CN108917913B - 微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置及方法，其中装置包括：声激励模块、干涉仪模块、光栅光谱仪模块和计算机。对于方法，首先通过声激励模块产生声波信号激励微结构产生振动。其次，通过干涉仪模块测量微结构产生的振动，带有振动信息的干涉信号进入光栅光谱仪模块中由相机采集光谱信号并传入计算机中。最后，采用波长标定算法和频谱校正算法对傅里叶变换后的频域干涉光谱信号的峰值频率进行精确校正，通过校正后的峰值频率随时间变化关系获得微结构样品振动时域曲线，即还原出振动信号。该装置可对微结构实现非接触式亚纳米量级振动测量，测量装置简单，测量速度快，可靠性强。

Description

微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学无损检测领域，是一种微结构模态分析的声激励频域光学相干层析检测装置及方法。

背景技术

微结构，例如微臂梁和微板是微机械电子系统的重要组成部分，在原子力显微镜、微谐振器、微开关、微制动器等领域中有着重要的应用。近年来，工业和科学邻域对高精度制造和微电子机械系统等应用中微结构的振动检测和模态分析技术的需求不断增加。传统的接触式振动检测和模态分析法通常采用力锤激励使结构产生振动，然后利用加速度传感器或压电传感器对结构的振动信息进行提取。这种接触式的振动测量方法虽然可以较好的实现对桥梁等大型结构进行振动检测和模态分析，然而微结构的尺寸仅为微米至毫米量级，传统的接触式振动激励及检测法的激励幅值难以实现精确控制，同时加速度传感器本身的质量会影响这类结构的模态参数，所以在微结构的振动检测和模态分析应用中有着很大的局限性。

对于微结构的振动测量，非接触式振动检测就成了非常重要的检测方法。如采用光学位感条纹动态测量技术对欧拉梁结构的振动检测和固有频率分析，其轴向位移分辨率仅为微米量级且需要预先将条纹粘贴于被测物体表面；其他一些光学非接触式振动测量方法例如激光多普勒测振仪，其在低频低速位移下分辨率较低，难以实现对微结构纳米量级振动位移测量。

因此，针对以往的检测手段难以实现对微结构进行非接触式的纳米量级的振动检测，设计出一种微结构模态分析的声激励频域光学相干层析检测装置，以实现对微结构振动进行精确、简单、高效的非接触式无损检测意义重大。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题进行改进，即本发明所需要解决的技术问题是提出一种微结构模态分析的声激励频域光学相干层析检测装置，该装置可实现对微结构进行非接触式、高精度的振动测量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种微结构模态分析的声激励频域光学相干层析检测装置，包括：

一声激励模块，通过函数信号发生器产生的正弦电压信号控制扬声器产生声波信号激励微结构产生振动，所述声激励模块包括相连接的函数信号发生器和扬声器；

一干涉仪模块，用以对所述微结构受激励产生的振动进行连续采集，并将采集到的带有振动信息的干涉光谱信号进行传输；所述干涉仪模块包括光源、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜、分光镜、用于设置微结构样品的微结构夹具和第一反射镜；

在所述干涉仪模块中，沿光源出光方向依次设置有第三凸透镜和分光镜，所述分光镜在第三凸透镜的对侧依次设置有第一凸透镜和微结构夹具；所述扬声器设置在微结构夹具的旁侧；所述分光镜垂直于第三凸透镜和第一凸透镜方向的左侧依次设置有第二凸透镜和第一反射镜；

一光栅光谱仪模块，用以对所述由干涉仪模块中带有干涉信息的平行光进行处理，并将处理后的光谱干涉信息聚焦到高速线阵相机的感光元件上；所述光栅光谱仪模块包括第二反射镜、反射光栅、柱透镜和高速线阵相机；

在所述光栅光谱仪模块中，第二反射镜设置在所述分光镜垂直于第三凸透镜和第一凸透镜方向的右侧；反射光栅设置在所述第二反射镜的反射出光方向上；沿所述反射光栅的反射出光方向依次设置有柱透镜和高速线阵相机；

还可以包括一连接高速线阵相机的计算机，用以对所述光栅光谱仪模块中的高速线阵相机进行控制，并对传输到计算机的干涉光谱信号进行存储和处理。

进一步的，所述声激励模块中的函数信号发生器可通过设置产生不同频率不同幅值的正弦电压信号，以控制扬声器产生实验所需的声波信号，并使微结构样品产生振动；所述声激励模块与微结构样品不接触。

进一步的，所述干涉仪模块中的光源采用稳定型卤钨光源；光源产生的光经过第三凸透镜准直作为干涉仪模块所使用的平行光。

进一步的，所述干涉仪模块中第一凸透镜和第二凸透镜焦距相同；平行光经分光镜分成样品臂光束和参考臂光束后分别通过第一凸透镜和第二凸透镜聚焦到达微结构样品和第一反射镜表面，样品臂光束和参考臂光束的光程差需在光源相干长度范围内以达到产生干涉信号的条件。

进一步的，所述光栅光谱仪模块中高速线阵相机的感光元件需放置在柱透镜焦点位置，高速线阵相机采集帧率和曝光时间可以调节。

进一步的，所述的计算机用以对采集到的光谱干涉数据进行存储和分析。

进一步的，本发明通过以下方法实现，该方法包括以下步骤：

步骤S1：设置声激励模块以产生不同幅值和频率的声波信号激励微结构产生振动；

步骤S2：通过调整干涉仪模块中微结构和反射镜位置，使经过分光镜分光后的两束光的光程差在光源相干长度范围内以产生干涉；

步骤S3：带有振动信息的干涉平行光进入光栅光谱仪模块中经反射光栅将平行光按波长分开，再由柱透镜聚焦到高速线阵相机感光元件上，高速线阵相机的曝光时间和采样频率由计算机控制；

步骤S4：通过高速线阵相机将采集到的干涉光谱信号输入至计算机中，再采用图像处理软件进行数据存储和处理；

步骤S5：在计算机中，采用图像处理软件对高速线阵相机存储的二维干涉图中的每一行干涉光谱信号进行傅里叶变换，并通过波长标定算法和频谱校正算法对傅里叶变换后的频域干涉光谱信号的峰值频率进行精确校正，通过校正后的峰值频率随时间的变化关系获得微结构样品振动时域曲线，即还原出振动信号。

进一步的，在步骤S5中，所述干涉光谱信号的密度随微结构振动的数学变化关系为：

其中式中λ是光源的波长，t是时间，n为介质中的折射率，空气中n=1，和/>分别为对应t时刻参考臂和样品臂光束的光强，/>为系统初始光程差，/>为微结构样品振动产生的额外光程差；

采用波长标定算法对采集到的干涉光谱信号按线性化的波数空间进行插值重采样，各像素点对应的波长公式为：

其中和/>分别对应相机感光元器件探测波长的最大值和最小值，向量A为相邻两像素点间的波长变化量；

采用快速傅里叶变换算法对插值重采样后的t时刻光谱干涉信息进行处理，得到t时刻峰值频率，再采用离散频谱相位差校正法对峰值频率进行精确的校正，通过峰值频率随时间的变化关系，获得微结构样品振动时域曲线即还原出振动信号。

与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：创新性的利用声波信号激励微结构产生振动，并采用频域光学相干层析方法采集。本发明相对于传统的接触式振动测量方法，提供一种高精度的、非接触式的无损检测手段，可以实现对微结构进行振动检测和模态分析，本设计快速便捷、高精度、实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构示意图。

图2（a）是本发明实施例中高速线阵相机采集1500次得到的二维干涉信号图，图2（b）是由图2（a）中二维干涉信号图第900行提取的干涉光谱信号图。

图3（a）是本发明实施例中波长标定算法时域结果对比图；图3（b）是本发明实施例中波长标定算法频域结果对比图。

图4是本发明实施例中有无频谱校正下系统位移检测精度对比图。

图5是本发明实施例中对微结构高频低频振动检测结果图。

图6是本发明实施例中对微结构1阶2阶固有频率检测结果图。

图中：

1-计算机；2-函数信号发生器；3-扬声器；4-微结构夹具；5-微结构样品；6-第一凸透镜；7-第一反射镜；8-第二凸透镜；9-光源；10-第三凸透镜；11-分光镜；12-第二反射镜；13-反射光栅；14-柱透镜；15-高速线阵相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例的装置结构示意图。如图1所示，本发明提供一种微结构模态分析的声激励频域光学相干层析检测装置，包括函数信号发生器2、扬声器3、光源9、第三凸透镜10、分光镜11、第一凸透镜6、第二凸透镜8、第一反射镜7、微结构样品4、微结构夹具4、第二反射镜12、反射光栅13、柱透镜14、高速线阵相机15、计算机1。微结构声激励模块由函数信号发生器2产生的不同幅值和频率的正弦波信号控制扬声器3产生声波信号激励微结构产生振动。微结构产生的振动由频域光学相干层析系统采集，采集系统包括干涉仪模块和光栅光谱仪模块两个部分。干涉仪模块中的光源9产生的光由第三凸透镜10准直成平行光，通过分光镜11分成样品臂光束和参考臂光束后分别通过第一凸透镜6和第二凸透镜8聚焦到达微结构样品5和第一反射镜7表面。微结构受激励振动时样品臂光束和参考臂光束的光程差会发生变化，当样品臂光束和参考臂光束光程差在相干长度范围内时反射回来的光将再次经过分光镜11汇聚形成带有振动信息的干涉光。带有干涉信息的平行光进入光栅光谱仪模块中被第二反射镜12反射到反射光栅13表面，反射光栅13将干涉光谱信号按波长分开再用柱透镜14聚焦到高速线阵相机15的感光元件上。高速线阵相机进行光谱信号采集并输入到计算机1中进行处理。

图2（a）是本发明实例中高速线阵相机采集1500次光谱信号并按行将每一帧的光谱信号记录并保存为二维光谱干涉图。图2（b）为图2（a）中第900行记录的干涉光谱信号。干涉光谱信号的密度随微结构振动的数学变化关系为：

其中式中λ是光源的波长，t是时间，n为介质中的折射率，空气中n=1，和/>分别为对应t时刻参考臂和样品臂光束的光强，/>为系统初始光程差，/>为微结构样品振动产生的额外光程差。

图3（a）是本发明实例中为了解决由于时域干涉光谱信号非线性导致频域周期信号被展宽的问题，对图2（b）中干涉光谱信号采用波长标定算法进行误差校正的时域结果对比图。图3（b）是本发明实例中对图2（b）中干涉光谱信号采用波长标定算法进行误差校正的频域结果对比图。波长标定算法对采集到的干涉光谱信号按线性化的波数空间进行插值重采样，各像素点对应的波长公式为：

其中和/>分别对应相机感光元器件探测波长的最大值和最小值，向量A为相邻两像素点间的波长变化量。

图4是本发明实例中对干涉光谱信号经过傅里叶变换的频域信息做频谱校正后检测精度结果对比图。由于时域干涉光谱信息被截断为有限长度产生的能量泄露，采用对时域信号进行平移、改变窗长以及改变窗函数得到比原始时域信号滞后L点的第二段时域序列，对这两段时域信号分别做N点和M点的FFT分析得到相位差∆φ，实现对频域信息进行校正。

本实例还提供了采用上述装置的微结构振动测量方法，如图1、2、3、4所示，包括以下步骤：

步骤S1：设置声激励模块以产生不同幅值和频率的声波信号激励微结构产生振动；

步骤S2：通过调整干涉仪模块中微结构和反射镜位置，使经过分光镜分光后的两束光的光程差在光源相干长度范围内以产生干涉；

步骤S3：带有振动信息的干涉平行光进入光栅光谱仪模块中经反射光栅将平行光按波长分开，再由柱透镜聚焦到高速线阵相机感光元件上，高速线阵相机的曝光时间和采样频率由计算机控制；

步骤S4：通过高速线阵相机将采集到的干涉光谱信号输入至计算机中，再采样图像处理软件进行数据存储和处理；

步骤S5：采用图像处理软件对高速线阵相机存储的二维干涉图中的每一行干涉光谱信号进行傅里叶变换，并通过波长标定算法和频谱校正算法对傅里叶变换后的频域干涉光谱信号的峰值频率进行精确校正，通过校正后的峰值频率随时间的变化关系获得微结构样品振动时域曲线，即还原出振动信号。

图5、6是本发明实例中采用图1、2、3、4中所述的装置及方法，对微结构在高频低频激励信号下的振动进行测量，以及通过设置扫频激励信号对微结构的前二阶固有频率进行检测。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所做的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置，其特征在于，包括：声激励模块、干涉仪模块和光栅光谱仪模块；

所述声激励模块包括相连接的函数信号发生器和扬声器；

在所述干涉仪模块中，沿光源出光方向依次设置有第三凸透镜和分光镜，所述分光镜在第三凸透镜的对侧依次设置有第一凸透镜和微结构夹具；所述扬声器设置在微结构夹具的旁侧；所述分光镜垂直于第三凸透镜和第一凸透镜方向的左侧依次设置有第二凸透镜和第一反射镜；

在所述光栅光谱仪模块中，第二反射镜设置在所述分光镜垂直于第三凸透镜和第一凸透镜方向的右侧；反射光栅设置在所述第二反射镜的反射出光方向上；沿所述反射光栅的反射出光方向依次设置有柱透镜和高速线阵相机；

其利用声波信号激励微结构产生振动，并采用频域光学相干层析方法采集干涉光谱信号输入至计算机中。

2.根据权利要求1所述的微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置，其特征在于：待检测的微结构样品设置在所述微结构夹具上，所述扬声器设置在微结构样品旁侧且不与微结构样品接触。

3.根据权利要求2所述的微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置，其特征在于：所述光源为卤钨光源，所述第三凸透镜的出光为平行光。

4.根据权利要求3所述的微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置，其特征在于：所述第一凸透镜和第二凸透镜的焦距相同；所述平行光经分光镜分成样品臂光束和参考臂光束后分别通过第一凸透镜和第二凸透镜聚焦到达微结构样品和第一反射镜表面，样品臂光束和参考臂光束的光程差在光源相干长度范围内。

5.根据权利要求4所述的微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置，其特征在于：所述高速线阵相机的感光元件设置在柱透镜的焦点上。

6.根据权利要求1所述的微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置，其特征在于：所述高速线阵相机连接计算机。

7.根据权利要求6所述微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：设置声激励模块以产生不同幅值和频率的声波信号激励微结构样品产生振动；

步骤S2：调整微结构样品和第一反射镜的位置，使经过分光镜分光后的两束光的光程差在光源相干长度范围内，获得干涉平行光；

步骤S3：干涉平行光进入光栅光谱仪模块中，经反射光栅将平行光按波长色散开，再由柱透镜聚焦到高速线阵相机的感光元件上，其中，高速线阵相机的曝光时间和采样频率由计算机控制；

步骤S4：通过高速线阵相机将采集到的干涉光谱信号输入至计算机中，再采用图像处理软件进行数据存储和处理；

步骤S5：对高速线阵相机存储的二维干涉图中的每一行干涉光谱信号进行傅里叶变换，并通过波长标定算法和频谱校正算法对傅里叶变换后的频域干涉光谱信号的峰值频率进行精确校正，通过校正后的峰值频率随时间的变化关系获得微结构样品振动时域曲线，即还原出振动信号。

8.根据权利要求7所述的微结构模态分析声激励频域光学相干层析检测装置的检测方法，其特征在于：在步骤S5中，所述干涉光谱信号的密度随微结构振动的数学变化关系为：

其中式中λ是光源的波长，t是时间，n为介质中的折射率，空气中n=1，和/>分别为对应t时刻参考臂和样品臂光束的光强，/>为系统初始光程差，/>为微结构样品振动产生的额外光程差；

采用波长标定算法对采集到的干涉光谱信号按线性化的波数空间进行插值重采样，各像素点对应的波长公式为：

其中和/>分别对应相机感光元器件探测波长的最大值和最小值，向量A为相邻两像素点间的波长变化量；

采用快速傅里叶变换算法对插值重采样后的t时刻光谱干涉信息进行处理，得到t时刻峰值频率，再采用离散频谱相位差校正法对峰值频率进行精确的校正，通过峰值频率随时间的变化关系，获得微结构样品振动时域曲线即还原出振动信号。