（机械电子工程专业论文）基于激光多普勒测试劈刀稳态振动特性的实验研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在非接触激光多普勒光学测量方法基础上，对u 3 0 0 0 型粗铝 丝引线键合机中劈刀的稳态振动进行了实验研究：对激光多普勒测振 仪的测量原理作了简要的说明；对超声键合装置中，劈刀在不同连接 松紧度下的稳态振动特性作了实验测试和初步分析；对在不同连接松 紧度下，劈刀的稳态振动进行了实验模拟。 主要研究内容如下： ( 1 ) 对非接触激光多普勒测振仪的光学测量方法、测振基本理论 及差动技术作了探讨。另外，还简单介绍了其它几种常见激光非接 触测量方法。 ( 2 ) 利用激光多普勒测振仪，对u 3 0 0 0 型粗铝丝引线键合装置中， 劈刀在不同连接松紧度下的稳态振动进行了扫描测试。并利用激光 多普勒测振仪测量软件的数据采集功能和l a b v i e w 软件平台的数据 采集系统，使用m a t l a b 软件对稳态振动的实验数据进行了分析处 理，得到不同连接松紧度对劈刀稳态振动特性的影响规律。 ( 3 ) 根据弹性梁弯曲振动的基本理论，对超声键合装置中劈刀连 接结构作了分析研究。通过对振动实验现象的分析和数据的处理， 得到在不同松紧度下，劈刀稳态振动的近似模型。 本文的研究为超声倒装键合机理的深入探索和超声键合过程监 控系统的研制提供了若干参考，这将对优化设计超声振动系统、提高 超声能量的利用率有一定意义。 关键词：超声键合；劈刀；稳态振动；激光多普勒测振仪；松紧度 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e sa ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h es t e a d ys t a t e v i b r a t i o n ，i nd if f e r e n td e g r e eo fc o u p l i n gt i g h t n e s so fu 30 0 0u l t r a s o n i c h e a v ya l u m i n u mw i r e b o n d e r sb o n d i n gt o o lb a s e do nl a s e r d o p p l e r m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y t h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fl a s e r d o p p l e rv i b r o m e t e r 、t h es t e a d ys t a t ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb o n d i n g t o o lh a v eb e e ns t u d i e dw h e nt h et i g h t n e s sc h a n g e s t h em e c h a n i c a l m o d e lo ft h eb o n d i n gt o o l ss t e a d y s t a t ev i b r a t i o ni nd i f f e r e n tt i g h m e s s h a v eb e e ng i v e nt o o m a i nr e s e a r c h e sa r eb e l o w t h em e t h o do fo p t i c a lm e a s u r e m e n t 、b a s a lt h e o r yo fm e a s u r i n g v i b r a t i o na n db a s i cd if f e r e n t i a lt e c h n i q u e so fn o n c o n t a c tl a s e rd o p p l e r v i b r o m e t e rh a v e b e e ni n t r o d u c e d s e v e r a l o t h e rc o m m o nl a s e r n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o d sw e r ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c e d t h es t e a d ys t a t ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f b o n d i n gt o o li nd i f f e r e n t t h ed e g r e eo fc o u p l i n gt i g h t n e s sh a v eb e e nt e s t e db a s e do nc o n t i n u o u s l y s c a n n i n gl a s e rd o p p l e rv i b r o m e t e r t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f t h eb o n d i n g t o o l ss t e a y - s t a t ev i b r a t i o ni nd i f f e r e n tt i g h t n e s sh a v eb e e na n a l y s e d u s i n gm a t l a bs o f t w a r e ，a n da l s os o m ep h e m o m e n ao ft h eb o n d i n g t o o l s v i b r a t i o nh a v eb e e nd i s p l a y e d t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb o n d i n gt o o li nu l t r a s o n i cb o n d i n g d e v i c eh a v eb e e nd i s c u s s e da g a i nb a s e do nt h eb a s i ce q u a t i o no ff l e x i b l e b e a m sb e n d i n gv i b r a t i o n w ed r a wt h e a p p r o x i m a t e l ym a t h e m a t i c a l m o d e lo fs t e a d ys t a t ev i b r a t i o nu n d e rt h ea n a l y s i so fv i b r a t i o n e x p e r i m e n t sp h e n o m e n aa n dd a t ai nd i f f e r e n tt i g h t n e s s a 1 lt h es t u d i e sc o u l dp r o v i d es o m ei n s i g h t sf o r t h eu l t r a s o n i c b o n d i n gm e c h a n i s ma n dt h em a n u f a c t u r eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mf o r u l t r a s o n i cb o n d i n gp r o c e s s a n dw ed r a ws o m ec o n c l u s i o n st h a th a v e i m p o r t a n t i n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c et o o p t i m i z e u l t r a s o n i cv i b r a t i o n s y s t e m ，i m p r o v et h ee n e r g yt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cb o n d i n g ，b o n d i n gt o o l ，t h es t e a d y s t a t ev i b r a t i o n l a s e rd o p p l e rv i b r o m e t e r , t i g h t n e e s u 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：焦里日期：型堕年上月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 勃7 落 日期：丝年上月监e t 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 目前微电子产业之所以能够飞速发展，封装技术的进步和支持起到了极为关 键的作用。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光 性能和热性能，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠 性和成本，针对各种电子产品的特殊要求，发展出了多种多样的封装技术乜，。如 今，微电子封装技术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志， 影响着电子信息产业乃至国民经济的发展口1 。 1 1 芯片封装技术 芯片封装是微传感器、微执行器、微光学系统等电子器件制造的后半工序， 其工艺水平直接决定各类电子器件的性能h 1 ，它是影响微电子器件质量、效率和 成本的核心工艺之一。当前，主要的芯片封装方式包括引线键合( w i r eb o n d i n g ， w b ) 和倒装芯片键合( f 1i pc h i pb o n d i n g ，f c b ) 方式。 1 ) 引线键合( w b ) 技术 引线键合技术是用金属丝将i c 芯片上的电极与集成电路底座连接在一起的 一种互连技术，它是最成熟的芯片互连技术，也是当前最重要的微电子封装技术 之一，目前9 0 以上的芯片均采用这种技术进行封装，满足了从消费类电子产品 到高性能大型芯片的需求。引线键合技术又分三种：热压键合、超声引线键合和 热超声引线键合畸1 。其中，热超声引线键合是目前最通用的芯片互连技术，在键 合过程中加入热超声，可以实现低温焊接从而使工艺变得简单，在芯片互连技术 中得到广泛的应用。 2 ) 倒装芯片键合( f c b ) 技术 目前主要的倒装芯片技术有导电胶粘接、热压键合和热超声倒装键合等几种 技术。其中，热超声倒装芯片键合技术是在超声、键合力和热作用下，将金凸点 键合到基板焊盘上的一种微电子芯片互连技术畸1 。它首先在芯片焊盘上用超声引 线键合的方式植金凸点，然后将芯片倒置，凸点向下反扣在基板焊盘上；通过超 声、键合力和温度的共同作用，将芯片凸点键合到基板焊盘。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 超声键合系统 超声键合系统是键合装置中实现引线键合和倒装芯片键合的核心部件，它包 括换能器、变幅杆和键合工具，各部分通过机械连接成一个完整的超声振动系统。 如何提高超声键合系统工作的可靠性，实现高质量、高精度的芯片互连始终是人 们普遍关注的问题，国内外学者为此进行了大量的研究工作h 1 钔。其中，p a u l w i n g - p oc h u 等人在换能器上增加一个环型压电陶瓷( p z t ) 传感器，力图通过检 测键合过程振动受力的变化实现引线键合质量的在线检测u 引；z w z h o n g 等人 注意到键合工具系统的振动特性对键合质量的影响，采用激光多普勒测振仪对负 载条件下劈刀末端的振动特性进行了实验研究，采用新的劈刀材料，并对键合工 艺参数进行了优化n 引；林书玉等对纵一弯复合系统的振动特性作了研究，并根据 理论分析和实验得出系统的共振频率与纵向振动细棒及弯曲振动细棒的关系u 制。 然而，已有工作尚未对键合工具与变幅杆的匹配关系与振动特性展开深入研究。 任何一个键合点的缺陷都会导致整个i c 电路失效，在热超声引线键合或者热 超声倒装键合过程中，影响芯片凸点与基板键合的因素多种多样，包括超声功 率、温度、压力、凸点大小、基板清洁程度等u5 1 。但作为与芯片凸点直接接触的 关键部件，键合工具的超声振动模式是影响芯片键合质量的主导因素之一，因 为键合工具振动模式的差异直接导致芯片凸点获得不同的能量，产生不同的键 合效果。 键合工具是键合系统的关键部件，研究键合工具的动态特性及力学行为是掌 握键合机理的关键。由于键合工具的高速振动，使得通过常规检测方法很难了解 其工作模式，研究其空载和负载时的振动成为一个棘手的难题，对键合机理作深 入地研究可以为超声键合系统键合质量监测和键合工具优化设计提供参考。 1 3 利用激光测量机械振动的研究 对振动的测量按测量方式可分为两种：接触式和非接触式。接触式测量方法 需要把振动传感器附着于待测物体表面，这种接触式安装往往会破坏被测物体原 有的振动状态，影响测量精度，因此大大限制了它的应用范围。使用非接触测量 方法就无需担心此些问题，现代测试计量技术的高精度、高效率、无损伤等要求， 决定了测试计量技术向着非接触测量方向发展纠8 1 。而激光测量由于具有非接 触、精度高等特点，越来越多地被用于各种测量中。 文献 1 9 用激光干涉仪对超声引线键合工具的振动振幅进行了测试，并研究 了键合工具的安装对键合质量，以及讨论了键合工具的外形设计对于键合时熔球 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的影响，最后从键合质量的角度讨论了键合工具的优化设计问题。 文献 2 0 2 2 利用激光多普勒测振仪对劈刀的超声振动系统的振动特性进行 分析，开发了适合于换能系统参数测试的数据采集系统，分析了系统的导纳特性， 并对换能系统的工作状态进行了仿真分析。 文献 2 3 设计了一种激光测振仪( 实际上是一个迈克耳逊干涉仪) ，计算了 用此仪器测得机械零件振动信号的频谱，计算结果表明可以从频谱推算出振动的 频率和振幅。在测量机械振动的其他方法不适用的情况下，这可能成为一种有用 的新方法。 文献 2 4 详细报导了运用集成锁相环路在实现多普勒信号频率跟踪处理的 具体实施方案。该处理方法将使系统具有电路简单、可靠、可实时测量和结果直 观、易操作等特点。 文献 2 5 3 对虚拟仪器及其系统的构成、软件开发平台以及虚拟仪器的应用作 了介绍，并就虚拟仪器在振动测试中信号的产生、采集、控制进行了说明。利用 该系统对悬臂梁进行了振动测试，并给出了其幅频特性曲线，实验证明了测试系 统的可靠性与可行性。 文献 2 6 利用波在弹性体中传播机理，给出超声聚能杆和劈刀的振动传递的 特性，利用多普勒振动计p s v 一3 0 0 - f ( 1 5 m h z ) 测量了振动位移和速度。 文献 2 7 2 8 介绍了一种利用激光多普勒测振仪( l d v ) ，对在正弦信号激励 作用下的结构进行连续扫描，而获取结构模态振型的方法。此外，还介绍了扫描 信号的提取和处理方法以及对扫描路径的选择等问题。 1 4 课题综述 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家重点基础研究发展计划项目( 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项目( 编 号：5 0 5 7 5 2 3 0 ) 。 1 4 2 研究意义 芯片互连技术不断向着高速度、高密度的方向发展，对超声键合质量和可靠 性提出了更高的要求。中南大学在超声引线键合和热超声倒装键合方面作了大量 的实验研究，对超声键合机理与工艺有了较深入的认识。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 、超声键合工艺参数对键合质量的影响规律研究。 文献 1 0 观察到在超声功率较小情况下( 超声功率比为2 0 3 0 ) ，增大超声 功率有助于提高键合强度；在超声功率较大的情况下( 超声功率比为4 5 - - 7 0 ) ， 增大超声功率反而会降低键合强度，出现过键合情况；只有当超声功率适中时( 超 声功率比为3 5 - - - - 4 0 ) ，才能获得稳定且满意的键合强度。 文献 2 9 研究了不同超声功率条件下，键合时间对粗铝丝引线键合强度的影 响规律。试验结果表明：( 1 ) 在小超声功率条件下，键合强度对键合时间敏感；在 大超声功率条件下，敏感性下降；( 2 ) 短键合时问条件下主要键合失败形式为剥离 和无粘接，表明键合界面的原子扩散不够；( 3 ) 大超声功率长键合时间条件下的键 合失败形式多为根切，表明键合界面的原子扩散虽然足够，但长时间的超声振动 也会使粗铝丝产生疲劳断裂，形成过键合。 文献 3 0 分析了温度对热超声键合工艺连接强度的影响规律，并研究温度因 素对整个系统的p z t 换能器输入功率及阻抗的影响。试验研究发现，温度过低( 低 于6 0 1 ) 导致键合不成功或连接强度很低，温度过高( 高于3 0 0 ) 导致连接强度 降低，最佳的键合窗口出现在2 0 0 - 2 4 0 c 区间，此时连接强度达2 0 9 左右。对推荐 使用的大于5 4 9 的连接强度标准，文中试验条件下可键合窗口为1 2 0 - - 3 6 0 。而 且，对于恒定额定功率设置的p z t 换能器系统，温度的改变导致p z t 换能器实际加 载的功率及阻抗的改变。 以上这些实验现象和分析结果，为热超声键合参数匹配和系统动态特性研究 提供了参考基础。 2 、热超声键合系统振动特性与能量传递实验。 以激光多普勒测振仪为工具，测试了空载及工作下超声键合系统的振动特 性，得到以下认识： 文献 3 1 对p z t 换能系统在热超声倒装键合工艺过程中的非线性动力学行为 作了实验研究，得到一些认识：如换能系统启动后的初值敏感性和不确定性，键 合工具与换能杆之间的不稳定动力耦合，倒装芯片运动的奇异相轨线等，这是深 入研究键合机理以及提高工艺可靠性的重要关键。 文献 3 2 采用多普勒激光振动测量系统，获得了热超声倒装键合过程中工具 末端及芯片的振动速度曲线。通过比较分析两条曲线，揭示了热超声倒装键合强 度的生成过程：在键合初始阶段，键合界面的相对运动主要发生在芯片金凸点与 基板焊盘表面之间；随着键合的进行，芯片振动速度丌始下降，而工具术端振动速 度继续增大( 即出现速度分离现象) ，工具末端和芯片间产生明显相对运动，表明 键合强度已产生，芯片金凸点一基板焊盘问的结合力超过工具末端一芯片间的摩 擦力；速度分离后芯片与工具术端的振动速度和位移曲线表明了超声振动能量部 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 分耗散在芯片一工具的摩擦上。 文献 3 3 研究了换能系统的振动多模态性及其对键合质量的影响。利用激光 多谱勒测振仪提取变幅杆和工具末端各特征点的速度信号，发现换能系统的运动 为多种模态耦合的结果，并得到各非主模态与主模态的速度比值，其中非主模态 以垂直的弯曲振动为主。认为垂直的弯曲振动对芯片造成“拍击 效应，从而影 响多凸点与基板的键合面积、键合强度以及芯片与基板的平行度。 文献 3 4 在建立热超声引线键合换能系统各子部分运动方程的基础上，利用 有限元方法建立空载情况下换能系统的振动特性仿真模型，并采用正弦扫频方法 验证仿真模型。结果表明：换能系统工作频率附近确实包含多种振动模态，键合过 程极易被激发而表现出多模态性，由此会消耗部分超声能量且对芯片键合界面造 成负面影响，这些振动模态必须得到抑制。 文献 7 给出了超声聚能杆和劈刀振动传递的描述，利用激光多普勒测振仪 p s v 一3 0 0 一f n 量了振动位移和速度，并对双向垂直传输超声能焊具的性能进行了 描述，认为垂直双向加载是一种可能的传能模型。 文献 3 5 根据实际超声换能系统的振动测试，提出了热超声键合换能系统动 力学特性的非线性检验方法，利用基于相空间重构的替代数据法，通过对换能杆 末端的实测数据进行正确替代，并用非线性动力学的理论来检验其是否具有非线 性。通过实验对超声换能杆末端轴向、俯仰、横向的振动时间序列的关联维数进 行了准确的计算，从而清晰地描述了上述三个方向的动力学特性。 文献 3 6 通过实验研究了键合强度与键合力之间的关系：在不同键合力情况 下，通过小波分解的方式对速度信号进行分析，得出在键合力不同的情况下键合 机超声速度信号的时频特性。分析发现，只有在键合力适中的情况下，键合强度才 能达到最大，速度信号中的不稳定成分主要来自于劈刀与基板的接触表面，随着 键合力的升高，速度信号逐渐稳定，阶跃信号即不稳定成分逐渐减小，有效地提高 了信号能量的传递比率。 可见，在实际的超声键合过程中，换能杆和劈刀的振动特性影响着芯片键合 的质量和稳定性，然而，已有的工作尚未对劈刀与变幅杆的匹配关系与振动特性 展开深入研究。 本实验中所用键合工具为楔形劈刀，作为与芯片直接接触的关键部件，劈刀 的超声振动模式直接使键合点获得不同的能量，产生不同的键合效果。劈刀与变 幅杆连接的振动结构比较复杂，其连接结构不是简单的悬臂梁、简支梁结构，并 且劈刀与变幅杆连接的边界条件很难测定。因此，本文对劈刀的稳念振动作了进 一步的分析研究，这将会加深对超声振动系统的认识，为优化设计超声振动系统、 提高超声键合能量传递效率提供若干参考。 5 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 3 研究内容及安排 一本文进行实验的对象是0 - 3 0 0 0 型粗铝丝引线键合机，在劈刀与变幅杆连接 的不同松紧度情况下，利用德国p o l y t e c 公司的p s v 一4 0 0 一m 2 高频型扫描式激光多 普勒测速仪对空载下劈刀的稳态振动进行测试，提取振动的速度信息对其实测振 动进行模拟，并建立其振动的近似模型。 全文共分六章，内容如下： 第一章：介绍了当前主要的两种芯片封装方式一引线键合和倒装芯片健合， 并就当前有关超声键合系统、利用激光来测量振动的研究作了概述，此外还介绍 了课题的来源、研究意义和内容。 第二章：本章介绍了激光多普勒测振基本原理及相关技术以及研究所用的 德国p o l y t e c 公司p s v 一4 0 0 一m 2 高频型( 1 5 m t t z ) 扫描式多普勒测速仪，为后面的实 验测试奠定了方法基础。另外，还简单介绍了其它几种激光非接触测量方法。 第三章：对热超声键合系统的工作原理及实验平台设计作了简单介绍；利用 激光多普勒测振仪( l d v ) 对超声键合装置中，在不同连接松紧度下的整个劈刀 进行连续扫描测试，可得到其稳态振动。由l d v 采集获得的稳态振动数据由 m a t l a b 程序处理，得到不同松紧度对劈刀振动的影响规律。 第四章：基于弹性体振动的基本理论，简述我们使用的关于超声键合装置中 劈刀稳态振动的近似模型。从实验现象和实测稳念振动数据以及模拟振动效果图 发现，劈刀的稳态振动与弹性体振动理论模型存在一定的差别，实测振动中不同 时刻出现了曲线交叉的现象，其具体原因还有待更深入地研究。 第五章：对全文进行总结并对今后工作进行展望。 6 中南大学硕士学t ：7 ：论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 第二章激光多普勒测振技术的基本原理及差动技术 本实验的测试均使用激光多普勒测振系统，利用激光多普勒测振仪可以用来 测量换能系统的振动响应，还可以对超声键合机中键合工具的振动模态进行分 析。因此本章介绍了激光多普勒测振仪的相关知识，测振基本原理及相关技术。 另外，还简单介绍了其它几种激光非接触测量方法。 2 1 激光多普勒测振技术 任何形式的波的传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体 的运动，都会使频率发生变化，后来就把这种频率变化称作多普勒频移口7 1 。当光 射向一个运动着的物体时，从观察者( 或光电接收器) 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己知的，那么只要测得其频率变化，就能推算出 物体的运动速度。 2 1 1 散射面激光多普勒频移的推导 本论文研究振动物体( 键合工具) 散射光的频移，光源和观察者是相对静止 的。可以把这种情况当作一个双重多普勒频移来考虑，先从光源到移动的物体， 然后由物体到观察者。 p s 图2 1 由移动物体p 产生的多普勒频移计算图 在图2 1 中，考虑从光源s 发出的频率为f 的光被物体p 散射，在q 处来观察 散射光。运动方向和p s 及p q 所成的角度用q 及岛来表示。p 所观察到的频率为 严南( + 旬 浯， 该频率的光又被p 重新发射出来，在q 处接收到的频率为： 7 中南大学硕士学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 广= 筋器 由于这种情况中岛角是根据观察者来测定的。因此 一! ! 竺! ! ! ! ! ! 刍 f1 一( v c ) c o s 8 2 一般来说速度v t ：l ：c 要小得多，则可以把v c 展开后取其一次项，得 矽：”一j r 坐( c 。s b + c 。s 岛) 经三角变换可得 v = 等c o s ( 掣2 ) c o s ( 华) c ， z ， 这是多普勒频移方程最常用的形式。 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 2 1 2 光学差拍原理 激光多普勒技术采用了光学多普勒效应和光学差拍技术：所谓光学差拍指， 使两束光相差拍混频，获得光拍频信号的技术。光波的频率很高，约为4 7 4 1 0 hh z ，光频是一种目前电子技术无法探测的极高频率，而光拍频在电子学频率 范围内，可以通过检测和控制拍频来实现对光频的检测和控制n 0 | 。 1 、激光测振的基本原理 考虑偏振方向相同、传播方向平行的两束光垂直入射到光电探测器上。设两 束光的频率分别为五。、z ：，它们到达光探测器表面的电场强度分别为h 1 1 e l = e l oc o s ( 2 7 无i ，+ 仍o ) ，e 2 = e 2 0c o s ( 2 n f ，2 ，+ 仍o ) ( 2 6 ) 式中：巨。、e ：。分别为两束光在光阴极表面处的振幅：仍。、仍。代表两束 光的初始位相。假定光电探测器的光敏面积为a ，在光电探测器整个面上量子效 率是均匀的，设为r ，则光电探测器输出的光电流砸) 为： 以卜( e t + e z ) 2 = 譬+ 譬+ e i o e 2 0 c o s 2 万伉。吒，+ 渤。嗍) 】 + e l o e 2 0 c o s 2 n ( 2 f , l + ：2 ) f + 渤o + 伊2 0 ) 】( 2 - 7 ) +刍q ! 竺堑! ! 兰亟q j + 垦q ! 竺! 堕堑2 1 兰丝q j 22 上述表达式中第四、五和六是光学频率项，可忽略n ，因此光电探测器输出 8 中南大学硕士学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 的电流f ( f ) 为： i ( t ) = ，l + ，24 - 2 4 1 l _ ，2e o s 2 1 r ( f ，l 一六2 ) f + 矿o 】 ( 2 8 ) 式中、，：分别是信号光和参考光产生的直流分量，= 仍。一妒加是两光束的位 相差，如果信号光束来自作超声振动表面的反射光，设8 ( t ) 为表面的超声位移， 从而使两光束的相位移差发生竿万p ) 的变化，这时光电流的表达式为 以 以) ：五+ 厶+ 2 丽c 。s 2 x ( l 。一l 2 ) r + 竿万( f ) + 】 ( 2 9 ) 这是一个相位调制信号，经解调后即可得到所需探测的超声位移8 ( t ) 。 2 、锁相环解调原理 锁相环( p l l ) 是一个能自动跟踪信号相位的闭环自动控制系统，锁相环和 积分器组成了调相信号的解调器，图2 - 2 是解调器的模型原理图。 图2 2 调相信号的解调原理方框图 光电流经高频放大后送到锁相环，经过环路的自动反馈控制后，压控振荡器 输出信号的频率等于输入的光电流信号的频率，两者的相位差达到一相当小的稳 定值，成为稳态差鼠，环路即达到“锁定”，保持相位同步。 当锁相环输入信号的频率低于环路的自然频率( 截止频率) ，那么环路就可 以良好地传递相位调制，压控振荡器的输出电压( ，) 跟踪了输入电压的相位调 制，这种跟踪称为调制跟踪。在调制跟踪状态，误差相位比较小，这时锁相环和 积分器就可以作为调频和调相信号的解调器。 设输入调相信号为：( f ) ：v 0c o s c o o t + 竿万( f ) 4 - 伊。】 ( 2 1 0 ) 式中是初位相，6 ( t ) 是调制信号，假定环路已处于调制跟踪状态，输入相位为： b ( ，) ：竿删+ ( 2 1 1 ) 对于良好设计的调制跟踪锁相环的闭环传递函数l h ( 皿) i = l ，相移 a r g h ( j f 2 ) = 0 ，因而压控振荡器的输出相位幺( f ) 为： 9 中南大学硕士学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 岛( ，) b ( ，) ：- 等- 8 ( ，) + ( 2 1 2 ) 根据压控振荡器的控制特性：= i 1 丁d 1 9 2 ( t ) ( 2 一1 3 ) 积分器的输出电压为：c ，( ，) 2 志肛( f ) 西 ( 2 1 4 ) 将( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 两式代入( 2 1 4 ) 式中，即可得到调相信号的解调输出u ( t 1 ： = i 1 丽1 百4 7 r ( 2 - 1 5 ) 由此看出，解调输出信号与超声位移万( ，) 成正比，解调输出与常数无关。 所以，外差干涉仪的两光程差可以取任意值，它不影响检测的灵敏度，这是外差 干涉检测的重要优点之一。 利用上述原理，可以把频移的散射光与激光原先射出没有产生频移的激光 束同时送到一个具有平方检波特性的光电接收器件上去，就能使光电接收器的输 出电流随两束光的频率差发生变化，这就是光外差，或称为光混频。剂用光电接 收器来收集散射光，就能把光学多普勒频移变为电流的变化，然后采用各种方式 对这一信号进行处理，就能取得速度信息。 光学中，用激光作为本振信号，把经过频移的信号作为外来信号，称此技 术为激光外差技术，本实验仪器中产生的激光多普勒频移正= 4 0 m h z 。 2 1 3 激光多普勒差动技术 自从激光出现以后，由于它具有用一般方法无法达到的精确度和灵敏度，可 以远距离、非接触测量等优点，所以越来越受到人们的重视。其中在激光测振方 面的应用主要有h 2 。4 副：参考光测量技术、激光多普勒差动测量技术。 1 、参考光测量技术 激光多普勒参考光测量技术的基本工作原理为：利用相干的激光束照射振动 物体表面，由于光波多普勒效应，被物体表面反射或散射回来的光会发生频移。 在光波长一定时，这种频移唯一的决定于振动面相对于观察者的运动速度。利用 光学与电子学的方法测出反射光( 或散射光) 的频移，便可测得振动表面的振幅、 振频、速度和加速度等各个振动参数。参考光测量技术缺点是：无法辨认振动的 方向，当物体作随机振动的时候，参考光测量技术是无法测量的。 2 、激光多普勒差动测量技术 为了对随机振动进行测量，1 9 7 6 年起美国n a s a ( 美国宇航局) 发展了外差多 l o 中南大学硕+ 学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 普勒测量技术1 。其基本原理是设法使参考光的频率作一频移。外差法的优点在 于：它可以辨别出振动的方向，对随机振动也可以进行测量，且便于进行现场测 量。同时，采用外差法即使在反射光强度很小的情况下，它还能很好地工作。 现在对激光频率进行调制以产生两个频率稳定、带宽满足要求的相干双频， 实现光频调制的方法很多h 7 1 ，主要有：声光调制、磁光调制、电光调制等方法。 其中，以声光调制法在国内外实现外差多普勒测量时较为常用。 1 ) 声光调制法 声光调制应用了光波介质中的超声波衍射或散射的声光效应，声波是一种弹 性波，它会使介质发生弹性应变。于是，介质的折射系数相应发生改变，这样就 影响了光在介质中的传播，达到对激光进行调制的目的。 采用声光器件可以使入射激光束产生正的或负的频率偏移，由声光调制获得 激光束的固定光频移4 0 m l t z ( f ) ，由光电倍增管测得的信号为固定光频移与多 普勒频率厶之差，即z 喝，它将与电子本机振荡频率 。进行电子混频，产生 一个混频信号，其频率为正一厶+ 厶。只要选择合适的 。，便能使( z 一厶+ 无。) 处于频率跟踪器合适的频段以便进行信号处理。 2 ) 激光多普勒差动测振基本y 13 2 7 0 53 图2 3 表示的是差动激光多普勒测振仪的光学结构。从h e - n e 激光器发出的 偏振激光束在分光镜1 上被分为测量光束与基准光束，偏振分光镜2 让平行于像 平面的偏振光通过，后面的一个2 4 延迟波片把线性偏振变为圆偏振。光线在被 测物上反射，反射改变了圆偏振光的旋转方向。然后，当该光线再通过2 4 延迟 波片之后，就产生同发射激光偏振相垂直的线性偏振。所以，反射光在分光镜2 上偏转，然后在分光镜4 上同基准光重叠干涉。同时，两个光学探测器1 、 2 将此差频信息转化为电信号。光电探测器输出信号频率将以频差4 0 m h z 为中心与 物体的运动速度成正比上下波动。 。k 一| j u 也堕2 n 二j i 纾充麓4 l r j广 探蔫嚣i l 图2 3 差动激光多普勒测振仪的光学结构 中南大学硕士学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 2 2 激光多普勒信号处理方法 激光多普勒测振仪的关键部分在于它的信号处理，信号处理在整个测速系统 中是十分重要的，信号处理的好坏直接影响到测量精度。由于应用领域的不同， 激光多普勒信号的处理方法比较多h ，主要有：频谱分析法、频率跟踪法、计 数型、快速傅里叶变换法。 ( 1 ) 频谱分析法 图2 4 频谱分析法工作原理图 从光电检测器送来的信号经滤波放大后与电压控制振荡器( v c o ) 的频率输 出厶混频，然后将两者之间的频差，送到一个中心频率为正，带宽为蜕的窄 带滤波器去。得到的中频滤波信号，其频率处在中频通带范围，幅值则与输入信 号的幅值有关。检波、平方和平滑器的功能是将中频滤掉，得到与输入信号幅值 成比例的模拟信号。扫描发生器实际上是一个锯齿波振荡器。锯齿波电压一方面 供给v c 0 得到与电压成比例的锯齿形频率变化，另一方面同滤波后的信号一起供 给叫记录仪的两个输入端，于是在记录仪就可以得到被测信号的频谱。 ( 2 ) 频率跟踪法 频率跟踪法就是通过频率反馈回路自动跟踪一个具有频率解调的信号，并把 调制信号用模拟电压解调出来。与频谱分析法相比，频率跟踪法的最大特点是压 控振荡器的输入电压受输入信号频率的反馈控制，因此能使v c 0 频率随输入信号 频率的变化而变化。由于v c 0 的线性特性，它的控制电压就是对应信号频率的模 拟解调信号，此信号j 下比于物体的振动速度。 图2 5 频率跟踪法原理图 从光电检测器来的多普勒频率信号经滤波放大后与电压控制振荡器( v c 0 ) 1 2 中南大学硕士学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 的频率输出允混频，得到两者的差频，再经中频滤波器滤波，得到提高信噪比 后的中频信号厶。频率鉴别器也称鉴频器，它的功能是实现频率一电压转换，得 到与中频频率呈线性关系的电压信号u 。此电压再经积分放大器平滑放大后，去 控制v c 0 的振荡频率。 为了实现负反馈跟踪，必须保证鉴频器的变换极性。在图2 - 5 的情况中可以 看到，当输入信号频率厶增大时，如果厶不变，则丘必然要减小，这就导致u 增大，从而e 也增大。最后一定要使蠡也增大，促使厶回复到接近原来的状 态。这个过程实际上是很快完成的，就是频率负反馈跟踪过程。 ( 3 ) 计数型 计数型信号处理器基本上是一种记时装置，它的主要工作过程是对带通滤波 后的多普勒信号，测量规定数目的多普勒信号周期所对应的时间，这个时间就是 粒子穿越测量区域中同样数目的条纹所需的时间，利用快速数字电子装置就可以 得到多普勒信号频率和对应的粒子瞬时速度。 ：固定周期数计数法：图2 6 是用触发器装置从一个多普勒波群得到的触发脉 冲信号，其中f 。是一个周期的时间，a r 是n 个周期的时间，故多普勒频率为： 厶：一1 ：旦 ( 2 1 6 ) 酞、& n 式中：a r 。= h n 。如果粒子通过测量体的条纹数为曲，则信号持续时间为 a r = n 砌f o 。只要取n 。，f o 就同无关。戤为单个粒子波群所能得 到的最大周期数，它同触发器的阀限电平有关。从原则上讲，通过单个周期的计 算可以精确测定信号频率：由于信号总伴随着噪声，妨碍获得精确的测量。 一目目口雌l 一7 。二叫 v 一 f i如 图2 - 6 触发器输出信号图2 - 7 噪卢造成的记时误差 图2 7 表示带有噪声的信号。设a r 。是理想的信号周期，s 一是由于噪声造 成的过零时间误差，则实际测得的瞬时信号频率为： 中南大学硕士学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 芦f d + s f 。= 去= 击( 告+ ) ( 2 - 1 7 ) 式中：既为频率误差。相对误差为： 之间的时间来计算频率，则有 监：昱。如果用n 个周期的两个过零 f oa f l 夕= 厶+ 既= 老= 击( 南+ ”) 沿 ( 4 ) 快速傅里叶变换法 快速傅里叶变换法是采用离散傅里叶变换( d f t ) 处理多普勒信号，可以有 效地从低信噪比的信号中提取频率信号。图2 8 表示一台d f t 信号处理器的工作 原理图。由光学系统得到的输入信号先经过高通滤波去除基座，然后进行对数放 大、下混频和滤波，得到对应于图中实部( i ) 和虚部( q ) 的正交输出，再进一 步作a d 变换和d f t 信号处理。图2 9 是信号处理过程图。 图2 - 8d f t 信号处理器的工作原理 几几几r u l jul 八几几几几一 目 - r 1 j 1 j 厂l _ r 飞j 厂1 - j - l 厂l j - - l j 几正蜜采样瞎_ ， n 一，- j ，葛d 【c * 二簪) 一m n ( 2 铲) 】 、；，匕= i e = 7 ，= 、= 7 z = k 警 3 i = ，匕= x e = 7 2 = s = 7 z t i n 争 z ；，、了z 3 7 、7 2 3 ，。f 协步各嘧瞄；仑6 b 日9 a 9 瞳9 乇宁哦p 乇呵沪毋毋a a 氏蝴扣毋 ，乇氏氏a 勺吒氏岛毛智 、，、，、勺叼v v 、 a a 氏氏吣a a a a 舟 功阜i l 事 图2 - 9d f t 信号处理过程 对高速a d 变换后的多普勒波群采样，现有的采样频率可达4 0 0 m h z 以上。 采用正交下混频就是将信号分别乘以两个相位差9 0 0 的正弦和余弦本振信号。这 1 4 中南大学硕十学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 样做的优点是使采样频率带宽可达采样实数值的两倍，另一优点是可使信号中心 频率经下混频后达到零。因为正弦函数是奇函数，负频率可以同频率区分开来。 a d 变换器产生的方波信号，其频率与原始信号相同，然后用d f t 确定频率和相 位。d f t 的算式为： 刷= - - n 1 芝k = o 工 卜警咄i n 可2 n n k ( 2 - 1 9 ) 式中：x ( 七) 为采样信号，包含有实部和虚部的复数值；n 为离散频率值，是 0 到n - 1 的整数：n 为采样点数。 表2 - 1 信号处理方法优缺点的比较 信号处理方法优点缺点 频谱分析法可以在很高的频率范围内工作跟随速度脉动的能力差； ( 最高可达i o o g h z ) ；不能得到瞬时速度的实 时记录；处理数据慢而且 费时，精度也较差； 频率跟踪法可以得到正比于速度的 不能工作于非常 实时信息；间断的信号； 计数法能快速地得到瞬时速度信息；计数结果易受噪声、信号 可达到较高的时间分辨率； 脱落等因素的影响； 快速傅里叶变换法可有效地从低信噪比的信号中计算精度不高 提取频率； 2 3 其它激光非接触测振方法简介 除激光多普勒测量方法外，还有几种较为常见的激光非接触测量方法，如电 子散斑法、全息干涉法、莫尔条纹法等。 电子散斑法侧是应用光电摄像管或c c d 面阵来接收变形前后的散斑图，而略 去了散斑底片的显影、定影等繁杂的湿处理过程。电子散斑法测振时，激光经分 束镜分为物光和参考光，物光经扩束后照明被测物体，再经物体反射进入c c d 摄像机，形成物光场。参考光由相移器和相位调制器反射，再经扩束镜扩束后进 入c c d ，形成参考光场。两光场相干涉并成像在c c d 靶面上，图像由计算机摄取 并处理。由于光导摄像机的帧频约为1 2 5 秒，曝光时间很短，像的强度很弱， 所以对激光输出、功率的要求要高，常规的低功率的h e - n e 激光是不能满足要求 的，故此方法不适用于测量劈刀的微小振动。 全息干涉法晦们是将同一光束在不同时刻的波前记录于同一张全息图上，当用 中南大学硕士学位论文第三章劈刀稳态振动的扫描测试实验 原参考光再现时就会形成物体的两个以上三维像。如果再现像满足相干条件，这 些再现光波叠加后便会发生干涉，产生稳定的干涉条纹。其不足之处是：测量范 围小；容易受外界振动干扰；信息处理繁杂。本实验中外界扰动明显，同时为了 信号处理的简单化，不采用它进行振动的测量。 莫尔条纹晦朝是由一个周期性的振幅图形和另一个周期性的振幅图形叠加