專利名稱：非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，對微旋轉(zhuǎn)機械的運轉(zhuǎn)速度、工作壽命等方面提出了越來越高的要求，如果由于微旋轉(zhuǎn)機械本身加工制造原因或在超高速情況下運轉(zhuǎn)都可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，有效及時地對各種振動做出測量與分析，成為提高微旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)。高精度的位移測量系統(tǒng)是微機械、儀器儀表等領(lǐng)域獲得位置精度的基礎(chǔ)，也是上述產(chǎn)品及技術(shù)不斷進步的制約因素。目前，對微機械的傳感與測量技術(shù)的研究較多，且主要集中在硅傳感器和光學(xué)測量方面，但對微轉(zhuǎn)子振動特性的測量還存在許多需要解決的問題，尤其是對超微旋轉(zhuǎn)機械在超高轉(zhuǎn)速下的振動特性測量還缺乏有效的手段，還未見有公開報道。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，自從1969年美國貝爾實驗室的W.S.波涅爾、G.E.史密斯等人提出電荷耦合這一新概念以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近代電子技術(shù)的發(fā)展，電荷耦合器件，簡稱CCD，應(yīng)用于幾何量測量可以實現(xiàn)高精度、高效率、自動化、動態(tài)檢測、非接觸測量等要求，尤其對小尺寸的測量具有很強的優(yōu)勢，S.H.Wang等在《Optik》(光學(xué))(2004，115(12)564-568)上發(fā)表的“A genetic optical interferometric inspection onmicro-deformation”(微變形的遺傳光學(xué)干涉測量)，該文中提出用CCD方法測量MEMS簡單微結(jié)構(gòu)(微梁與微薄膜)的振動變形及動態(tài)特性，測量范圍可在1μm左右，但至今為止，通過大量的文獻檢索，還沒有發(fā)現(xiàn)采用CCD位移傳感技術(shù)對MEMS微轉(zhuǎn)子振動和動態(tài)特性測量的任何報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光學(xué)測量技術(shù)的不足，提供一種非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法。使其取代傳統(tǒng)的幾何光學(xué)成像檢測方法，實現(xiàn)MEMS微轉(zhuǎn)子振動的數(shù)字化精密檢測和控制。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，將被測微電機安裝在試驗臺上，利用發(fā)射器發(fā)射激光光帶掃描運動狀態(tài)中的微轉(zhuǎn)子，微轉(zhuǎn)子在高速運轉(zhuǎn)下的運動軌跡的投影記錄用CCD位移傳感器及圖像采集卡采集微轉(zhuǎn)子運動圖像再運用圖像處理技術(shù)來得到振動信號，其中采用硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)微轉(zhuǎn)子的高速運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制以及轉(zhuǎn)子運動圖像信號采集；采用軟件系統(tǒng)對采集得到的圖像進行圖像信號處理，提取圖像中特征點的位移變化，從而得到微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的運動軌跡與振動特性。本發(fā)明所提出的微轉(zhuǎn)子振動測量方法具有實現(xiàn)簡單、非接觸式動態(tài)檢測、測量精度高等優(yōu)點，且對微電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身的影響幾乎可以忽略。
在本發(fā)明中，采用硬件系統(tǒng)實現(xiàn)對微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，提高定位精度，具體為采用恒力矩細(xì)分控制方法，在空間彼此相差2π/m的相繞組，分別通以相位上相差2π/m而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運動，且幅值保持不變。對微電機實現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，繞組電流采用以下形式當(dāng)0≤α≤2π/3時，iα＝Imsinα；當(dāng)2π/3≤α≤4π/3時，iα＝Imsin(α-π/3)；當(dāng)4π/3≤α≤2π時，iα＝0；其中，α為微電機轉(zhuǎn)子偏離參考點的角度。控制微電機定子繞組中的勵磁電流，合成幅值恒定、角度變化均勻的磁場矢量，實現(xiàn)對微電機恒力矩均勻細(xì)分的控制，使微電機的運行平穩(wěn)，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的可控、可調(diào)，滿足微轉(zhuǎn)子的振動測試要求。
信號采集是振動測量系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵，本發(fā)明轉(zhuǎn)子運動圖像信號采集應(yīng)用CCD掃描成像技術(shù)對微轉(zhuǎn)子振動過程進行采樣分析，采用硬件與軟件定位技術(shù)實現(xiàn)對CCD每一個像素進行高速采集并實時地傳輸給計算機處理。在圖像信號采集時，由于微轉(zhuǎn)子的尺寸很小，必須進行CCD調(diào)焦，直至出現(xiàn)清晰的微轉(zhuǎn)子圖像，由CCD掃描系統(tǒng)獲取微轉(zhuǎn)子的圖像信號，存入信號采集卡緩存，信號采集軟件按指定的速率把緩存里的視頻信號采集到計算機內(nèi)存中，然后在計算機中應(yīng)用開發(fā)軟件包獲取微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的振動信號。具體過程CCD輸出的模擬信號輸入到采集卡的A/D中，A/D將CCD每一個像素點的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號通過接口模塊傳送到計算機接口，監(jiān)視器負(fù)責(zé)定時顯示CCD采集到的模擬視頻信號，以便實時監(jiān)控微轉(zhuǎn)子的運動狀態(tài)，便于調(diào)整微轉(zhuǎn)子的運動狀態(tài)，采集各種不同工況下微轉(zhuǎn)子的振動信號。
本發(fā)明采用軟件系統(tǒng)對采集得到的圖像進行圖像信號處理，具體是對CCD采集的圖像信號進行二值化、濾波、去噪等預(yù)處理，再進行圖像信號的算法處理，本發(fā)明采用FFT對信號進行處理，選用分裂基算法(SRFFT)，此算法具有最少的運算量、計算結(jié)構(gòu)規(guī)整性、同址性、內(nèi)部數(shù)據(jù)無需重排等優(yōu)點，其基本思想是設(shè)N＝2M，按照頻率抽選法將這個N點DFT分解成一個N/2點DFT和兩個N/4點DFT，并且N/2點DFT和N/4點DFT可以應(yīng)用相同的過程遞歸計算直至只有2點DFT的組合時為止，此算法的每一步都是由基-2和基-4分解組合而成，運算量小，計算速度快。然后再對振動信號進行譜分析，由于時域信號會被截斷，即相當(dāng)于原信號函數(shù)與一截斷函數(shù)相乘，結(jié)果已不完全是原來的信號，從而導(dǎo)致譜泄露，甚至出現(xiàn)譜間干擾，引起譜分析的誤差，因此，系統(tǒng)選取恰當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，減小截斷效應(yīng)的影響。圖像信號在進行完FFT后，為了確定頻率抽樣點之間是否有更大的峰值，采用ZFFT算法得到該頻段的高分辨率譜。
本發(fā)明具有以下特點采用非接觸式激光位移傳感方法，把CCD圖像采集和數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的振動測量，取得微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的振動信號，可以避免傳統(tǒng)測量方法精度低、可靠性差等缺點，具有實現(xiàn)簡單、非接觸式動態(tài)檢測、測量精度高的優(yōu)點；采用恒力矩細(xì)分控制方法，實現(xiàn)了微電機輸出力矩恒定與微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可控、可調(diào)；采用信號放大和A/D轉(zhuǎn)換，在計算機上進行快速FFT變換，得到振動頻譜，振動頻譜上能量最大的頻率就是微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的頻率，由此還可得微轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)速度。


圖1為微轉(zhuǎn)子振動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2為CCD掃描成像原理3為轉(zhuǎn)動頻率為8.8Hz時6mm微電機轉(zhuǎn)子振動的幅值譜圖a和時域波形圖b。
圖4為轉(zhuǎn)動頻率為50Hz時6mm微電機轉(zhuǎn)子振動的幅值譜圖a和時域波形圖b.
圖5為轉(zhuǎn)動頻率分別為28.8Hz、35.0Hz和51.3Hz時2mm微電機轉(zhuǎn)子振動的幅值譜圖，其中圖a、b、c分別對應(yīng)28.8Hz、35.0Hz和51.3Hz轉(zhuǎn)動頻率。
圖6為高速運轉(zhuǎn)時，2mm微電機轉(zhuǎn)子振動的時域波形圖，其中圖a、b、c分別對應(yīng)78.4Hz、95.1Hz和125.6Hz轉(zhuǎn)動頻率。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實施例本實施例采用的實驗平臺包括2mm和6mm電磁型薄膜微電機裝置系統(tǒng)、恒流細(xì)分驅(qū)動電路系統(tǒng)、CCD激光位移傳感器、模擬信號控制器、微機數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)采集軟件、頻譜分析儀。
圖1給出了微轉(zhuǎn)子振動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由微電機、傳感器、控制器、驅(qū)動電路及采集系統(tǒng)組成。其中，采用CCD掃描成像技術(shù)測量旋轉(zhuǎn)微轉(zhuǎn)子振動的原理，如圖2所示。對于微型旋轉(zhuǎn)機械，采用非接觸式的光帶傳感器測量微轉(zhuǎn)子軸心的運動是非常方便的，精度較高。使光帶傳感器的光帶通過微轉(zhuǎn)子，支架固定安裝在機座上，利用激光帶的偏動模擬微轉(zhuǎn)子的振動規(guī)律，所采用的激光傳感器精度可達0.05μm。
實施例1選取6mm電磁型薄膜微電機，其主要技術(shù)參數(shù)為微轉(zhuǎn)子圓盤直徑為D＝6mm，圓盤厚度為t＝1.2mm，軸長為L＝3mm，軸直徑為d＝1.5mm，工作電壓為10V～13V。采樣頻率為60Hz。
本實施例中，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，提高定位精度，采用恒流細(xì)分驅(qū)動電路系統(tǒng)，控制微電機定子繞組中的勵磁電流，合成幅值恒定、角度變化均勻的磁場矢量，使微電機運行平穩(wěn)；采用CCD掃描成像技術(shù)對微轉(zhuǎn)于在速度可控情況下的振動過程進行采樣分析，由CCD掃描系統(tǒng)中的位移傳感器獲取微轉(zhuǎn)子的圖像信號，存入信號采集卡緩存，再由模擬信號控制器輸出CCD的模擬信號，然后將模擬信號輸入到采集卡的A/D中，A/D將CCD每一個像素點的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號通過接口模塊傳送到計算機接口，在計算機上進行快速FFT變換，得到微轉(zhuǎn)子振動的幅值譜圖和時域波形圖。
圖3和圖4分別為轉(zhuǎn)動頻率為8.8Hz和50Hz時6mm微電機轉(zhuǎn)子振動的幅值譜圖(左)和時域波形圖(右)。從圖上可看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動變化較為明顯，微轉(zhuǎn)子的振幅略有增大，且由轉(zhuǎn)動頻率和采樣頻率可以計算出微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，即由振動頻譜上能量最大的頻率(轉(zhuǎn)動頻率)f，根據(jù)公式可得旋轉(zhuǎn)速度為n＝60f。
實施例2選取2mm電磁型薄膜微電機，其主要技術(shù)參數(shù)為外形尺寸為2.3mm×2.3mm×1.5mm，微轉(zhuǎn)子直徑為D＝2mm，工作電壓為8V，工作電流為70mA，最大空載轉(zhuǎn)速為25000rpm，重量為38mg，調(diào)速范圍為50∶1，最大輸出力矩為2.8μN·m，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用雙定子-單轉(zhuǎn)子夾層結(jié)構(gòu)。采樣頻率為60Hz。
本實施例中，為了控制微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，提高定位精度，采用恒流細(xì)分驅(qū)動電路系統(tǒng)，控制微電機定子繞組中的勵磁電流，合成幅值恒定、角度變化均勻的磁場矢量，使微電機運行平穩(wěn)；采用CCD掃描成像技術(shù)對微轉(zhuǎn)子在速度可控情況下的振動過程進行采樣分析，由CCD掃描系統(tǒng)中的位移傳感器獲取微轉(zhuǎn)子的圖像信號，存入信號采集卡緩存，再由模擬信號控制器輸出CCD的模擬信號，然后將模擬信號輸入到采集卡的A/D中，A/D將CCD每一個像素點的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號通過接口模塊傳送到計算機接口，在計算機上進行快速FFT變換，得到微轉(zhuǎn)子振動的幅值譜圖和時域波形圖。
圖5是轉(zhuǎn)動頻率分別為28.8Hz、35.0Hz和51.3Hz時2mm微電機轉(zhuǎn)子振動的幅值譜圖。由圖可知，是系統(tǒng)在低速時的幅值譜圖，頻率成分較為復(fù)雜，主要是由于啟動過程的不穩(wěn)定性；隨著轉(zhuǎn)速的升高，振幅趨于平穩(wěn)，系統(tǒng)中主要以倍頻成分為主，這表明系統(tǒng)在經(jīng)過較長時間運轉(zhuǎn)后，復(fù)雜成分逐漸消失，以低階倍頻成分為主。
圖6為隨著轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)動頻率分別為78.4Hz、95.1Hz和125.6Hz)的升高，摩擦逐漸加重后記錄的穩(wěn)態(tài)過程的時域波形圖。隨著轉(zhuǎn)速的升高，摩擦加重，接觸時間越來越短，摩擦越來越頻繁，隨著摩擦的不斷加重，微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)熱，由于時間過長，微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有時不能正常工作，說明摩擦引起的振動問題嚴(yán)重影響微電機的穩(wěn)定性能。因此，采用本發(fā)明的測量方法可用于各種不同工況下微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的振動檢測。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法，其特征在于，將被測微電機安裝在試驗臺上，利用發(fā)射器發(fā)射激光光帶掃描運動狀態(tài)中的微轉(zhuǎn)子，微轉(zhuǎn)子在高速運轉(zhuǎn)下的運動軌跡的投影記錄用CCD位移傳感器及圖像采集卡采集微轉(zhuǎn)子運動圖像再運用圖像處理技術(shù)來得到振動信號，其中采用硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)微轉(zhuǎn)子的高速運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制以及轉(zhuǎn)子運動圖像信號采集；采用軟件系統(tǒng)對采集得到的圖像進行圖像信號處理，提取圖像中特征點的位移變化，從而得到微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的運動軌跡與振動特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法，其特征是，所述的采用硬件系統(tǒng)實現(xiàn)對微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，具體為采用恒力矩細(xì)分控制方法，在空間彼此相差2π/m的相繞組，分別通以相位上相差2π/m而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運動，且幅值固定，對微電機實現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，繞組電流采用以下形式當(dāng)0≤α≤2π/3時，ia＝Imsinα；當(dāng)2π/3≤α≤4π/3時，ia＝Imsin(α-π/3)；當(dāng)4π/3≤α≤2π時，ia＝0；其中，α為微電機轉(zhuǎn)子偏離參考點的角度，控制微電機定子繞組中的勵磁電流，合成幅值恒定、角度變化均勻的磁場矢量，實現(xiàn)對微電機恒力矩均勻細(xì)分的控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法，其特征是，所述的采用硬件系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子運動圖像信號采集，具體為應(yīng)用CCD掃描成像技術(shù)對微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的振動過程進行采樣分析，采用硬件與軟件定位技術(shù)實現(xiàn)對CCD每一個像素進行高速采集并實時地傳輸給微機處理，監(jiān)視器負(fù)責(zé)定時顯示CCD采集到的模擬視頻信號，以便實時監(jiān)控微轉(zhuǎn)子的運動狀態(tài)、調(diào)整微轉(zhuǎn)子的運動狀態(tài)，測量各種工況下微轉(zhuǎn)子的振動信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法，其特征是，所述的采用軟件系統(tǒng)對采集得到的圖像進行圖像信號處理，具體為對CCD獲取的圖像信號進行二值化、濾波、去噪預(yù)處理，再采用FFT進行圖像信號的算法處理，然后再選取窗函數(shù)，對振動信號進行譜分析，圖像信號在進行完FFT后，為了確定頻率抽樣點之間是否有更大的峰值，采用ZFFT算法得到該頻段的高分辨率譜。
全文摘要
一種非接觸式微轉(zhuǎn)子振動位移的激光測量方法，屬于微機電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用發(fā)射器發(fā)射激光光帶掃描運動狀態(tài)中的微轉(zhuǎn)子，微轉(zhuǎn)子在高速運轉(zhuǎn)下的運動軌跡的投影記錄用CCD位移傳感器及圖像采集卡采集微轉(zhuǎn)子運動圖像再運用圖像處理技術(shù)來得到振動信號，其中采用硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)微轉(zhuǎn)子的高速運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定可控，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的振動圖像信號的采集；采用軟件系統(tǒng)對采集得到的圖像信號進行處理，提取圖像中特征點的位移變化，從而得到微轉(zhuǎn)子上固定點的運動軌跡。本發(fā)明機構(gòu)簡單，原理明確，測振效果好，精度高，且對微電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動本身的影響幾乎可以忽略。
文檔編號G01B21/02GK1924537SQ20061002684
公開日2007年3月7日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者張文明, 孟光, 李鴻光, 陳迪, 周健斌 申請人:上海交通大學(xué)