[发明专利]激光共焦/差动共焦振动参数测量方法

说明书

本发明公开的一种激光共焦/差动共焦振动参数测量方法，属于光学精密测量技术领域。本发明在共焦、差动共焦测量系统中，首先在共焦、差动共焦轴向响应曲线上定义了最优测试区间，在最优测试区间内，共焦、差动共焦轴向响应曲线对轴向位移的灵敏度最高。其次，针对不同的振幅，定义了不同的测量模式。通过不同的测量模式来确保振动的最大轴向位移始终位于最优测试区间内。进而利用强度与振动面轴向位置的对应关系实现具有高动态范围的振动特性测量。与已有的振动测量方法相比，本发明具有测量精度高、振幅测量范围广、频率测量带宽高、可测量周期运动和非周期运动、抗环境干扰能力强且结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及激光共焦/差动共焦振动参数测量方法，属于光学精密测量技术领域。

技术背景

以MEMS为基础的各类传感器已广泛应用于生物、医学、工业、航空、军事、通信等各个领域，MEMS器件逐渐成为微米/纳米工程领域的研究热点[1-6]。具有离面振动微机械结构(MEMS)基于机械运动或变形来实现系统功能，其性能由谐振元件的动力学特性决定。对离面振动参数的准确表征可以为MEMS(微机电系统)等微结构的仿真和设计提供反馈，是对MEMS(微机电系统)等微结构进行性能分析的关键。

目前计算机微视觉技术、频闪显微干涉技术和激光多普勒测振技术是最先进的动态机械结构测试技术。

1998年，美国麻省理工学院MEMS研究中心Davis等学者设计了计算机微视觉系统(Computer Micro-Vision System，CMVS)，对于MEMS离面运动，运动幅度的测量范围为100μm，分辨率最高达5nm，最高可实现100KHz的动态测量。主CMVS要由光学显微镜、CCD摄像机、LED照明、信号驱动控制、计算机控制和图像处理分析等部分组成，采用频闪观测和图像处理技术来追踪刚性结构的运动，该系统也可用于测试器件的周期运动或周期性运动的瞬时运动状态。CMVS将一个特殊的脉冲发光二极管(LED)安装在常规的光学显微镜上，使用周期性外力驱动测试器件，同时LED照明，这样测试器件在光学显微镜中看起来就好像＂静止＂一样，若要获得测试器件在不同相位的＂静止图像＂，只需对LED脉冲序列和激励脉冲的相对时间进行调节即可。这种方法克服了CCD采样顿数频率较低的缺点，实现了对高频运动物体的采样，具备非接触测量、测量精度高、全场测试等优点

频闪干涉系统融合了计算机显微视觉、激光干涉和计算机自动控制等多项技术，1999年，Hart等学者设计了一种用于测试MEMs器件动态特性的频闪干涉系统(stroboscopic interferometer system，SIS)。该系统的核也是一个改进后的泰曼干涉仪，调节频闪照明灯光使得周期运动的MEMs器件“静止”，然后微调照明控制信号的相位，就可获得MEMs器件在不同相位处的“静止图像”对这些“静止图像”进行对比和分析就可以获得器件的相关运动参数。其离面振幅测量范围为20μm，分辨力为0.7nm。只能测量周期运动。

激光多普勒测振仪(Laser Doppler vibration，下文简称LDV)是利用激光多普勒效应对物体振动进行测试的一种测量仪器，其工作原理是通过测量从运动物体表面的微小区域反射回来的激光光波的多普勒频移效应，从而确定该测点的振动速度。LDV测试具有非接触无损测量、响应快、精度高、速度分辨率高、响应频带宽等优点，己被广泛应用于模型的模态特性分析、在线控制、结构探伤、健康医疗等领域。目前，激光多普勒测振技术主要还是集中在传统的单点激光测振上，该技术存在光斑尺寸大、无法测量MEMS等微小物体的缺陷。

综上所述，现有的振动测量方法在动态测量上会有很多限制，如只能测试周期运动，带宽低，振幅测量范围小或者横向分辨力低等，如何在离面振动的测量中，用一种简易通用的方法实现高动态范围的动态测量是目前研究的难点。