（工程力学专业论文）时间平均成像下的结构动态特性测量.pdf

学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：焯日期：型工孑 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：监盈导师签名：盐堕堡日 期：口。岁秘孑 州h j l 均成像卜们绵构五| 】惫特性测量东南凡学预十学位论文 摘要 时问平均成像方法主要应用于全息摄影技术领域，并在实际的工程中已有应 用。论文将时间平均成像方法应用于动态特性测试分析中，通过固体图像传感器 ( c c d ) 获取振动图像，利用时间平均成像原理进行动念特性分析。论文提出了 稳念正弦扫频激励下基于时间平均成像的动态特性测试分析方法，并用试验进行 了分析验证。同时，论文对理想脉冲激励下的时间平均像方法进行了研究，最后 以相同的思路对正弦激励下的时问平均成像方法进行了探讨。主要研究结论i 1 、正弦扫频激励下的时间平均成像方法是一种行之有效的动态特性测试分析 方法。这种方法只需利用结构振动状态下的图像即可以进行分析，降低了传统光 测振动方法中繁重的工作量和对测试设备的要求。此方法由于在一些特殊结构 ( 如具有尺寸效应的微型结构和无法安裟传感器的空中结构等) 的动态特性测试 分析中具有很大的应用价值，具备很大的发展潜力。 2 、理想脉冲激励下的时间平均成像方法能够通过对理想脉冲激励下振动结构 的图像进行分析直接得到结构的动态特性。这无论是从理论研究还是应用前景而 言都是十分有价值的。 3 、正弦激励下时间平均成像方法的研究表明这种方法虽然需要通过扫频的方 法进行测试，但是对于曝光时间的限制相对宽松，是一种值得研究的方法。 关键词：时间平均成像振动测试动态特性固体图像传感器( c c d ) 时问、i 均j j 竞像下的结构动态特性测量 东南人学硕十学位论文 a b s t r a c t t i m e a v e r a g ei m a g i n gm e t h o di sm a i n l yu s e di nh o l o g r a p h yf i e l d ，a n dh a sb e e n e x p e r i e n c e d i nt h i sp a p e r , t h et i m e - a v e r a g em e t h o di sa p p l i e di nd y n a m i cp r o p e r t y t e s t i n ga n da n a l y z i n g ，t h ev i b r a t i o ni m a g e sa r eg o tt h r o u g ht h es o l i di m a g es e n s o r ( c c d ) ，a n dd y n a m i cp r o p e r t ya n a l y s e sa r ed o n eb yt i m e - a v e r a g ei m a g i n gp r i n c i p l e t h ep a p e rp u t sf o r e w o r dt h e t i m e - a v e r a g ei m a g i n gm e t h o do fs i n u sf r e q u e n e y s w e e p i n gi m p u l s e t h ee x p e r i m e n th a s b e e nd o n et o a n a l y s i s a n d e x p l a i n s t h i s m e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h et i m e - a v e r a g ei m a g i n gm e t h o do f i d e a li m p u l s e ，a n d ，i nt h ee n d ，d i s c u s s e st h et i m e a v e r a g ei m a g i n gm e t h o do fs i n u s i m p u l s e i nt h es a m e w a y t h em a i n c o n c l u s i o n so f t h e p a p e r s h o w ： 1 、t h et i m e - a v e r a g ei m a g i n gm e t h o do fs i n u sf r e q u e n c ys w e e p i n gi m p u l s ei sa n e f f e c t i v em e t h o do ft h ed y n a m i cp r o p e r t yt e s t i n ga n da n a l y z i n g w i t ht h i sm e t h o d o n l yt h ev i b r a t i o n s t r u c t u r e si m a g e sa r em a d eu s eo f t o a n a l y s i s ，a n dw i t h t h i sm e t h o d t h eh e a v yw o r ko ft r a d i t i o n a ll i g h tv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o da n dt h en e e do f t e s t i n gi n s t r u m e n ta r ed e c r e a s e d b e c a u s et h em e t h o di so fg r e a tv a l u ei nd y n a m i c p r o p e r t yt e s t i n ga n da n a l y z i n gt os o m es p e c i a ls t r u c t u r e s ( s u c ha sm i c r o s t r u c t u r e s w h i c hh a v et h ed i m e n s i o ne f f e c t sa n dt h es p e c i a ls t r u c t u r e so nw h i c ht h es e n s o r sc a n n o tb ef i x e de t c ) ，i th a st h eg r e a td e v e l o p i n gi m p u l s e 2 、w i t ht h e t i m e a v e m g ei m a g i n gm e t h o do ft h e i d e a l i m p u l s et h e s t r u c t u r e s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc a nb eg o tt h r o u g ht h ea n a l y z i n go ft h ei m a g e s ，w h i c ha r eg o t f r o mt h ev i b r a t i n gs t r u c t u r eu n d e rt h ei d e a li m p u l s e t h em e t h o di so f g r e a tv a l u en o t o n l yi nt h et h e o r e t i cr e s e a r c hb u ta l s oi nt h ea p p l i c a t i o n si nf u t u r e 3 、t h er e s e a r c ho f t i m e a v e r a g ei m a g i n gm e f h o do f s i n u si m p u l s es h o w s t h a t ，w i t h t h i sm e t h o d ，t h et e s ts h o u l db ed o n e d l r o u g ht h ef r e q u e n c ys w e e p i n gm e t h o d b u t t h e l i m i to f e x p o s a lt i m ei sm o r ef r e ea n di ti sar e s e a r c h a b l em e t h o d k e y w o r d s ：t i m e - a v e r a g ei m a g i n g ；v i b r a t i o nt e s t i n g ；d y n a m i cp r o p e r t y ；s o l i d i m a g es e n s o r ( c c d ) 2 时问、卜均成像r 的结构动态特性测量 东南人学硕+ 学位沦文 1 1 引言 第一章绪论 振动是工程技术和门常生活中常见的现象。在大多数情况下，振动是有害的。 振动往往破坏结构的正常工作，振动的动荷载使结构加快失效，降低结构的使用 寿命甚至导致损坏造成事故。振动着的机器产生噪声。噪声从心理和生理方面危 害人类健康。但振动也有可以被利用的一面，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水 和时效等振动机械。只要设计合理，它们都有耗能少、效率高、结构简单的特点。 随着现代工业技术的发展，除了要求各种机械具备低振动和低噪声的性能 外，需随时对其运行过程进行检测、诊断和对工作环境进行控制，这些技术措旋 都离不开振动的测量。为了提高结构的抗振能力，在设计阶段往往需要对结构进 行种种振动试验、分析和仿真设计。通过对具体结构或相应模型的振动试验，可 以验证理论分析的正确性，找出薄弱环节，改善结构的抗振性能。由此可见振动 测试在生产和科研的许多方面都r 吁有重要地位。 一般振动测试大致可分为两类。一类是测量设备和结构所存在的振动。另一 类则是对设备或结构施加某种激励，是其产生振动，然后测量其振动；此类测振 的目的是研究设备或结构的力学动态特性。 对振动进行测罱，有时只需测出被测对象某些点的位移或速度、加速度和振 动频率。有时则需对所测得的振动信号作进一步的分析和处理，如谱分析、相关 分析等，进而确定被测对象的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。求出 被测对象的频率响应特性，或寻找振源，并为采取有效对策提供依据。 现代工业中，对于各种生产设备的管理显得尤为重要。生产设备的失效或精 度下降等，单靠人的经验去分析、判断十分困难。通过分析仪器，对设备进行检 测诊断已成为不可缺少的途径。 现实生产过程中，除了对一些重要的设备需要进行监测和控制以外，经常会 遇到关于设备诊断方面的应用。此时设备的振动测量需要在不用停机、不用解体 以及不时设备本身造成损伤的情况下对其劣化程度和故障性质有所了解。 在一些特殊的条件下，如微型结构、对附加重量反应明显的结构和一些安装 传感器有困难的结构等，对于这些结构的动态特性测量就不能够运用一般的振动 时问、卜均成像下的结构动态特h 洲量 东南大学硕十学位沧文 测爨方法。现阶段，国内外关于结孛目无授检测方_ 恧的研究有缀多l 。】，在t 程r p 的应用也不少。所采用的方法有趣声波法l 3 、雷达1 6 】、反应波、电磁、激光降h 】 以及光电技术等等。然而，这些研究侧重于找出结构( 钢管、公路、桩基和混凝 十等) 的缺陷、腐蚀程度以及健康状况等，对于结构动态特性的无损检测方法却 研究较少。这些方法虽然达到了不接触被测结构表面，不损伤结构和不施加附加 质最的效果，颦未能很好造应用于结构的动态特性测量中。这或许凳困为动态溺 试对于传感器和数据采集的特殊要求。在寻求适合所有这些要求的方法中，由于 受到传感器或者方法本身的5 艮制，要么使得应用范e 匦受到限制( 如电感型位移传 感器、电涡流传感器等) ，要么使得测量过程繁琐并加大数据分析的工作量( 如 全息摄像技术等) 。为了很好地解决这些问题，本文基于白顺科、汪风泉等学者 所提出的时间平均成像方法1 2 9 3 0 豹基础之上进行了结构动态特性测量方法的研 究。 1 2 时间平均成像方法的提出 在科研那工程实践中，振动测量是一项缀重要豹工 乍。目前常罔的振动测量 方法可以分为薅大类，第一类是接触式测量，这秘方法在工程应用中银常见，但 是需要在被测物体上安装传感器；第二类是非接触测量，这种方法荛要利用光学 传感器( c c d 数码相机等) 对被测物体进行拍摄。 接触式测量中，因其需要对物体旅加附加质量( 传感器) 而受限于较大质量 的被测物体。非接触测量则黻其对被 睫 | 对象干扰小雨尤鼹受到重视。随着信息时 代豹至求和微电子按术的发展，微裂结梅将越来越普遍。对于这样一些特殊结构， 由于将产生尺寸效应面无法运用接触式测量的方法，但是非接触测量却能大显身 手。传感器无须同被测物体表面接触的光测方法便是其中的一季巾。但是，传统胞 光测方法是采用高速摄影技术记录物体在振动状态下的系列瞬时图像，然后从 中分析如物体的振动信息。这无疑对测量设备、实验条件以及工作负荷都提出了 苛刻的要求，降低了实验的可操作性。 时阕平均成像方法的提出是在全息照耜技术里面辫1 。时间平均法，是对受 到阆期搬动的物体俸较长时阈攀次曝光全息记录。磔毙时闫一般远大于物体的振 动周期。因此，全息千板上记泶了对应于物体振动过程中所有位置的时阕平均的 6 时间、i - 均成像下的结构动态特性测量 东南人学顾十学位论文 各种各样的像。在重现全息图时，各个像之间的相互干涉产生干涉条纹。这些干 涉条纹表征振动物体的相对变形。 然而，利用这种全息照相技术进行振动测量时将会受到很人的限制。它对测 量设备的要求十分严格，由于测试环境的复杂性，很难保证它在实际t 作中的可 靠性。同时，考虑到为了提取被测结构在振动过程中的每个瞬时状念信息，以保 证采样和分析的需要，大量的图像需要等时间间隔顺序摄取，这就加大了测试和 分析的难度。 基于对以上这些不利因素的考虑，最近由白顺科、汪凤泉等提出了一种新的 振动测量方法【2 9 q 0 1 。它基于时间平均成像方法的考虑上抛弃了利用全息照相技 术以传统的采样方法进行测量的观念，通过对固体传感器时间积分成像原理的运 用，不但简化了测试和分析的工作量，而且解除了对高精度测量设备的依赖，使 其更能着眼于工程中广泛的领域，具有广阔的应用和发展前景。 目前研究这釉新的测量方法的发展还在初级阶段，发展得比较缓慢，部分原 因是在光学原理和振动理论结合后，概念略显复杂，不便于实际运用。本文存研 究中力求在发展这种方法的同时简化推导过程，使之概念清晰，能够比较好地应 用于工程实践中。 1 3 本文主要研究内容 白顺科等虽然对运动物体时间历程、速度、振型和振幅特性等进行了研究 【2 8 9 】f 3 3 3 5 】【3 c 】，却尚未同时对结构的固有频率等动态特性的测量作进一步的研究。 攀于结构动态特性的测量在防振减灾等方面有着重大的意义，本文继承和发展了 这种方法。 本文在利用固体图像传感器时间积分成像原理和时间平均成像的前提条件 f ，具体研究了在正弦激励与理想脉冲激励下，时间平均成像后的图像灰度与被 测结构振动时间历程之间的关系，通过分析和推导，提出可行的结构动态特性测 量方法。诚然，这种方法的发展还处于雏形阶段，还有很多不够完善和等待解决 的问题，然而，由于其拥有便于对一些有特殊要求结构进行测量的优越性，在未 来工程领域，势将拥有很大的发展潜力和吸引力。 叫心平均成像f 的结构动态特性测量 东南人学硕十学位论文 第二章时间平均成像方法的基本原理 2 1 动态测试方法的基本原理 振动测量的方法又很多种，但是原理摹本相同。所谓的测试无非是对信号的 采集、分析处理以及最后对被测物体的参数进行识别。然而，这里面却有着一个 时间顺序( 如下图所示) 。 匪堕 一 亘巫 亘 信号的采集需要通过振动测式系统来完成。一般的振动测试系统主要包括传 感器、信号调理放大、数据采集等部分。信号的测试过程如下图所示： 信号的分析处理以及最终的状态识别依据信号采集方法的不同而有所区别。 不同的信号采集方法有着相应的信号分析处理和状态识别方法。也可以说，在振 动测量中，所选用的信号的分析处理以及状态识别方法受制约于所采用的信号采 集方法。因此，采用合适的信号采集方法是振动测量中很重要的一个环节。 在信号的采集过程中，信号的产生地点是传感器，也是信号传递过程中的第 一站。此处所产生的信号质量将影响到后续测量阶段一直到最终的测量结果精 度，所以，传感器的选取乃是整个测量过程中的重中之重。为此，本文重点地讲 述了传感器的原理。 2 1 1 概述 在振动测试过程中，按照传感器是否需要与被测物体产生接触划分，可以分 为接触式测量和非接触测量。若按测量过程中传感器信号的物理性质来划分，可 以分为电测、光测等等。 然而，信号是属于被测结构振动的信号，其产生最终要依赖于被测结构的振 动。被测结构在静止状态下并不会自发地振动起来。要使被测结构振动需要对其 使加外力或者初始位移。除去对被测结构旖加初始位移的自由振动，对其施加外 时间平均域像下豹结构动态转社测量 东南大学磷： ：学位论义 力的方法乃是强迫被测结构振动。这种强迫被测结构振动的过程称为激振。若依 据激振的方式束划分，振动测试可以分为歪弦激瀚、瞬态激励和随机激赫等。 传感器是为了提取被测结构振动中镌信号，激振是为了让被测物体振动，然 丽，债号踬表示的内容昶意义也是十分重要的。信号呵以表示为被测结襁在振动 过程中某个瞬态的位移，也可以表示为速度、加速度以及冲击加速度等。信号所 表示的内容和意义一i 确，则在信号的分析处理和状态识另q 过程中，计算方法也会 有所不同。信号所代表的这些物理量是随时间变化的。这些参数成为动态参数。 动态测试是指出传感器测褥这些物理量并转化为电或者其他形式的信号，然后经 过放大、滤波等适调环节，列信号作透当调节，对测量结采进行显示、记录的全 过程。振动测试属于动态测试范围。 振动 鹜2 1 动态瓣试框留 现拨动态信号分孝厅主要采翻数字方法，可以使露软件在通用计算提羔实现， 也可以把专用硬件做成仪器完成。动态信号的分橱可以在对域里颈进行，亦可以 通过傅里叶变换在频域里实现。常用的傅飘叶变换尽管可以通过快速算法( 快速 傅里叶变换f f t ) 来实现，但是，由于采样数据庞大，仍有大量运算处理工作。 实际测最和分析的物理量，往往是被测对象( 机械、结构等系统) 在一一定运 行环麓中受到菜种髑激的动态响应。这种动态响应能反跃实际对象在运 j ：中稚动 态行为，也能在菜矛孛程度上反映被测系统浆动态性能。毽为系统在激励( 即系统 的输入) 下产生响应( 即振动，亦即系统的输出) 对，已经将自身的动态特性融 合在响应当中表现出来了。如果系统是线性的( 工程中大多数实际系统可用线性 系统描述) ，激励和响应，即系统的输入、输出之间存在着简单的因果关系，则 可以通过对被测系统输入、输出物理精的测量和分析来确定系统的动态特性。这 就是动态特性的测试。 激励r 嚷应 卅机械、结构系统卜p 输入 l l输出 蚓2 , 2 线性系统输入输出关系 忖问，卜均成像r 的结构动态特性洲量 频率响应函数就是系统的输出和输入之间的比值，只是在形式上是通过频域 来描述，因此，它卣接反映了系统的动态特性。它既可以通过理论分析方法由系 统的传递函数求出，也可以山动态特性的测试方法得到。对于机械、结构等力学 系统，其动态特性常用固有频率、阻尼比和振型等所谓模态参数来描述。 在动态特性测试中，系统的输入和输出需要通过信号表示出来，然后才能够 通过计算频率响应函数得到系统的动态特性。要将系统的输入和输出用信号表示 出来，首要的就是将振动运动量转变为与之成正比的电学或其他便于观察、显示 或处理的物理信号。在现代振动测试中，经常采用电学或者光学测量的方法。将 振动运动转变为电学、光学( 或其它物理量) 信号的装置称为振动传感器。 根据被测振动运动是位移、速度还是加速度，可以将振动传感器分为位移传 感器、速度传感器和加速度传感器三类。由于位移、速度和加速度之间存在积分 关系，速度传感器还可以用与测量位移，而加速度传感器也可以用来测量速度和 位移。 从力学原理上，振动传感器又可分为绝对式传感器和相对式传感器两类。前 者需要将传感器固定在被测振动物体待测点上，测量绝对运动；后者则矧来测量 被测振动物体待测点相对于固定基准的振动运动。相对式传感器又可分为接触式 和非接触式两个子类。 振动传感器的分类方法还有很多种。基于研究内容需要，本文的研究从力学 原理的分类方法上展开。 对机械、结构系统进行动态特性测试，首先要对被测系统进行激励( 即输入) ， 即通过激振系统对被试机械、结构施加一定形式和大小的激振力。激振系统是为 激发被测结构或机械振动所组建起来的系统。激振系统所用的设备称为激振设 备。例如在实验室中常用的振动台，现场激振时常用的偏心激振器等，都属于激 振设备。激振是机械、结构动态特性测试中的一个重要环节，直接关系到测试精 度和速度。对于不同的动态特性测试方法相应有不同的激振方式。激振方式可以 分为正弦稳态扫频和宽频带激振两大类。正弦稳态扫频激振由正弦慢扫频信号发 生器控制激振器来实现。宽频带激振方式的特点是激振力的频谱有足够的频带， 是被测系统在选定的频率范围内产生振动。宽频带激振可分为瞬态、随机和瞬态 随机三类。 时蚓、卜均戚像下的结构动态特性测量 东南大学硕十学位论文 对于测量过程巾激振方式的选择，由于随机和瞬态随机激振信号的复杂性和 不确定性，本文着眼于对在j f 弦稳态扫频激励和瞬态激振中的理想脉冲激励下系 统动态特性的研究。 在一般的振动测试中，般要让传感器反馈的连续信号通过电荷放大器、滤 波器，然后进行离散化( 即数据采集) 以便通过f f t 快速傅里叶变换，得到频 域里面的信息。但是在这种方法中，采样的工作量很大。虫1 果将这种采样t 作应 用于光测方法中，可以想象整个测量工作的难度和花费。本文所研究的时间平均 成像方法就是通过剧体图像传感器采集结构的振动状态，在此基础上进行动念特 性分析。计算机和数字图像处理技术的发展使该方法成为可能。机械、结构的动 态特性测试原理可以通过图2 1 3 表示： 图2 3 结构动态特性测试 2 1 2 接触式振动测试方法 i 测量( 传感器) 上 j 动态信号分析 振动测试从原理上可以通过两种途径实现。一是测量振动物体的绝对运动； 另一种则是相对式测量。测量物体的绝对运动时需将振动传感器基座固定在振动 物体待测点上，即是接触式振动测试方法。 这种测试方法的核心是绝对式振动传感 器。它的主要力学元件是一个惯性质量块和支 撑弹簧。质量块经弹簧与传感器基座相联，在 一定频率范围内，质量块相对基座的运动( 位 移、速度或加速度) 成正比。传感器敏感元件 再把质量块与基座的相对运动转变为与之成正 图2 4 绝对式传感器原理图 计问卜均戚像下的结构动态特性洳量 东南夫学硕l 学位论文 比的f 乜信号，从而实现绝对式振动测量。绝对式振动传感器称为基础式传感器， 义称惯性式传感器。 对于绝对式位移振动传感器的输入为基础振动位移x ( f ) ，输出为敏感元件产 生的惯性质量相对于基座的位移信号。其幅频特性可 式( 2 1 ) 表达出： p ) | 2 万磊秀丽， 【懒凇。等 式中面2 云确2 唇善= 云 当被测振动的频率国远大于传感器固有频率。时，频率响应函数的模 i h 。 ) l 一1 ，即基础位移振动传感器可用于测量频率远高于传感器固有频率的 振动。但是，对于一定的振动加速度，位移振幅与频率的平方成反比，因此要求 传感器的固有频率很低，往往难以实现。 速度传感器的输入与位移传感器的输入不同。速度传感器的输入乃是基础的 振动速度膏( f ) 。然而，它的频率响应表达式与位移振动传感器的频率晌应表达式 完全相同，因此它们具有相同的特点。 接触式测试方法也可以通过加速度传感器实现，并遵循绝对式振动测量原 理。此时输入为振动加速度耍o ) ，输出为由敏感元件产生的惯性质量相对于基座 的位移信号。加速度传感器的幅频特性如式( 2 2 ) 所示： 1 h 。沏) i = 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 。( 1 一万2 ) 2 + ( 2 孝万) 2 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中。乃是加速度传感器的固有频率，万和f 的表达式与位移传感 器中的表达式相同。从式( 2 2 ) 中可以看出加速度传感器用于低于传感器固有 频率范丽的振动测量。由于加速度传感器的固有频率有可能设计得很高，因此测 量范围可以很宽。常用的惯性式( 即绝对式) 加速度传感器有压电加速度传感器、 压阻加速度传感器和伺服加速度传感器等。 在接触式测试方法中，传感器的灵敏度、动态范围、灵敏度和幅值线性度等 时间、r 均成像下的结构动态特性测量 东南人学坝十学位沦文 都刈以设计得比较好，工程中应i l j 较多，但是山于在n 式t i , j ，传感器需要安装在 被测物体上，因此也就限制了它的应用范围。埘于一些具有尺寸效应或者有特殊 要求和限制的结构，则由于被测物体的性质将发生明显的改变等原冈而变得无能 为力。另外，在这些接触式测量方法中，也均需要通过数据采集来获取大量离散 的数据以进行分析和计算。 2 1 3 非接触式振动测试方法 非接触式振动测试方法需要用到相对式加速度传感器，也叫相对式测量，即 测量振动物体待测点与同定基准的相对运动。这时，由传感器敏感元件直接将此 相对运动( 亦即振动物体的振动) 转变为其他信号。 在某些场合，无法或不允许将传感器直接固定在试件上( 例如旋转轴，轻小 构件等) ，无法采用绝对式测量，因而必须采用相对式测量。相对式测量从力学 原理上讲是一种直接测量方法，即将传感器与振动试件的相对运动直接转换为电 学或光学信号。 在电测中，通常利用电磁感应- i 原理直接实现相对位移的测量。电 感型位移传感器的原理如图2 5 所 7 j 。 传感器由导磁材 i - n 成的铁芯 和通电线圈构成，在固定于参考基 准点的铁芯和试件上的衔铁之间形 成空气间隙。当试件振动( 即铁芯 u s t 图2 5电感型位移传感器原理图 与衔铁之间相对动) 时，气隙变化引起磁路中磁阻变化，从而使线圈的电感发生 变化。 若磁通量，线圈匝数国和电流f 为己知，则电感为：l = 9 。若空气磁导 率为风，气隙面积为s ，气隙厚度为j ，可推得电感与相对运动之间的关系： 三：百a o c 0 2 s ( 2 3 ) 2 j 传感器与被测物体产生相对运动( 振动) 时，二者之间的气隙将发生变化。 时间、卜均戚像下的结构动态特性测量 东南人学顺l 。学位论文 于是，f 乜感三及其抗阻发生变化。在一定的线圈f 毡压作用f ，将产牛与气隙变化 量成i f 比的电流信号，并征负载上产生相应的电压输出信号。由二铁芯磁阻、铁 损电阻、线圈寄生i a 容等等多种实际因素，电感型传感器线性特性较差，动态范 围较小。可测的位移量实际为a 5 ，为保证线性度，要求a 8 占。 目前使用较广的相对式位移传感器 为电涡流传感器。电涡流传感器的工作 原理如图2 6 所示。当截流线圈靠近被测 导体试件的表面时，穿过导体的磁通量 随时间变化，在导体表面感应出电涡流。 电涡流产生的磁通又穿过线圈，因此线 圈与涡流相当于两个具有互感的线圈。 互感的大小和线圈与导体表面的间隙有 关。 将线圈振荡频率厶稳定在菜一频 磁力线 流 试件 图2 6电涡流传感器原理图 率。可以得到对应不同间隙的输出电压关系。将这种关系绘制成图，则图中直线 部分即是有效测量范围。 电涡流传感器的特点是：结构简单，灵敏度高，线性度好，频率范围宽，抗 干扰性强，因此被、。泛应用于非接触式振动位移测量。但是它和电感型位移传感 器一样，需要被测的对象是导体。这就需要被测试结构本身是导体( 即由金属材 料做成) 或者是在结构上加衔铁，因而不是限制了被测结构的类型，就是对被测 结构有所损伤。这在一些特殊的结构上是不允许的。 非接触式传感器中，目前发展比较迅速的光学传感器乃是图像传感器。图像 传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分 布的光强信息( 可见光和不可见光) ，转换为按时序串行输出的电信号视频 信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。 固体图像传感器( s o l i ds t a t ei m a g i n gs e n s o r 一缩写为s s i s ) 主要有三大 类型： + 种是电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) ，第二种是m o s 图像传感器，有称白扫描光电二极管列阵，第三种是电荷注入器件( c h a r g e i n j e c t i o nd e v i c e ，简称c i d ) 。目前，前两种应用比较广泛。本文中所采用的固体 砌、卜均成像卜的结构动态特盹测量 东南大学坝i 。学位沦文 图像传感器即为第一利r 电荷耦合器件c c d 。 2 2c c d 传感器的基本原理 2 2 1c c d 发展状况 c c d 电器耦合器件是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新型半导体集成光电器件。 它足山美国贝尔电活实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提出的，在 经历了一段时间研究之后，建立了以。维势阱模型为基础的非稳态c c d 理论， 这个理论与实验结果大致相符，并满足了指导器件进一步发展的需要。与此同时， 依靠业已成熟的m o s 集成电路工艺，c c d 迅速从实验室走向市场。近3 0 年来， c c d 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感器和非接 触测量领域的发展更为迅速。 2 2 2c c d 光电转换的原理 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物半导体) 结构。由于它具有 光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功率小，故在固体传感器、 信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。 兰三三三三三兰 孽、t 争一一 c c d 是由按照一定规律 排列的m o s 电容器阵列组 成的移位寄存器，其结构如 图2 7 所示。电荷耦合器件 的突出特点是以电荷作为 信号，c c d 的基本功能是电 荷的存储和转移。因此， c c d 工作过程的主要问题 是信号电荷的产生、存储、 传输和检测。下面分别介绍 c c d 的电荷存储和电荷转 移功能。 时问、r 均成像卜的结构动态特社测量 东南人学顺lj 学位论文 l 、电荷存储原理 以c c d 结构中的半导体是p 型硅为例。当在其金属电极上加正偏压时( n 犁硅则加负偏压) ，由此形成的电场穿过氧化物( s i 0 2 ) 薄层，排斥s i - - s i 0 2 界 而附近的多数载流子( 空穴) ，留下带负电的固定不动的受主离子na _ ( 空间电 荷) ，形成耗尽层( 无截流子的本征层) 。与此同时，氧化层与半导体界面处( 即 s 一s ，0 2 界面处) 的电势( 称为表面势) 发生相应变化。因电子在界面处的静电 势能很低，当金属电极上所加正偏压超过某一个值( 闽值电压) 后，界面处就可 存贮电子。由于电子在那里的势能较低，我们可以形象化地说：半导体表面形成 了电子的势阱( 图2 7 ) 。 当表面存在势阱时，如果有信号电了 来到势阱及其邻近，他们便可以集聚在 表面。随着电子来到势阱中，耗尽层深 度和表面势将随电荷的增加而减少( 电 子的屏蔽作用) 。势阱中能容纳多少电子 取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小。 表面势要依照栅电压的大小而定。 如果从能量带的角度进行分析，当逐 渐增加正电压时，能量带在界面处下弯， ( a s ( c c m2 ) 图2 9 表面势与电荷的关系 图2 8m 0 s 结构的能带图( 装面反型) 如图2 8 中所示。初始阶段，表面耗 尽层宽度随电压增加，能带进一步弯 曲。但是当能量带弯曲到一定程度 ( 能量带弯曲到使界面处禁带中线 e t 与费米能级e f 相交且低于e ，) 时， 界面邻近的电子浓度将急剧增加，并 超过空穴的浓度形成一极薄的n 型 反型层。此时，耗尽层宽度基本上不 再随外加电压( 栅电压) 的增加而增 加，界面处的电子浓度将明显超过衬 底空穴浓度，称此时的状态为“强反 6 时闻、l q 匀成像下的鲜i 构砖态特性测曩东南久学豫 1 学能沦文 型”，m o s 电容器达到了热平衡状态。达到强反型时相应的橱f 乜压是，i ：扁电压 v 。m o s 电容器达到热平德状惫需要一定时阊，这时阊常数称为存贮时黼。 如累不是逐潦增加橱电压，丽是对橱极加阶梯电压，使之超过7 l ：启电压，那 么，半导体将处于非j f 衡状态，耗尽层将超过热平衡、欹态的最大宽度，此时拣为 深耗层。深耗层的形成是c c d 工作的基础。我们在卜两提到的势阱，就是指深 耗尽条件下的表面势。所谓势阱逐渐填满，就是电子在界面的堆积使表面势下降。 图2 9 展示了表面势巾。与势阱内电荷q ；的关系曲线。n a 为受主掺杂浓度，v g 为 栅压，v f r 为平带电压。可以看出审；与v o 、q 。基本上呈线性关系。 苇霹用反型前麓“菲平餮状态”人为邈 注入信号电荷，如电注入或光注入，这 v 就是c c d 的工作条件。图像传感器采用 光注入。当光照射到c c d 硅片上时，在 栅极附近的半导体体内产生电子一空穴 对，其多数截流子被栅极电压排开迁往 硅衬浅内，少数截流子则被收集在势阱 图2 1 0 背面光输入围 。p 形成信号电棼。图2 。l o 所示为背聪光注入法。如果用透明电极，也可以用话 面注入方法。收集在势阱中的“电待包”大小与光注入的电荷量大小成正比，使 光信号转变为电信号。光注入电荷 ( k = r q a n 。4 爿( 2 4 ) 式中：聍为材料的量子效率：g 为电子电荷量；a n 。为入射光的光子流速率； 一为光敏单元的受光面积；r ，为光注入时间。 出式( 2 4 ) 中可以看出，当c c d 确定以后，孙晕及a 均为常数。在单色 入射辐射时，a n 。：挈，该波长五的光子能量枷也为常数。丙此在注入时间耳 n v 。 稳定不变时，光注入的电荷量与入射的光谱幅量度由，成线性关系。 2 、电荷转移( 定向转移) 时闯、卜均戚像下妁结构动态特性测量 糸囊夫学碳 一学证论文 从。| | - 面可知，外加在m o s 电容 器上的电压愈高，产： ! 势阱愈深。当 l 外加电压一一定时，势阱深度随阱巾电 ； 薅复的增女h 丽线性下降。根据这一特 性，通过控制相邻m o s 电容栅极电 压高低来调节势阱深浅，k t ：m o s 电 容问的排列足够紧密，使相邻m o s 电容的势阱相沟通，即相互耦合，就 可使信号毫菏出势阱浅处沆囱势阱 深处，实现信号电靖的转移。( 如图 2 1 1 所示) 飞墅蚕= = 歪垂蚕= t = 龟 豳2 + 1 1 按n j 序电荷在势阱内传输 为保证信号电荷按正确路线转移，在m o s 电容阵列上所加的各路电压脉冲 是，m 格满足要求的。这样，在任何时刻势阱的变化总朝着一个方向。同时，根据 阔祥栅极电压下衬底杂质浓度愈离表面势愈低的道理，1 ：艺上采取的电荷转移通 道一沟阻以乡 的地方，掺以更高的杂虞浓凄，以形成限定沟遵部分淘戳( 如 图2 7 所示) ，从孺确定沟道茁冽，保证转移路线。 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个薰要问题。c c d 的莺爱特性之一 是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避 免。因此，选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输出电路 的程度。图2 1 2 中所示是在线 捌淬末端衬底上扩散形成输出 s ：二极管，当输出二极管热上反向 “ 偏压时，在结区内产生消耗层。 当信号电荷在时钟脉冲作用下 图2 1 2 电荷读出方法 移向输出二极管，并通过输出栅o g 转移到输出二极管耗尽区内时，信号电荷将 作为二极管的少数截流子瞄形成反向电流。电流b 的大小与注入到二檄管中的 信号电荷量成正比，而与负载电阻r l i s j u 眨l k 。所以，输出电流b 与注入到二极 管中的电荷量成线性关系，且q = i o d t 。 羹 堕堂羔些盛鉴! 鳖茔塑垫查鳖丝塑至兰受生鳖型翌兰兰誊! ! ! l 以上是c c d 的主要工作原理，总体上可以【h 圈2 1 3 表示n 束。 光注入l 刮j 、b 荷存储 l 刊i 电荷转移 l p b 流输出 光j 射 下形成 截流 予，并 转化为 信号电 荷。 通过在栅极上 擞偏压产生势 阱，并使光注 入过程中产生 的部分截流子 ( 信号电荷) 存储在里面。 通过栅极上的 转移脉冲形成 不同深浅的势 阱，驱使势阱 中的信号电荷 向输出端定商 穆动。 幽2 1 3c c d 的一l 作原理 2 。2 3c c d 豹特性参数 收集信号 电蕊，减 小电容耦 合并最终 形成输出 电流。 在c c d 的工作过程中，会有很多方面因素对最终的结梁产生影响。c c d 的 基本特性参数蠢转移效率、光电转换特性、光谱响应、动态范鬣、暗电流和分辨 率。 c c d 是以电荷作为信号，它的最重要性能就是使电荷所代表的信息不受损 失的能力。因此转移效率就成为表征c c d 性能好坏的重要参数。所谓转移效率 就是指一次转移后到打下一个势阱中的电衙与原来势阱中的电荷之比。设原始屯 荷包为q ，再一次转移中，其中有q 。正确地转移到下一个势阱，其余 q ，7 = 绋一q + ，没有转移过去。转移效率为 覃= 警 眩s ， 而转移损失率刚为 s = l - q ：丝 ( 2 6 ) q 月 理想情况下对应等于1 ，但实际上电荷在转移中有损失，所以露总是小于l 1 9 时问、1 ，均成像下的结构动态特性测量 的( 常为0 9 9 9 9 以上) 。一个电荷为q ( 0 ) 的电荷包，经过h 次转移后。所剩下的 电荷q ( ) = q ( o ) r l ”。这样，n 次转移前后电荷量之问的关系为 甜：塑：e - c( 2 7 ) q ( o ) 如果町= 0 9 9 ，经过2 4 次转移后，“= o 7 8 ，而经过1 9 2 次转移后，a = 0 1 4 。 由此可见，提高转移效率珂是电荷耦合器件能否实用的关键。 半导体的光吸收过程也就是光照产生载流子的过程。c c d 利用处于表面深 耗层状态的一系列m o s 电容器( 称为感光单元或光敏单元) 收集光产生的少数 截流子。这些收集势阱是相互隔离的。囚此，光信号转换成电信号的过程实际上 还包括对空间连续的光强分布进行空间上分立的采样过程。在c c d 中，电荷包 是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数截流子形成的，因此，它具有良好的光电 转换特性。它的光电转换因子，可达到9 9 7 。 由于c c d 的j 下面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的 光谱灵敏度比背面照射时低，即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及 在整个硅一二氰化物界面上的多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若 干个明暗条纹，是光谱响应曲线出现若干个峰与谷，即发生起伏。为此，常采用 背面照射的方法。 用c c d 作光探测器时，线性度( 或光度精度) 是很重要的性能。实际情况 是：在动态范围内，c c d 传感器的响应是线性的。动态范围由势阱中可存储的 最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比决定。c c d 势阱中可容纳的最大信号 量取决于c c d 的电极面积及器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等 因素。噪声源主要有以下几种： 由于电荷注入器件引起的噪声： 电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声； 由检测时产生的噪声。 在正常工作的情况下，m o s 电容处于未饱和的非平衡状态。然而随着时间 的推移，由于热及发而产生的少数截流予式系统趋向平衡。因此，即使在没有光 照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电流。暗电 时问、r 均成像下的结构动态特性测量 东南大学坝卜学位沦文 流是大多数摄像器件所共有的特性，跫判断一个摄像器件好坏的重要标准，尤其 足暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此。产生暗电流的根本原阂在于半导体 的热激发，这主要包括三三个部分： 1 ) 耗尽区里产生复合中心的热激发； 2 ) 耗尽区边缘瀚少数截流子的热扩散； 3 ) 界面上的产生中心的热激发。 其中，第一项的贡献是主要的。所以暗电流受瀑度灼强烈影响，避与光积分 时间成正比( 如图2 1 4 所示乃是种c c d 图像传感器的暗电流特性) 。由于暗 电流的存在，c c d 图像传感器在既 无光注入又无电注入情况下也会输1 0 i 8 信号称为暗信q - 。暗信号每时每 西0 8 刻她加入到信号电蘅包中，与信号 泛。 嘣“ 电穗一起积分，形成一赡信号图像， 京n4 称为固定图像噪声，叠加在信号图甚 像。t 。另外，暗电流的存在会占据 c c d 势阱的容量，降低器件的动态0 范闺。为了减少暗电流的影响，应 当尽量缩短信号电旖的积分和转移 时闯。 积分时间( s ) 图2 。1 4c c d 胞嬉电流特性 分辨率是图像传感器的重要特性。常用调制传递函数m t f 柬评价。像元位 越高的器件