眾所周知，在機(jī)械工程與土木工程領(lǐng)域里，振動(dòng)特性的測量一直存在著各種問題和挑戰(zhàn)。雖然某些振動(dòng)源自器件或部件本身，但由于外力或設(shè)計(jì)的容差造成的非正常振動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致器件或部件的功能性損壞。因此，振動(dòng)特性的測量和分析是鑒別和確認(rèn)機(jī)器、部件的質(zhì)量特性及工作狀態(tài)的重要測量手段。
對于比較大型的被測物體通?？梢园惭b加速度傳感器，利用加速度傳感器的電荷輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)加速度－速度－位移的相關(guān)測量。然而當(dāng)測量物體質(zhì)量比較小，測量環(huán)境比較嚴(yán)峻的情況下，新型的非接觸式，高精度、實(shí)時(shí)性的測振技術(shù)則扮演了重要角色。其中，基于激光干涉原理的激光多普勒測振技術(shù)是目前能夠獲取最佳位移和速度分辨率的最重要的振動(dòng)測量方法，已被廣泛用于基礎(chǔ)科學(xué)和工程測量領(lǐng)域。
以德國Polytec的激光多普勒振動(dòng)儀為代表，高端的激光多普勒測振儀具有以下兩項(xiàng)主要技術(shù)優(yōu)勢：首先，由于這類系統(tǒng)采用激光作為探測手段，完全無附加質(zhì)量影響，具有非侵入性，從而能夠在極小和極輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行測量；其次這類系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)／亞微米的振幅分辨率，線性度高，在極高頻率范圍內(nèi)（當(dāng)前已超過1GHz）和相當(dāng)大的測量距離范圍內(nèi)仍能確保振幅測量的一致性。
在工業(yè)研究和開發(fā)中， 激光多普勒測振儀不但在機(jī)械工程、聲學(xué)及其它工程學(xué)科和科學(xué)領(lǐng)域中用于研究不同物體的動(dòng)態(tài)和聲學(xué)特性， 研究對象包括從汽車車身、飛機(jī)部件、各類發(fā)動(dòng)機(jī)和建筑物等大型物件到MEMS器件和數(shù)據(jù)硬盤組件等微小物件，甚至可以對發(fā)熱物體、旋轉(zhuǎn)表面、超聲波工具和復(fù)雜敏感的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。以聲學(xué)行業(yè)測量為例，為了保證所生成的樂器能產(chǎn)生美妙動(dòng)人的聲音，激光多普勒振動(dòng)儀可以盡早地通過振動(dòng)測量來評判樂器的的聲樂品質(zhì)；激光振動(dòng)儀還可以對大功率的揚(yáng)聲器中可能產(chǎn)生的有害的振膜共振進(jìn)行識(shí)別；甚至用于更為復(fù)雜的聲學(xué)研究，例如結(jié)構(gòu)聲學(xué)響應(yīng)（聲場）預(yù)測，聲學(xué)成像和反聲音研究等等。
當(dāng)激光多普勒振動(dòng)儀在科研及生產(chǎn)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用時(shí)，其成本和價(jià)格則逐漸成為拓廣其應(yīng)用的瓶頸。為了順應(yīng)市場對激光多普勒振動(dòng)儀的需求，摯感（蘇州）光子科技有限公司（下文簡稱摯感光子）推出了基于集成光學(xué)芯片技術(shù)的數(shù)字化的小型激光振動(dòng)傳感器系列 （參見“激光位移傳感技術(shù)解析：工業(yè)激光傳感新方案”），實(shí)現(xiàn)了從昂貴儀器到通用化傳感器的跨越。這類小型激光振動(dòng)傳感器采用類似的激光干涉測振設(shè)計(jì)（見圖1第一部分），本質(zhì)上是要求兩個(gè)源于同一光源的相干光束進(jìn)行疊加干涉：其中一路光可以視為本地參考光，另一路則為實(shí)際測量目標(biāo)后的回光。光學(xué)干涉方法不但可以放大回光的光學(xué)信號(hào)強(qiáng)度，而且可以通過正交干涉的光路設(shè)計(jì)直接獲得回光信號(hào)的光學(xué)相位，從而實(shí)現(xiàn)相位－速度－加速度的相關(guān)測量。
圖1：集成光學(xué)實(shí)現(xiàn)激光多普勒振動(dòng)傳感器
在具體的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上，摯感光子將激光干涉儀的關(guān)鍵光學(xué)部件完全集成到光學(xué)芯片里（見圖1第二部分），并進(jìn)一步通過混合集成的方式，將光學(xué)芯片、激光器、探測器器以及探測用的光學(xué)鏡頭通過一體化的封裝集成到一個(gè)略等于半個(gè)火柴盒大小的模組里。這一設(shè)計(jì)不但可以近百倍的減小其體積，同時(shí)大大方便了激光振動(dòng)傳感器的大規(guī)模量產(chǎn)，從而可以成10倍的減少其成本，為激光振動(dòng)傳感器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。除帶光學(xué)鏡頭的模組設(shè)計(jì)外，還實(shí)現(xiàn)了帶光纖尾纖的設(shè)計(jì)，使得其在應(yīng)用場景上更加靈活 （見圖1第三部分）。圖2則在外觀上對比了Polytec最小體積工業(yè)產(chǎn)線用激光多普勒振動(dòng)儀于與摯感光子的激光振動(dòng)傳感器。
圖2：尺寸對比：Polyte IVS－500系列激光多普勒振動(dòng)儀；
摯感光子MV－G系列激光振動(dòng)傳感器模塊
為順應(yīng)規(guī)模性的各類潛在應(yīng)用，摯感光子已研發(fā)出不同類型的相關(guān)產(chǎn)品：
1）傳感模組，
摯感光子的振動(dòng)傳感器模組作為一個(gè)完整的參考設(shè)計(jì)，即包含了可定制鏡頭（或光纖）的一體化光學(xué)模組，也包含了配套的驅(qū)動(dòng)電路及內(nèi)置的相應(yīng)算法。圖3所示的摯感光子Optical Audio Sensing Assembly （OASA）系列遠(yuǎn)距離振動(dòng)信號(hào)傳感器模組，該模組配備了適用于遠(yuǎn)距離測量的較大口徑光學(xué)接口及高速采集電路和算法，可作為遠(yuǎn)距離工作的拾音器來采集30米甚至更遠(yuǎn)距離處背景物上所反應(yīng)出的音頻振動(dòng)信號(hào)。其典型的應(yīng)用是可以集成到目前已普遍部署的城市監(jiān)控?cái)z像頭里，使得各類攝像頭擁有了可以遠(yuǎn)程拾音的功能。
圖3摯感光子的激光振動(dòng)傳感器模組及典型應(yīng)用舉例
2）傳感器模塊
一體化的激光振動(dòng)傳感器模組可以在低成本的基礎(chǔ)上，以標(biāo)準(zhǔn)傳感器模塊的形式應(yīng)用到大規(guī)模工業(yè)產(chǎn)線上。圖4顯示了一個(gè)典型的傳感器設(shè)計(jì)，小型化的模塊上配置有固定的或手動(dòng)可調(diào)的鏡頭，所有測量的原始數(shù)據(jù)直接在模塊內(nèi)處理并通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口將測量結(jié)果傳到主工控機(jī)上，多個(gè)傳感器也可以直接通過以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)。這些模塊化的振動(dòng)傳感器可以安裝在手機(jī)產(chǎn)線上，對手機(jī)的振動(dòng)性能（如振鈴振動(dòng)馬達(dá)的品質(zhì)、或手機(jī)屏幕發(fā)聲功能的品質(zhì)）進(jìn)行在線檢測。
圖4：激光振動(dòng)傳感器模塊及手機(jī)產(chǎn)線上應(yīng)用
3）可快速定制的測量設(shè)備
無論是激光振動(dòng)傳感器模組還是組裝好的傳感器模塊，由于其基本測振性能已達(dá)到普通設(shè)備級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，因此也可以通過定制化的設(shè)計(jì)為客戶提供低成本、高性能的特殊振動(dòng)測量設(shè)備。圖5顯示了兩種典型的定制化方案：1）采用標(biāo)準(zhǔn)的激光振動(dòng)傳感器，與高速振鏡模塊配合在一起，實(shí)現(xiàn)具有掃描功能的多功能激光振動(dòng)儀；2）采用光纖式模組組合而成的，可多達(dá)32通道的多路振動(dòng)測量系統(tǒng)，每路測量通道都有自己獨(dú)立的光纖連接式振動(dòng)測量頭，體積小，方便靈活配置安裝位置，尤其適合復(fù)雜的多通道、多角度、多測量點(diǎn)的應(yīng)用。
圖5：定制化設(shè)備案例：1）與振鏡結(jié)合；2）光纖多通道振動(dòng)檢測
此外，摯感光子的激光振動(dòng)傳感器還集成了絕對測距的功能，可以在進(jìn)行高精度測振的情況下，重復(fù)不間斷的提供距離信息。
總體說來，摯感光子研發(fā)的激光振動(dòng)傳感器通過領(lǐng)先的集成光學(xué)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)高端設(shè)備到規(guī)模應(yīng)用的跨越。考慮到消費(fèi)電子產(chǎn)品，尤其是手機(jī)／平板電腦類產(chǎn)品的巨大需求和產(chǎn)量，當(dāng)前的應(yīng)用將主要面向消費(fèi)電子自動(dòng)化產(chǎn)線的大規(guī)模應(yīng)用上，包括目前的半自動(dòng)化產(chǎn)線和正在升級(jí)改造的全自動(dòng)產(chǎn)線，著重在生產(chǎn)流程控制和品質(zhì)檢測為主的各類傳感器等具體應(yīng)用場景。于此同時(shí)，在土木工程及其他相關(guān)領(lǐng)域，小型化低成本化的激光振動(dòng)傳感器也將逐漸擺脫儀器抽查的應(yīng)用模式而成為永久性的預(yù)設(shè)部件。
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