CN110530508A - 一种检测微振动传感装置性能的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测微振动传感装置性能的方法及系统，所述方法包括：通过图像放大单元采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像；根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态；控制微振动产生单元产生微振动，并检测微振动传感装置的感知性能。本发明根据图像放大单元获取到的微振动产生单元和微振动传感装置的图像，精确调节微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，更加准确地检测微振动传感装置的感知性能。

Description

一种检测微振动传感装置性能的方法及系统

技术领域

本发明涉及微振动感知检测领域，尤其涉及一种检测微振动传感装置性能的方法及系统。

背景技术

近年来，随着测试技术的发展，在物理、化学、生物、机械等领域对微纳级别的振动检测有了非常广泛的应用。随着电子技术和计算机技术的发展，对微振动的测量精度要求也有了很大的提高。微振动测量在科学研究和工业生产中的重要作用已经被人们广泛接受，微振动测量可以应用在材料的损伤部位检测、结构件的动态响应特性分析、机械系统的故障诊断以及对构件模拟受力结果验证中。

微振动测量中所用到的传感装置的规格一般为微米级别。因此存在传感装置本身规格小导致的传感装置难以定位、难以确定传感装置接触状态的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种检测微振动传感装置性能的方法及系统。本发明根据图像放大单元获取到的微振动产生单元和微振动传感装置的图像，精确调节微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，解决了现有技术中传感装置难以定位、难以确定传感装置接触状态的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种检测微振动传感装置性能的方法，其中，包括：

通过图像放大单元采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像；

根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态；

控制微振动产生单元产生微振动，并检测微振动传感装置的感知性能。

所述的检测微振动传感装置性能的方法，其中，所述微振动的振动分辨率为振动幅度是纳米级别的振动。

所述的检测微振动传感装置性能的方法，其中，所述根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，具体包括：

根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像，通过宏动台调整微振动传感装置在XYZ三个方向的位置，改变微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态。

所述的检测微振动传感装置性能的方法，其中，所述控制微振动产生单元产生微振动，并检测微振动传感装置的感知性能，具体包括：

通过微振动控制装置控制微振动产生单元产生微振动的振动形式；

微振动传感装置检测到微振动产生单元产生的微振动，并输出振动信号；

通过振动信号放大器对振动信号进行放大和滤波处理得到处理的振动信号；

根据微振动的振动形式和处理的振动信号得到微振动传感装置的感知性能。

所述的检测微振动传感装置性能的方法，其中，所述振动形式包括：振动幅度、振动频率和振动波形。

本发明还提供一种检测微振动传感装置性能的系统，包括隔振台，设置在所述隔振台上的微振动产生单元、微振动控制装置以及微振动传感装置，其中，其包括设置在所述隔振台上的图像放大单元；所述微振动传感装置与所述隔振台活动连接，并与所述微振动产生单元相对设置，所述图像放大单元位于所述微振动产生单元和所述微振动传感装置上方，并用于采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像；所述微振动控制装置用于根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，并控制微振动产生单元产生微振动，以检测微振动传感装置的感知性能。

所述的检测微振动传感装置性能的系统，其中，所述微振动传感装置通过宏动台与所述隔振台活动连接，所述宏动台包括：设置在隔振台上的X方向位移组件、设置在所述X方向位移组件上的Y方向位移组件以及设置在所述Y方向位移组件上的Z方向位移组件；所述微振动传感装置设置在所述Z方向位移组件上。

所述的检测微振动传感装置性能的系统，其中，其还包括：设置在隔振台上的隔离罩，所述隔离罩用于罩住所述微振动产生单元、所述微振动传感装置以及所述宏动台。

所述的检测微振动传感装置性能的系统，其中，其还包括：设置在所述Z方向位移组件上并与微振动传感装置所述连接的振动信号放大器，所述振动信号放大器用于对所述微振动传感装置检测到微振动并输出的振动信号进行放大和滤波处理得到处理的振动信号。

所述的检测微振动传感装置性能的系统，其中，所述微振动控制装置还用于控制所述微振动产生单元产生微振动的振动形式，并根据微振动的振动形式和处理的振动信号得到所述微振动传感装置的感知性能。

有益效果：本发明根据图像放大单元获取到的微振动产生单元和微振动传感装置的图像，精确调节微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，更加准确地检测微振动传感装置的感知性能。

附图说明

图1是本发明一种检测微振动传感装置性能的方法的较佳实施例的流程图。

图2是本发明一种检测微振动传感装置性能的系统较佳实施例的立体示意图。

图3是本发明宏动单元的结构图。

图4是本发明微振动产生单元的结构图。

图5是本发明微振动产生单元和微振动传感装置的数码显微镜图像。

图6是本发明一种检测微振动传感装置性能的系统较佳实施例的照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，图1是本发明一种检测微振动传感装置性能的方法的较佳实施例的流程图。所述微振动是指最小振动幅度为纳米级、最大为毫米级别的机械振动。所述微振动的振动分辨率为振动幅度是纳米级别的振动。

图1所示的一种检测微振动传感装置性能的方法，包括以下步骤：

S100、通过图像放大单元采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像；

步骤S100具体为，将图像放大单元放置在微振动产生单元的正上方，当然也可以放置在其他方位，只要保证图像放大单元与微振动产生单元、微振动传感装置之间不被遮挡住，能够清楚地采集到微振动产生单元、微振动传感装置的图像，并对准微振动产生单元和微振动传感装置的接触位置，图像放大单元将图像放大500-1000倍后传输至微振动控制装置显示，图像放大单元和微振动控制装置可采用有线连接或无线连接。

较佳地，图像放大单元采用数码显微镜，所述数码显微镜的放大倍数为1000倍，数码显微镜的灯头带有LED灯，灯光光源可以将微振动产生单元和微振动传感装置的接触位置照亮，使采集到的图像更为清晰，微振动控制装置包括有电脑，数码显微镜通过数据线连接到电脑上，放大后的图像显示在电脑显示器上。

S200、根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态；

步骤S200具体为，观察传输至微振动控制装置的图像，获取微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，然后根据获取到的微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态去调节宏动台在XYZ三个方向的位置，其中，接触状态指的是微振动传感装置与微振动产生单元是否产生接触，接触的位置，接触深度以及微振动传感装置被微振动产生单元压弯的程度。通过调节宏动台确保测试时接触状态一致，当然可以根据测试需要调整到既定的接触状态。

如图5所示，左边为微振动产生单元，右边为微振动传感装置，微振动传感装置的微悬臂梁探针为长条形，长度400-500微米，宽度80-120微米，厚度为10-40微米的微悬臂梁探针。微悬臂梁探针的探针头呈三角形。由于微振动产生单元的振动中心的位置是固定的，振动幅度、振动频率是可调控的，因此，探针头与振动产生单元的接触状态对测量极其重要，尤其是振幅为纳米级别的振动，接触状态的偏差会直接影响到测试结果。探针头与微振动产生单元接触的位置(即如图5所示的竖直方向的位置，可定义为Y方向的位置)，探针头与微振动产生单元的接触深度(即如图5所示的水平方向的位置，可定义为X方向的位置)，探针头被微振动产生单元压弯的程度(即如图5所示的垂直于纸面向下的方向的位置，可定义为Z方向的位置)，XYZ三个方向的位置均会影响到测试结果。图像放大单元至少需要从Z方向和Y方向采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像(有必要时需要从XYZ三个方向采集)，从而获得准确的接触状态，同时也可以确保不同测试样件之间的接触状态是一致的。

本专利提出的一种检测微振动传感装置性能的方法及系统可以应用在对传感器装置不同的性能检测方面。如检测传感器的测量精度，可以通过调节宏动台，使微振动传感装置的尖端与微振动产生单元接触，之后逐步缩小微振动产生单元的振动幅度，观察微振动传感装置的感知性能，得到微振动传感装置最小的振动值。如检测传感器的断裂极限，可以控制微振动传感装置的尖端与微振动产生单元接触，逐步增大微振动产生单元的振动幅度，得到微振动传感装置断裂时的振动状态。如需检测微振动传感装置不同位置的受力极限，可以通过调节宏动台，使微振动传感装置的不同位置接触微振动产生单元，逐步增大微振动产生单元的振动幅度，得到微振动传感装置不同位置的受力极限。

微振动传感装置放置在所述宏动台上，跟随宏动台的运动而运动，通过调节宏动台在XYZ三个方向的位置，就可以改变微振动传感装置在XYZ三个方向的位置，所述XYZ三个方向是指以宏动台中心为原点建立的三维坐标系的三个轴的方向，改变微振动传感装置的位置以达到微振动传感装置和微振动产生单元的理想接触状态。

值得说明的是，微振动测量中使用的微振动产生单元和微振动传感装置的规格一般为微米级别，微振动传感装置如果与微振动产生单元挨得过近，而微振动的振幅又相对较大时，极易造成微振动传感装置被微振动产生单元振动击断，所以微振动传感装置应该与微振动产生单元接触，但不可压紧在微振动产生单元上，根据观察传输至微振动控制装置的图像调节微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，可以精确定位微振动传感装置，避免了因定位不准造成仪器的损坏。

S300、控制微振动产生单元产生微振动，并检测微振动传感装置的感知性能；

本步骤具体包括：

S301、通过微振动控制装置控制微振动产生单元产生微振动的振动形式；譬如，根据需要可以通过微振动控制装置控制微振动产生单元产生不同的微振动的振动形式，其中，所述振动形式包括：振动幅度、振动频率和振动波形，所述振动波形可以是正弦波、三角波、方波和锯齿波，通过改变振动形式的三个特征，产生不同的微振动，可以检测微振动传感装置对不同微振动的感知性能。比如，可以保持微振动的振动幅度和振动波形不变，只改变振动频率，通过微振动传感装置感知振动并将获得的振动信号记录多组数据，提高检测微振动传感装置性能的准确性。

S302、微振动传感装置检测到微振动产生单元产生的微振动，并输出振动信号。

本发明中，微振动产生单元产生的微振动对微振动传感装置作用一压力，微振动传感装置检测压力并输出振动信号。

较佳地，可以选择微振动传感装置以压电式或压阻式作为感知方式，外界微小的振动变化可以引起微振动传感装置电压或电阻的变化，并将变化的电信号输出。

S303、通过振动信号放大器对振动信号进行放大和滤波处理得到处理的振动信号。

本发明中，所述微振动的振动分辨率为振动幅度是纳米级别的振动，微振动传感装置输出的振动信号非常微小，为了获得更加直观的振动信号，通过振动信号放大器对振动信号放大并进行滤波处理，然后将处理后的振动信号输出至微振动控制装置，微振动控制装置包括用于显示处理后的振动信号的信号显示器，可以显示处理后的振动信号的波形。

S304、根据微振动的振动形式和处理的振动信号得到微振动传感装置的感知性能；

具体为，通过观察信号显示器上的振动信号，与微振动控制装置控制产生的微振动的振动形式进行比较，如果信号显示器上的振动信号与微振动控制装置控制产生的微振动的振动形式越相近，则表示微振动传感装置的性能越好、感知越准确。

例如，微振动控制装置控制产生的微振动与信号显示器上的振动信号的波形相同，微振动控制装置控制产生的微振动的振动幅度和振动频率在放大相应的倍数后与信号显示器上的振动信号的振动幅度和振动频率相同，则认为微振动传感装置的性能好、感知准确。

基于上述方法实施例，本发明还提供了一种检测微振动传感装置性能的系统，请同时参阅图2和图6，包括隔振台11，设置在所述隔振台11上的微振动产生单元13、微振动控制装置21以及微振动传感装置15，其中，其包括：设置在所述隔振台11上的图像放大单元16；所述微振动传感装置15与所述隔振台11活动连接，并与所述微振动产生单元13相对设置，所述图像放大单元16位于所述微振动产生单元13和所述微振动传感装置15上方，并用于采集微振动产生单元13和微振动传感装置15的图像；所述微振动控制装置21用于根据微振动产生单元13和微振动传感装置15的图像调整微振动产生单元13和微振动传感装置15的接触状态，并控制微振动产生单元13产生微振动，以检测微振动传感装置15的感知性能。其还包括设置在隔振台11上的隔离罩12，所述隔离罩12用于罩住所述微振动产生单元13、所述微振动传感装置15以及所述宏动台14。

本发明实施例的隔振台11应放置在一水平且能够保持静止的水平面上(如静止不动的桌子)，在隔振台11设置有微振动产生单元13、微振动传感装置15、图像放大单元16，其中，图像放大单元16位于所述微振动产生单元13和所述微振动传感装置15的上方，实时采集微振动产生单元13和微振动传感装置15的图像，并将图像放大后显示在微振动控制装置21中的电脑显示器20上，用户观察所述电脑显示器20的图像，调整宏动台14在XYZ三个方向的位置，微振动传感装置15位于宏动台14上并且跟随宏动台14的位置变化而变化，调整好微振动产生单元13和所述微振动传感装置15的接触状态后，通过微振动控制装置21控制微振动产生单元13产生微振动，微振动传感装置15感知所述微振动并输出振动信号。并且，由于微振动产生单元13产生的微振动的振动幅度为纳米级别的振动，及其容易受外界环境的干扰，如空气、噪声的干扰，所以在隔振台上11还罩设有一隔离罩12，隔离罩12将微振动产生单元13、微振动传感装置15和宏动台14罩住，与外界隔绝，避免外界环境对微振动产生单元13、微振动传感装置15和宏动台14的影响。

较佳地，微振动控制装置21可以不设置在隔振台11上，所述微振动控制装置21不与隔振台11接触，避免了操作微振动控制装置21时会对微振动产生单元13和微振动传感装置15的接触状态有影响的问题，当然，将微振动控制装置21设置在隔振台11外面就需要在隔离罩12上设置一孔洞用于通过所述微振动控制装置21与隔离罩12内装置之间的连接线。

进一步地，隔离罩12为长方体透明罩子，所述孔洞为直径2厘米的圆孔，并用胶带固定所述连接线和封住圆孔。

优选地，如图2和图4所示，微振动产生单元13中包括微振动产生单元13的主体31、用于产生微振动的微动台32和用于与微振动控制装置21连接的连接线接口33。微振动产生单元13采用压电陶瓷致动的微动单元，拥有Z轴一个方向的位移，最大位移为110微米，在微振动控制装置21的控制下，闭环分辨率可以达到7纳米，空载谐振频率为0.3kHz，微振动产生单元13可以在微振动控制装置21的控制下产生振动波形为正弦波、三角波、方波和锯齿波的微振动。

优选地，微振动传感装置15是用微纳加工工艺制作的、规格为微米级的、单元主体材料为硅的、带有振动感知功能的传感装置。微振动传感装置15为长度450微米，宽度100微米，厚度为30微米的微悬臂梁探针，在微悬臂梁根部用离子注入法制作压敏电阻，当微悬臂梁在外力的作用下产生弯曲时，会导致微悬臂梁根部的压敏电阻产生形变，从而改变电阻值，通过外加电路检测电阻的变化，可以确定微悬臂梁探针的形变情况。不同规格的悬臂梁对同一振动信号具有不同的响应结果，同时同一悬臂梁对不同的振动信号也有不同的响应结果，通过检测悬臂梁对振动信号的响应，可以确定悬臂梁的感知性能。微悬臂梁探针可以应用在微位移检测，微振动检测及微小力检测等方面。

在本发明的一个具体实施例中，请同时参阅图1和图3，所述微振动传感装置15通过宏动台14与所述隔振台11活动连接，所述宏动台14包括设置在隔振台11上的X方向位移组件24、设置在所述X方向位移组件上的Y方向位移组件23以及设置在所述Y方向位移组件上的Z方向位移组件22；所述微振动传感装置15设置在所述Z方向位移组件22上。

微振动传感装置15设置在宏动台14上，跟随所述宏动台14的位置变化而变化，微振动传感装置15相对于隔振台11可活动。旋转X方向位移组件24可以调节宏动台14沿X方向的位移，旋转Y方向位移组件23可以调节宏动台14沿Y方向的位移,旋转Z方向位移组件22可以调节宏动台14沿Z方向的位移。

优选地，宏动台14采用三维运动宏动台，宏动台14上有XYZ三个旋转分厘卡，分厘卡单轴最大位移为13mm，分辨率为0.01mm，通过旋转分厘卡，可以精确控制宏动台14的位置。

在本发明的一个具体实施例中，请同时参阅图1和图3，所述的检测微振动传感装置性能的系统还包括设置在所述Z方向位移组件22上并与微振动传感装置15所述连接的振动信号放大器17，所述振动信号放大器17用于对所述微振动传感装置15检测到微振动并输出的振动信号进行放大和滤波处理得到处理的振动信号。

本方案中，振动信号放大器17通过导线与微振动传感装置15连接，振动信号放大器17接收微振动传感装置15输出的振动信号，并对所述振动信号放大与滤波，得到处理后的振动信号。

在本发明的一个具体实施例中，请同时参阅图1和图3，所述微振动控制装置21还用于控制所述微振动产生单元13产生微振动的振动形式，并根据微振动的振动形式和处理的振动信号得到所述微振动传感装置的感知性能。

微振动控制装置21包括微振动控制器18、信号显示器19、电脑显示器20。通过微振动控制器18可以控制微振动产生单元13产生微振动的振动形式，所述振动形式包括：振动幅度、振动频率和振动波形，例如，可以在微振动控制器上输入振动幅度、振动频率的数值和选择所需的振动波形，微振动产生单元13就会根据输入的振动形式的数据产生相应的微振动，将处理后的振动信号与输入微振动控制器18的微振动的振动形式比较，如果处理后的振动信号刚好为输入微振动控制器18的微振动的振动形式放大后的结果，则表示微振动传感装置15的性能良好。综上所述，本发明实现一种检测微振动传感装置性能的方法及系统，所述方法包括：通过图像放大单元采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像；根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态；控制微振动产生单元产生微振动，并检测微振动传感装置的感知性能。本发明根据图像放大单元获取到的微振动产生单元和微振动传感装置的图像，精确调节微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，更加准确地检测微振动传感装置的感知性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种检测微振动传感装置性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过图像放大单元采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像；

根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态；

控制微振动产生单元产生微振动，并检测微振动传感装置的感知性能。

2.根据权利要求1所述的检测微振动传感装置性能的方法，其特征在于，所述微振动的振动分辨率为振动幅度是纳米级别的振动。

3.根据权利要求1所述的检测微振动传感装置性能的方法，其特征在于，所述根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，具体包括：

根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像，通过宏动台调整微振动传感装置在XYZ三个方向的位置，改变微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态。

4.根据权利要求1所述的检测微振动传感装置性能的方法，其特征在于，所述控制微振动产生单元产生微振动，并检测微振动传感装置的感知性能，具体包括：

通过微振动控制装置控制微振动产生单元产生微振动的振动形式；

微振动传感装置检测到微振动产生单元产生的微振动，并输出振动信号；

通过振动信号放大器对振动信号进行放大和滤波处理得到处理的振动信号；

根据微振动的振动形式和处理的振动信号得到微振动传感装置的感知性能。

5.根据权利要求4所述的检测微振动传感装置性能的方法，其特征在于，所述振动形式包括：振动幅度、振动频率和振动波形。

6.一种检测微振动传感装置性能的系统，包括：隔振台，设置在所述隔振台上的微振动产生单元、微振动控制装置以及微振动传感装置，其特征在于，其包括：设置在所述隔振台上的图像放大单元；所述微振动传感装置与所述隔振台活动连接，并与所述微振动产生单元相对设置，所述图像放大单元位于所述微振动产生单元和所述微振动传感装置上方，并用于采集微振动产生单元和微振动传感装置的图像；所述微振动控制装置用于根据微振动产生单元和微振动传感装置的图像调整微振动产生单元和微振动传感装置的接触状态，并控制微振动产生单元产生微振动，以检测微振动传感装置的感知性能。

7.根据权利要求6所述的检测微振动传感装置性能的系统，其特征在于，所述微振动传感装置通过宏动台与所述隔振台活动连接，所述宏动台包括：设置在隔振台上的X方向位移组件、设置在所述X方向位移组件上的Y方向位移组件以及设置在所述Y方向位移组件上的Z方向位移组件；所述微振动传感装置设置在所述Z方向位移组件上。

8.根据权利要求7所述的检测微振动传感装置性能的系统，其特征在于，其还包括：设置在隔振台上的隔离罩，所述隔离罩用于罩住所述微振动产生单元、所述微振动传感装置以及所述宏动台。

9.根据权利要求7所述的检测微振动传感装置性能的系统，其特征在于，其还包括：设置在所述Z方向位移组件上并与微振动传感装置所述连接的振动信号放大器，所述振动信号放大器用于对所述微振动传感装置检测到微振动并输出的振动信号进行放大和滤波处理得到处理的振动信号。

10.根据权利要求6所述的检测微振动传感装置性能的系统，其特征在于，所述微振动控制装置还用于控制所述微振动产生单元产生微振动的振动形式，并根据微振动的振动形式和处理的振动信号得到所述微振动传感装置的感知性能。