（机械制造及其自动化专业论文）基于激光doppler测试超声换能系统动态特性研究.pdf

摘要 本文在非接触的激光多普勒光学测量方法基础上，对u 3 0 0 0 型 粗铝线键合机实验平台的超声换能系统，进行了较为完整和系统的 实验研究：对换能系统的实际加卸载过程进行非稳态的实验研究； 对换能系统进行频响实验研究；并对换能系统进行电学阻抗测试及 匹配实验研究。主要研究如下： 1 开发基于激光多普勒测速仪和数字示波器的测试系统，根据 测试理论，获得实际加卸载过程中，换能系统驱动电压电流信号和 响应速度信号，以此为基础分析换能系统。由测得的瞬时电压电流 信号获得系统的瞬时功率，根据功率信号的特征将加卸载过程分为 振荡段、正功率段和负功率段分析换能系统工作过程；运用信号处 理方法分辨出每个阶段的起止时间；建立输入与输出关系的数学模 型；运用f f t 对驱动和响应信号进行频谱分析。 2 基于激光多普勒测速仪和数字示波器建立换能系统频响测试 平台，开发了基于8 9 c 5 1 单片机和模拟开关的控制电路，控制对p z t 换能器的加载时间，以及实现对数据采集设备的触发功能；研究了 数据处理方法，通过h i l b e r t 变换获得所测量的解析信号，从而得到 系统的频响曲线；应用复模态理论识别系统实际振动参数，如固有 频率、结构阻尼、刚度、机械品质因数等；分析了不同驱动电压下 系统特性的变化；研究了键合工具对换能系统特性的影响，并提出 改进意见。 3 根据超声换能系统的等效电路模型，以及求取模型参数的导 纳圆法，用阻抗分析仪测得实际夹持状态下，超身换能系统的电学 导纳曲线，利用导纳圆法求得系统的各项参数，分析系统的阻抗特 性；并实验测试不同劈刀安装长度和连接松紧度，对系统参数和阻 抗特性的影响，说明劈刀安装长度和松紧度影响换能系统阻抗特性 的规律，给出阻抗匹配最佳的工况，用于换能系统结构的优化。 关键词超声换能系统，多普勒测速，加卸载过程，频晌特性，阻 抗匹配 a b s t r a c t t h i sp a p e l m a k e sal o to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fu 3 0 0 0 u l t r a s o n i ch e a v ya l u m i n u mw i r eb o n d e r st r a n s d u c e rs y s t e mb a s e d0 1 1 l a s e rd o p p l e rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i ts t u d i e st h el o a d i n ga n d d e c a y p r o c e s s 、t h ef r e q u e n c y - r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s d u c e rs y s t e mb y m a n ye x p e r i m e n t s i ta l s ot e s t st h es y s t e m si m p e d a n c et ob em a t c h e d w e l lw i t hb o n d i n gt 0 0 1 m a i nr e s e a r c h e sa r eb e l o w i td e v e l o p sat e s t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nl a s e rd o p p l e r v i b r o m e t e ra n dd i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，t h e ng e t st h ei n p u tv o l t a g e 、c u r r e n t a n dr e s p o n s ev e l o c i t yo f t r a n s d u c e rs y s t e md u r i n gt h el o a d i n ga n dd e c a y p r o c e s s b ym e a s u r e dv o l t a g ea n dc u r r e n t , i tc a ng e tt h ei n s t a n t a n e o u s i n p u tp o w e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fp o w e r , t h el o a d i n ga n dd e c a y p r o c e s sa r ea n a l y z e da n dm o d e l e di nt h r e es t a g e s ：b e g i n n i n go s c i l l a t i o n s t a g e 、p o s i t i v ep o w e rs t a g ea n dn e g a t i v ep o w e rs t a g e t h ep o s s e s s e d t i m eo fe v e r ys t a g ec a r lb ed e t e r m i n e db ys i g r l a lp r o c e s sm e t h o d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y s t e m si n p u t - o u t p u tr e l a t i o n s h i pi se s t a b l i s h e d t h es p e c t r a la n a l y s i so f i n p u ta n do u t p u ts i g n a l si sm a d e b yf f t t h ef r e q u e n c y - r e s p o n s em e a s u r e m e n ts y s t e mi ss e tb a s e do nl a s e r d o p p l e rv i b r o m e t e ra n dd i g i 【t a lo s c i l l o s c o p e ac i r c u i ti sd e s i g n e dt o l i m i tt h el o a d i n gt i m eo ft r a n s d u c e ra n dt r i g g e rt h eo s c i l l o s c o p e t h e c i r c u i ti sm a d eu po f8 9 c 51s c ma n da n a l o gs w i t c h t h ed a t ap r o c e s s m e t h o di s d e v e l o p e db yu s i n gh i l b e r tt r a n s f o r mt og e tt h es i g n a l s m a g n i t u d ea n dp h a s e t h et r a n s d u c e rs y s t e m sp a r a m e t e r sa r ei d e n t i f i e d b yc o m p l e xm o d a la n a l y s i st h e o r y t h ev a r i e t yo fs y s t e m sc h a r a c t e ri s a n a l y z e du n d e rd i f f e r e n ti n p u tv o l t a g el e v e l t h ei n f l u e n c eo fb o n d i n g t o o lt ot h et r a n s d u c e rs y s t e mi sa l s os t u d i e d ，t h e nt h ei m p r o v e m e n t s u g g e s t i o n sa r ea p p r o v e d t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d a lo fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e mi s e s t a b l i s h e d am e t h o di si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so fm o d a l b ya d m i t t a n c ec i r c l e t h ea d m i t t a n c ec u r v e so f t r a n s d u c e rs y s t e ma r eg o t b yi m p e d a n c ea n a l y z e r , t h e nt h ep a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e dt oa n a l y z e t h es y s t e m sc h a r a c t e r c o m p a r i n gt h ep a r a m e t e r so fs y s t e mu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fb o n d i n gt o o lc o n n e c t e d 、v i mt r a n s d u c e rh o r n t h e m a t c h e dw e l lc o n d i t i o nc a nb ef o u n db e t w e e nt r a n s d u c e rs y s t e ma n d b o n d i n g t 0 0 1 s ot h es t r t l c t b r ec a nb eo p t i m i z e d k e yw o r d su l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e m ，d o p p l e rv e l o m e t e r , l o a d i n g a n d d e c a yp r o c e s s , f r e q u e n c y - m s p o n s 世c h a r a c t e r i s t i c s ， i i i 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 封装、设计及圆片制造已成为微电子技术的三个有机组成部分【”。现代微电 子封装不但直接影响着i c 本身电、热、光和机械的性能，影响其可靠性和成本， 还在很大程度上决定了电子整机系统的小型化、可靠性和成本，而且随着越来 越多的新型i c 采用高i 0 引脚封装，封装成本在器件总成本中所占比重也越来 越高，并有继续发展的趋势。现在，国际上已将电子封装作为一个单独的重要 行业来发展了，它影响着电子信息产业乃至国民经济的发展。 1 2 封装技术分类 从s i 大圆片制作出芯片开始，微电子封装可分为三个层次 2 1 ，即将裸芯片 封装成单芯片组件( s c m ) 和多芯片组件( m c m ) 的一级封装；将一级封装和 其它元件一同组装到单层或多层p c b ( 或其它基扳) 上的二级封装；再将二级 封装插装到母板( m o t h e rb o a r d ) 上组成三级封装。由s i 大圆片开始的三级封装 如图l l 所示。大圆片和裸芯片不作为一个封装层次，是微电子封装的出发点。 图1 - - 1 微电子封装的三个层次示意图 硕七学位论文 第一章绪论 在i c 芯片与各级封装之间，必须通过互连技术将i c 芯片焊区与各级的基 板焊区连接起来才可行形成功能，也将这种芯片互连级称为芯片的零级封装。 因此，芯片互连级在整个电子封装中占有举足轻重的地位，并贯穿于封装的全 过程。芯片互连级封装技术中通常有两种方法：芯片粘接和芯片互连。 1 2 1 芯片互连级封装 芯片互连技术主要有丝焊( w 融b o n d i n g - - w b ) ，载带自动焊( t a p e a u t o m a t e db o n d i n g 1 a b ) 和倒装焊( f l i pc h i pb o n d i n 旷f c b ) 三种 3 1 。 1 ) w b 是一种传统的、最常用的、也是最成熟的一种芯片互连技术，它又 分为热压焊、超声焊和热压超声焊( 又称金丝球焊) 三种方式。 2 ) t a b 是1 9 7 1 年由g e 公司开发除的l s i 薄型芯片互连方式，随着电子 整机的高密度、超小型、超薄型化，f o 大大增加，芯片尺寸及焊区越来越小， w b 困难时，豇姬互连方式才又兴旺起来。日本发展最快，美、欧次之。 3 ) f c b 是芯片面朝下将芯片焊区与基板焊区直接互连技术。一般是先将 芯片的焊区形成一定高度的金属凸点( a u 、c u 、n i 、p b s n 等) 后再倒装焊到 基板焊区上的，也可在基板焊区位置上形成凸点。互连线最短，芯片安装面积 也其它方法小，一次焊接完成所有凸点与基板的互连，安装工艺简单易行，省 工省时，特别适于高f o 的l s i 、v l s i 秘a s i c 的互连。f c b 比w b 、t a b 焊 的综合性能都高，是迅速发展，广泛应用的高新技术 1 2 2 热超声倒装键合封装工艺 倒装焊的工艺方法主要有以下几种：热压焊法、再流焊法、环氧树脂光固 化法和各向异性导电胶粘接法。这几类倒装焊接方法有其各自的优缺点及适用 范围：热压焊接焊接条件要求苛刻，可靠性不好；再流焊采用的时s n ，p b 焊料， 对环境及人体的保护不利；环氧树脂导电胶存在着可靠性不好，寄生电阻较大 等不足【3 】。 由i b m 引入的热超声倒装键合工艺是在引线键合的基础上发展而来的1 4 j ， 它能够解决当前其它各类封装工艺存在的多数缺陷，从而成为各国研究开发的 重点。其工艺原理是：在一定的压力和温度下，对芯片的凸点施加超声波能量， 在一定的时间内凸点与基板产生结合力，从而实现芯片与基板的连接。热超声 连接除了具有芯片倒装焊接的共性，还具有其它独特的优点：超声波能量的引 入使工艺过程简单，采用的压力和温度很低，对基扳和芯片起保护作用；凸点 2 硕十学位论文第一章绪论 材科选择多样，可选择金或者铜铝凸点；是一种干燥、清洁、无铅连接，对人 体和环境无损害。由于具备这些优越性，热超声连接已经被认为是满足下一代 芯片封装要求的具有发展潜力的新工艺和新技术。 1 2 3 热超声倒装键合工艺国内外发展与研究现状 自从i b m 将热超声倒装芯片连接工艺运用于芯片封装领域以来，热超声倒 装芯片连接工艺在不断地发展，研究和采用热超声连接工艺的单位不断增多， 其中最为典型的是美国c o l o r a d o 大学、香港s a em a g n e t i c s 公司，新加坡g i n t i c 研究所等。日本t o s h i b a 公司、新加坡a s m 公司也在研究和采用热超声倒装连 接工艺阁。目前热超声倒装芯片正趋于高频，多向的方向发展，已经广泛应用于 各个领域，比如专用的军用芯片，m e , i s 器件封装，以及磁盘记录芯片等。事实 证明热超声倒装连接工艺是可行的，但要实现更多数量i o 口，更小的凸点间 距，以及更高的可靠性，有待于在连接工艺的理论与技术上有所突破。 我国的微电子封装技术起步晚，发展慢，与国际上相比，微电子封装业还 是相当弱小和落后的。特别是热超声倒装互连工艺等各类先进的微电子封装技 术研究几乎是空白。针对国际上微电子封装技术的迅猛发展和我国落后的现状， 国家加大了对科研的投资，鼓励国内的大学和科研机构进行封装技术的研究。 尤其是日益广泛应用、具有很大发展前景的热超声倒装技术。目前清华大学、 中科院微电子研究所、上海交大、华中科技大学，哈工大和中南大学正在从事 这方面的研究，以期满足下一代封装技术的要求，提出热超声键合用于芯片倒 装的高效超声波焊接新原理与新技术。 本文研究所用的热超声倒装键合实验平台见图l - - 2 。 图i 一2 中南大学热超声倒装键合实验平台 图l 一2 所示热超声倒装键合实验平台是由u 3 0 0 0 型粗铝线键合机和 硕士学位论文 第一章绪论 t s 2 1 0 0 型金球键合机组装得到的。两者均为引线( w b ) 键合装置，t s 2 1 0 0 型金 球键合机为热超声键合，可以完成直径为2 5 u m 的金线键合，温度调节范围为o 到4 0 0 ，最大功耗为5 瓦，键合压力范围为3 5 到1 8 0 9 。u 3 0 0 0 型粗铝线键合 机为超声键合，最大功耗可达8 0 瓦，可以完成室温下直径为1 0 0 - - 5 0 0 t a n 的纯 铝丝键合。相比于t s 2 1 0 0 型金球键合机，由于u 3 0 0 0 型粗铝线键合机的功率和 压力都比较大，适宜于改造为热超声多点键合的倒装平台，铝线键合机的超声 换能系统，加上金丝键合机的加热台，并将铝丝机的楔型劈刀倒过来安装( 见 图1 2 ) ，将其改造为热超声倒装键合装置。 1 3 超声换能系统国内外研究现状 一3 。 在超声键合技术中，超声换能系统包括p z t 压电换能器和换能杆，见图1 蔚羞板 图i - 3 超声换能系统示意图 压电换能器利用p z t 压电材料的压电效应，将超声频率的电信号转换成机 械振动，换能杆将振动传输并放大后传递给键合工具，工具带动芯片与基板相 互摩擦从而完成键合。可见超声换能系统是键合装置的核心部件。对其国内外 已有大量的研究。 j a k u b o w s k i m 根据简化了的边界条件建立换能杆的数学模型，用于换能杆 的初期设计1 6 l ；c h a n g s o oj a n g 利用有限元方法分析了连接结构对换能杆性能的 影响1 7 l ；s h e r r i t s t c w a r t 等人根据数学模型分析不同形式换能杆端部纵向位移、 速度的大小【8 】；贺西平等根据换能杆的纵向传播的波动方程，对常见的指数型、 悬链线型、圆锥型、阶梯型换能杆，分析其稳态自由振动下对应的频率方程、 位移放大系数、输入力阻抗等，评价复合型换能杆的设计嘲；赵福令等根据四端 4 硕七学位论文第一章绪论 网络原理，利用力电类比的方法，推导出复合换能杆频率方程和放大系数的一 般公式i l 哪；胡时岳等利用各形状函数杆之间的位移和力连续的边界条件，确定 待定系数导出频率方程，用于复合换能杆的简化设计【1 ；戴向国等对不同连接 结构的换能杆超声能量传递效果进行比较【1 2 1 ；廖华丽等不考虑换能杆的机械损 耗，利用变截面杆的振动方程研究换能杆内速度波、力波及功率的传递特性1 1 3 1 等。然而，上述研究工作多为模型研究，对于实际复杂系统，建立在实验测量 基础的研究才更为重要，比如超声加载后，换能系统实际上处于非平稳的受迫 振动状态，以换能系统处在稳态共振假设为基础推导的方程结论，只能定性解 释某些现象，并且可能与实际情况出入较大，进一步深入了解超声换能系统的 工作特性，需要研究其实际加卸载过程。本文采用激光多普勒测速仪测量换能 杆负载端响应速度，键合输入能量调整监控装置采集p z t 的驱动电信号，对换 能系统的实际加卸载过程进行了相关的实验研究。 一般认为键合质量与键合金属基体的材料性质以及键合时间、压力、温度、 输入功率等工况有关，多忽略键合过程与换能系统动力学特性的关系，而换能 系统的动态性能直接影响键合设备的工作性能。以往对换能系统的模态分析通 常以有限元分析为主，s h i m i z u , h 对指数型换能杆在两端自由和小端加附加质量 两种边界条件，进行有限元分析研究其振动【4 1 ；o rs i uw m g 建立引线键合换能 系统的有限元仿真模型，获得该系统谐振频率及换能杆轴向振动的位移分布【1 5 1 ； l o r e n z op a r r i n i 结合有限元模拟和阻抗测试设计用于楔焊的1 2 5 k h z 换能系统【1 6 1 ； s g a m i n 等人利用计算机辅助方法分析了用于超声加工的换能杆，并提出优化 换能杆性能的方法【1 7 1 ；万德安等根据变截面杆纵向振动的波动方程。推导了悬链 形超声换能杆的频率方程，应用有限元法对换能杆进行了模态分析【1 8 1 ；蓝字等利 用有限元法对换能器进行优化设计【1 9 1 ；夏铁，骚等采用有限元和边界元相结合的 方法，计算分析了纵向式换能器在空气和水中的振动模态、谐振频率唧l 等。但 以往的解析或有限元分析是以结构的力学模型分析为基础，建立在线性理论基 础上的模型分析与实际结构实验结果之间的误差一直难以解决，而实验模态分 析则是以结构的实际模态实验为基础，它克服了理论计算的缺点，广泛应用于 复杂结构的动态特性分析。本文利用已知的输入对换能系统进行激振，用激光 多普勒测速仪测得系统的输出速度，然后通过输入、输出的关系。即频响函数 来确定系统模态参数，分析不同情况下系统的特性。 在研究超声波换能器时，常应用机电模拟理论将换能器的机械系统变成便 于分析系统状态的电学模型，通过测量系统的电学导纳曲线来确定等效电路参 硕士学位论文 第一章绪论 数，从而分析系统特性。鲍芳等由换能系统等效电路输入阻抗的导纳圆确定换 能器的谐振频率、机械品质因数和工作带宽等特征参量，分析输入阻抗特性f 2 j j ； 左全生等利用换能系统导纳圆确定等效电路的电阻、电容、电容等参数圜；鲍 善惠等研究了换能器与电发生器之间的动态匹配瞄l 。这些研究都没有考虑换能 系统与键合工具( 劈刀) 之间的阻抗匹配问题，而劈刀作为键合工具，直接带 动芯片与基板摩擦、传递超声能量从而完成键合，它与换能系统是否匹配严重 影响键合设备的工作性能，因此本文通过改变劈刀与换能杆的连接工况，包括 连接长度和连接松紧度，利用阻抗分析仪测得系统在不同工况下的导纳曲线， 计算得到系统的谐振频率、电容、电感、电阻、机械品质因数、机电耦合系数 等参数，从而确定劈刀与换能系统匹配最佳的工况，优化键合工艺。 1 4 论文课题来源、研究意义及内容安排 本课题来源于国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能电子产品设 计制造精微化数字化新原理和新方法”的课题2 。复合能场作用下微互连界面的 微结构演变规律。( 编号；2 0 0 3 c b 7 1 6 2 0 2 ) ，以及国家自然科学基金“十五”重 大项目“先进电子制造中的重要科学技术问题研究”的课题4 “芯片封装界面制 造过程多参数影响规律与控制”( 编号 5 0 5 7 5 2 3 0 ，5 0 3 9 0 0 6 4 ，5 0 4 2 9 5 0 1 ) 。 在超声键合技术中，超声换能系统包括p z t 压电换能器和换能杆。压电换 能器利用p z t 压电材料的压电效应，将超声频率的电信号转换成机械振动，并 将振动加在换能杆上，换能杆将振动传输并放大后传递给加工工具。其中换能 杆除了起传输并放大振动的作用外，还有完成p z t 换能器和劈刀之间的阻抗匹 配的作用。可见，在热超声倒装键合过程中超声换能系统担负着实现电声转换、 产生超声振动以及传递能量的重任，是键合装置的核心部件，对其的特性分析 有助于研究热超声倒装键合的机理，提高热超声倒装工艺的效率、质量，具有 重要的意义。由此确定本文的研究内容： 第一章：简要介绍芯片互连级封装技术，指出热超声倒装键合工艺是最具 有发展前景的互连级封装技术；介绍键合装置核心部件换能系统研究历史和现 状，确定本文主要研究内容； 第二章：介绍了激光多普勒测速原理一多普勒效应，以及多普勒效应在测 试技术中的应用；介绍所用德国p o l y t e c 公司p s v - 4 0 0 - m 2 高频型( 1 5 m h z ) 扫描 式多普勒测速仪，为后续实验测试奠定方法基础。 6 硕七学位论文 第一章绪论 第三章：建立基于激光多普勒测速仪和数字示波器的测试系统，对热超声 倒装键合装置的换能系统进行实际加卸载过程的实验研究。建立系统输入能量 与输出动能之间的数学模型，研究系统的能量传输特性。并进行频谱分析。 第四章：对换能系统进行实验模态研究。开发了频响函数测试实验系统， 对系统进行频响分析，并应用复模态理论对系统进行参数识别，说明驱动电压 和劈刀对系统性能的影响，提出改进措施。 第五章：研究换能系统与键合工具匹配情况。实验测量无劈刀、有劈刀情 况下，以及改变劈刀长度、与换能杆连接松紧度，系统对应的导纳特性，计算 系统等效电路模型参数，找出匹配最佳的工况，优化换能系统。 第六章，对全文工作进行总结。 7 硕士学位论文第二章激光多静勒测速原理和应用 第二章激光多普勒测速原理和应用 本文的测试系统基本都是建立在激光多普勒测速系统上，它不仅用来测量 换能系统的振动响应，还要充当频响测试时的信号发生器，因此本章介绍激光 多普勒测速原理和应用。 2 1 激光多普勒测速原理 2 1 1 测速原理多普勒效应 在声学领域内，多普勒效应早为人们熟知，它是1 9 世纪德国物理学家多普 勒首先发现的。爱因斯坦在狭义相对论中指出：在光波领域中也存在着类似的 多普勒效应，而且可以利用这一效应来测量运动物体的速度。当光射向一个运 动着的物体时，从观察者看来，由运动物体散射的光将产生频率变化，它与物 体的运动速度、方向、入射光的波长、方向和观察者的位置有关，如果后几个 因素都是已知的，那么只要测得其频率变化，就能推算出物体的运动速度。利 用这一原理来测量运动物体、流体和气体速度的技术就称为多普勒测速技术【2 4 j 。 由于激光具有亮度高、单色性好等优点，成为了一种比较理想的光源。以 激光作光源，利用光射到运动物体上的多普勒效应，并使用各种信号处理的方 法，就能测出运动物体的速度。用这种方法进行速度测定的仪器称为激光多普 勒测速仪。 当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频 率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频 移。最终得到的频差与运动物体的速度有一定的关系，据此可得到物体的运动 速度。原理见图2 一l 。 a 已f 图2 一l 多普勒效应原理图 矗：堡；盟；，r ，一v - e t ) ( 2 1 ) c 8 硕士学位论文 第二章激光多瞥勒测速原理和府用 工2 7 鬲c 了。矗= a ( 1 + 孚j ( 2 - - 2 ) 式中：岛入射光传播方向上的单位矢量，其取向从光源指向运动粒子； 巳散射光传播方向上的单位矢量，其取向是从运动粒子p 指向光 电接收器； ，运动粒子p 的速度矢量； z 激光源射出的激光频率； 正微粒p 感受到的入射光频率； z 光电接收器接受到的散射光频率； 2 激光束波长： c 光速。 将式( 2 - - 1 ) 代入( 2 - - 2 ) ，并由于c 1 1 ，i ，忽略高次项后，得 工= f , o - 孚朋+ 竖cm k v r 旷q 刁clcl 鼬： f n = ，l - f , = 皂v e l e t ) = v ( e i e | ) ， f 式中：厶多普勒频移量； r 乞一q j 多普勒强度方向 适用光电接收器将光学多普勒频移变为电流的变化， 处理就能得到速度信息。 ( 2 3 ) 然后对这一信号进行 2 1 2 激光多普勒测速仪的光学系统 激光多普勒测速仪的光学系统主要由激光源、光学分束器、光学发送系统 和光电接受系统几大部件组成瞄】。 激光多普勒测量系统按接收散射光的方向分为：前向散射接收系统，后向散 射接收系统和前后向通用系统。由于散射光在前面方向上最强，可以比较容易 地获得高信噪比的多普勒信号，在对流体进行测量时，常采用这种接收装置。 而在固体振动的测量中，因为光线足不可能透过固体表面的，因而只能采用后 向散射接收系统。 接收系统光路按光学结构的不同可分为：参考光束型、差动多普勒型、自混 频型。本文所用的多普勒测速仪为差动型。 9 硕七学位论文第二章激光多曾勒测速原理和应用 差动式激光多普勒振动测量测量原理如图2 2 所示。 图2 - - 2 差动式激光多普勒测振原理 激光器发出的激光束经半透半反镜分成两束，一束透射为光束l ，一束反射 并经反射镜再次反射成与光束l 平行且强度相等的光束2 ，两平行光束经透镜会 聚于被测物体表面的a 点。根据多普勒频移原理两束光在a 点发生频移，它们的 频率分别为为。、正。 肛f o + 学伽号一孕s i n ； ，c z 叫 二二 ， 加f o + 孕渊号+ 孕砌导 c z 吲 zz 式中：t o 为激光器的频率，口为两入射光束的夹角，为传播媒介的反射指 数( 若为空气，则，- - i ) ：吒、圪分别为待测物体在a 点处x ，y 方向上的速度 分量，九为激光波长。 这两种具有不同频移的散射光束i 、2 在光电探测器a p d 的光敏面上相干， 得到差动多普勒信号频率： 厶= 卜乃| - i 4 巧而詈 ( 2 6 ) 从式( 2 - - 6 ) 可看出，多普勒频移与两入射光束的具体方向无关，仅与其 相互问的夹角有关，也就是说在任意散射方向接收两入射光束引起的多普勒频 差均是相等的。无论探测器摆在何处，只要两束入射光线的夹角不变，得到的 多普勒信号就是一样的，所以可以尽可能的加大接收孔径，以便得到较强的散 射光，从而提高光信号的信噪比，这对激光多普勒信号的处理是非常有利的， i o 硕七学位论文 第二章激光多普勒测速原理和商用 是差动型多普勒测速的优点。 对光路中的一路光束采用声光调制器等频移技术，还可以准确判定物体的 运动速度方向，因而差动式激光多普勒是测量振动、速度的一个好技术，但对 离面振动却无能为力。 2 2 激光多普勒技术发展概述 激光多普勒技术作为光学测试技术，具有灵敏度高，响应速度快，可进行 非接触测量等优点，一直在振动测量领域占有重要地位8 0 年代，激光多普勒 技术进入了实际应用的新阶段，它在无干扰的液体和气体测量中成为一种非常 有用的工具。可应用于各种复杂流动豹测试，如：湍流、剪切流、管道内流、分 离流、边界层流等。随着大量实际工程、机械测试的需要，固态表面的光多普 勒技术也越来越受到重视。a e s m a r t ，c j m o o r e 等把该项技术应用到航 空发动机的研究上：清华大学利用激光多普勒技术分析磁头的运行姿态；美、 德开始激光光栅多普勒测量的研究，由光栅衍射主极大光束形成的多普勒信号， 具有信噪比高、抗干扰能力强等优点，可用于各种机械的振动测量，但使用时 须将光栅和测量目标相连接，限制了它的适用范围；f d u r s t 和m z a r e 提出了 p d a ( 相位多普勒) 技术，他们研究发现，球形粒子对两束相交光束散射，会在周 围光场形成明暗相问的干涉条纹。当用两个探测器接收多普勒信号时，蹰路信 号之间存在的相位差与粒子大小成呈线性关系。这一技术被广泛应用于粒子大 小的测量中，也被用于折射率的测量中；天津大学进行将激光多普勒技术用于 固体表面面内位移远距离测量研究 激光多普勒技术虽被证明是一种非常有用的技术，但实测中信噪比不高， 极其依赖于后继信号处理技术，它的仪器化产品在相当长一段时期内受信号处 理技术相对落后的限制，在工程领域的实际应用比较有限。近年来，许多微光 学元件己经商品化，激光二极管的应用也为实现仪器小型化提供了便利条件， 微小透镜取代了传统的透镜，尤其是计算机和数字信号处理技术的结合增大了 振动量测量和分析的实时性和自动化程度，信号时域波形分析法、函数分析法、 调和分析法等技术的成熟大大提高了测量的准确性和实用性。特别是随着传感 技术和信息技术的发展，产生了一些新的测量方法，将多传感数据实时综合处 理及分析变为可能，信号处理过程实现了信息化和综合化。超大规模i c 使得信 号处理器体积减小的同时可靠性得到大大增强。这些技术的涌现，使得激光多 硕士学位论文第一二章激光多普勒测速原理和应用 普勒技术向着小型化、数字化、实用化、商品化等方向发展。 ，- 2 3 激光多普勒测速特点及应用 与传统的测量方法相比。激光多普勒测速具有以下优点； 1 ) 属于非接触测量。激光束对被测结构无附加质量的影响，利用激光良好 的传输特性，还可以测量较远距离的速度场分布。 2 ) 测速精度高。光路中的一些参数一经确定，多普勒频率与速度的关系就 被精确的确定，基本上与被测物体的参数如温度、压力、密度等参数无 关。 3 ) 空间分辨率高。由于激光束可以聚焦在很小的区域之内，所以可以测量 很小体积物体的速度。 4 ) 测速范围广。从光路系统看，可测的速度范围可以是“无限大”，实际 上其测速范围主要取决于信号处理机。目前有的产品测速范围低至纳米 每秒。 ， 5 ) 动态响应快。速度信息以光速传播，惯性极小，可以进行实时测量。 6 ) 具有良好的方向灵敏度，并可进行多维测量。这些都是其它传统的测速 方法难以解决的。 2 4p s v - 4 0 0 - m 2 扫描式多普勒测速仪简介 德国p o l y t e c 公司是全球著名的激光测速仪专业研制生产商，为全球用户 提供了绝大部分激光测速仪产品。作为一种新的非接触振动测试手段，p o l y t e c 产品正在被越来越广泛的认识和接受，并在研究工作中发挥了优异作用。美国 国家航空和宇宙航行局采用p o l y t e c 激光测速仪对太空船隔离膜进行振动测 试，验证解析模型的正确性啪i ；德国采用p o l y t e c 激光测速仪对汽车的零部件 及整车进行模态分析，改善汽车性斛冽；北京大学陈伟民、李敏采用p o l y t e c 激光测速仪，提出了一种用直接测量压电片动态位移的方式来确定压电片的压 电常数的方法，与传统的线路传输压电常数测量方法相比较，由于减少了中间 环节，测量结果的精度得到了提高【2 7 i ；北京航天航空大学管德、李敏、诸德超 等利用激光测速仪非接触测量压电驱动器激振模型的速度响应，对采用分布式 压电驱动器升力面的颤振主动抑制进行了理论与试验研究1 2 射。蔡晨光、樊尚春 1 2 硕士学伊论文第二章激光多普勒铡速原理和应用 针对硅微谐振式传感器谐振频率和品质因数测量的特殊性，给出了基于p o l y t e e 激光测速仪的一种全新的频率特性的测试方法，能够高效、精确地测量机械式 谐振传感器的频率特性【2 纠。 本文所用多普勒测速仪为德国p o l y t e c 公司p s v - 4 0 0 - m 2 高频型( 1 5 m h z ) 扫描式多普勒测速仪，不仅可以测量超声振动的速度，还可对空间区域进行稳 态振动模态分析。实验中利用p s v - 4 0 0 - m 2 高频型多普勒测速仪，测量换能杆 负载端在键合机实际激励信号下的响应速度，分析换能系统的实际加卸载过程； 在频响测试实验中，不仅使用多普勒测速仪测量响应速度，同时还可使用其数 字信号发生器作为频响测试中的信号源。 p s v - 4 0 0 - m 2 高频型( i 5 m h z ) 扫描式多普勒测速仪其测量光路见图2 - - 3 。 图2 3 激光多普勒测速仪测量光路 测试参数具体如下： 摄像头：扫描角度分辨率 o 0 0 2 度，自动聚焦彩色摄像，7 2 显微放大倍数。 扫描速度 1 0 0 p o i n t s s 。 控制卡：速度测试范围：5 2 5 1 2 5 1 0 0 0 m s v ，5 1 d - l z 、2 0 k h z 、l o o k h z ， 以及1 5 删z 量程的四通道模拟低通滤波器，远程序数据处理程序的r 2 3 2 接口。 数据处理系统；2 通道，1m h z 带宽。 数据采集系统：四通道同时数据采集，采集方式：f f t 、z o o 旷f f t 、 f a s t s c a n 、m u l t if r a m e 、t i m em o d e 。触发方式：内部、模拟、预触发、及后触发。 硕士学位论文第二章激光多普勒测速原理和应用 数据对象：速度、位移、加速度等，以谱或时域信号形式显示或保存。 信号发生器：输出多种形式的信号，包括正弦、余弦，扫频等信号。 数据精度：速度 m a x ( a 1 ) & a ( r ) m i n ( a 2 ) 。t l - - r * 1 7 ；b r e a k ； e n d e n d 用上述方法确定的初始振荡段时间示例见图3 一1 2 。 2 ) 正功率段 由图3 - - 8 ，正功率段与负功率段主 的分界点是速度幅值突然变小的地方， 雹 确定这个地方的时刻即可区分正功率嗣 段与负功率段。具体做法是：对速度信 号从头到尾，按时问间隔a t = 2 t “ 3 4 u s ，求均方根值，存在数组中，数组三 中最大值对应的时刻就是正功率段与 负功率段分界点。m a t l a b 程序与上面 所述程序类似。示例见图3 - - 1 3 。 3 ) 负功率段 图3 一1 3 确定正功率段时间示例图 初始振荡段和正功率段确定下来后，负功率段自然就随之确定下来。 上述时间是在功率l 格情况下，某一组数据为例得到的结果，实验中每个功 率下测的数据有5 0 组，按上面的方法依次求出5 0 组数据中各段的时间后，求 平均值，即可得每个功率下各段的时日j ：振荡段约2 m s ，正功率段2 0 m s ，负功 率段l o m s 。 3 7 分段分析系统响应特性 硕士学位论文 第= 章超声换能系统实际加卸载过程分析 3 7 1 初始振荡段 初始振荡段约持续2 m s ，这 段时间内超声功率源对系统的 加载很小，系统响应很微弱。 不同功率下，5 0 组数据中振荡 段速度有效值散点图见图3 一 1 4 。由图3 - - 1 4 ，不同功率下振 荡段时间较短( q m s ) ，对应输 功率的有效值较小( 如4 5 w ) ，且 导致换能杆负载端速度非常小 ( 1 5r a m s ) 。可见振荡段不应 是完成键合的主要工作阶段。 3 7 2 正功率段能量建摸 图3 1 4 不同功率振荡段速度有效值( 5 0 组l o 格) 图3 - - 1 5 功率5 格时换能系统输入 功率与响应速度对应关系 ! 奢 ； ! 羞 图3 一1 6 功率5 格时换能系统输入 能量和响应速度对应关系 1 ) 输入功率一响应速度 获取超声换能系统的驱动电压、电流后，即可得到系统的瞬时输入功率 p = u i ，见图3 8 。以功率为输入，响应速度为输出。讨论两者之间的关系。 由图3 一1 5 ，振荡段输入功率很小，对应速度有效值几乎为0 ；换能杆主要 的振动能量集中正功率段，在正功率段歼始阶段，速度有效值随着功率有效值 的增大而增加，随后出现功率减小而速度增大的现象；负功率段全部为负功率， 反映在速度上就是其有效值迅速减小，系统动能迅速下降。图中速度保持不变 段是功率由正变负的时刻。 l量i罩l幢霉鼍鬟 、量y 硕士学位论文第三章超声换能系统实际加卸载过程分析 由上述分析可知，用“功率一速度”作为输入输出时，正功率段的功率减 小速度增加现象，以及负功率段求有效值后变成正功率，物理意义不清晰，容 易引起误解。故不宜使用输入功率为参数来研究系统的输入输出关系。 2 ) 输入能量一响应速度均方根值 由图3 一1 6 ，振荡段和正功率段，系统的输入能量输恒为正值且一直增加， 响应速度信号有效值也一直在增加；负功率段由于系统反向输送能量到超声功 率源，根据能量守恒的定律，系统动能必然会减少，所以系统速度值越来越小。 可见，从能量的角度来分析系统的输入输出关系，物理意义清晰，更为合理。 3 ) 输入能量一响应速度均方值 分析系统响应可从能量角度出发如统计能量分析方 法【站】。但换能杆中机械 能量的测试相当困难。文献 1 2 1 认为超声能量的大小与换能杆负载端的轴向加速 度成正比。我们认为，当系统处于谐激励下的拟共振态，系统机械能量是缓变 的( 系统机械能量可观变化所需时间远大于振动周期) ，任一质点速度平方的时 间平均正比于系统机械能量e 。r ，的时间平均。这样，系统具有的机械能量， 可用系统特定测点速度的时间均方值来近似表示。系统拟稳态振动时，对速度 平方进行时间平均的窗口应大于振动周期，同时又足够小便于反映系统机械能 量的动态演变过程。这里时间窗口为4 个振动周期约7 0 9 s ，则系统能量变化频 率约为( 1 7 毗s ) 1 4 k h z ，满足系统缓变要求。用速度均方值代表系统能量e 。， 建立系统能量e 。与输入能量e 。之问关系模型。 a ) 求系统能量最。就是求响应速度均方值。根据不同功率下正功率段所占 的时间段，从整个速度信号中截取相应的部分，放入另一数组v l 中，然后取时 间日j 隔a t = 4 t ，将正功率段分成n 小段，求得每小段的均方值，存于数组b 中， 即得响应速度的均方值。系统能量求取子程序如下 v l = v ( 6 7 0 ：1 0 8 9 6 ) ；正功率段速度信号 s = v l ( 1 ：3 6 ) ；l = l e n g t h ( s ) ；v _ r m s = ( s + s 1 ) ；b ( 1 户? 咖s ； 、 f o rn = 2 ：7 1 ， f v l ( ( n - d 3 6 ：( n + 3 6 ) ) ；l = l e n g t h ( s ) ；v _ r m s - = ( s s m ； b ( n ) = = vr m s ；将均方值放入矩阵b 中 e n d b ) 求输入能量e 。：与求速度均方值类似，先求出正功率段功率的均方根 值即平均功率，将平均功率积分即得每段时间