下測(cè)試

 

（4）超聲應(yīng)用

 

·超聲傳感器、超聲制動(dòng)器、超聲工具、超聲馬達(dá)的振動(dòng)特性測(cè)試及優(yōu)化

 

· 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)療科技和車輛構(gòu)造

 

特別優(yōu)勢(shì)：寬頻帶、測(cè)量點(diǎn)高精度定位、小樣品測(cè)試

 

（三）應(yīng)用示例：氣密陶瓷封裝蓋板振動(dòng)特性測(cè)量

 

氣密性陶瓷封裝是集成電路封裝行業(yè)中常用的一種封裝形式，它具有絕緣性好、氣密性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高和散熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于電子工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域。氣密性陶瓷封裝在服役過(guò)程中的振動(dòng)特性測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)至關(guān)重要。

 

然而不可忽視的是，傳統(tǒng)的接觸式應(yīng)變片或加速度傳感器振動(dòng)測(cè)量方法在某些情況下難以適用，比如，應(yīng)變片的尺寸、質(zhì)量相對(duì)于微小結(jié)構(gòu)不可忽略，其產(chǎn)生的附加質(zhì)量和剛度會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響；應(yīng)變片不耐高低溫，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。因此，對(duì)于微小結(jié)構(gòu)，需要一種非接觸的測(cè)量方法來(lái)規(guī)避這些影響。

 

電子五所對(duì)微小輕薄電子器件的振動(dòng)可靠性及其關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量有深入的研究，實(shí)驗(yàn)室基于“三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀”搭建了器件級(jí)微小結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，可對(duì)氣密陶瓷封裝一類輕薄板件的振動(dòng)參數(shù)、模態(tài)參數(shù)和表面形貌測(cè)量，提供精確的三維動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

 

我們利用器件級(jí)微小結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)CCGA封裝的振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)量，包括振幅、振型、頻率等振動(dòng)參數(shù)。被測(cè)的器件封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，試驗(yàn)的振動(dòng)激勵(lì)源為15mm×15mm的壓電陶瓷晶體，如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)將晶體粘貼在器件轉(zhuǎn)接PCB上。

 

 

 

 

圖3 CCGA封裝器件

 

 

圖4 激勵(lì)源布置

 

主動(dòng)激勵(lì)的信號(hào)由系統(tǒng)內(nèi)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并傳輸至壓電陶瓷片，同時(shí)該信號(hào)可用作相位參考。應(yīng)用三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀，采用主動(dòng)激勵(lì)方式進(jìn)行測(cè)試，所有測(cè)點(diǎn)平均頻譜圖如圖5所示。

 

選取主動(dòng)激勵(lì)頻譜圖中一個(gè)最為明顯的共振峰。由于有相位參考，所有測(cè)點(diǎn)的相對(duì)相位已知，從而得出振型動(dòng)畫。觀察振型動(dòng)畫可選出振幅最大的點(diǎn)，并顯示其頻譜。圖6顯示的是自激勵(lì)可動(dòng)微結(jié)構(gòu)在1534.4Hz和1960.9Hz時(shí)振型。

 

 

圖5 所有測(cè)點(diǎn)的平均頻譜圖

 

 

 

 

(a)1534.4Hz                         (b)1960.9Hz

 

圖6 氣密陶瓷封裝蓋板在1534.4Hz和1960.9Hz時(shí)的振型

 

（四）總結(jié)

 

本實(shí)驗(yàn)室基于“三維全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀”搭建的器件級(jí)微小結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，采用了三臺(tái)獨(dú)立的高精度激光干涉儀，計(jì)算機(jī)控制這三路激光在掃描過(guò)程中始終照射在目標(biāo)的同一位置，掃描完畢后，由軟件自動(dòng)完成多區(qū)域掃描三維數(shù)據(jù)的拼接，迅速輸出三維振型。測(cè)量速度快，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，位移分辨率達(dá)亞pm級(jí)。用戶無(wú)需建模，直接在實(shí)物視頻圖像上快速完成測(cè)量網(wǎng)格布置，操作簡(jiǎn)單直觀。此外，該系統(tǒng)還可通過(guò)激光掃描建立目標(biāo)三維輪廓數(shù)據(jù)，是一款用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維振動(dòng)模態(tài)測(cè)量的首選工具。