三維全場掃描式激光測振儀及其應用

三維全場掃描式激光測振儀系統采用三臺高精度激光干涉儀（如圖1所示），計算機控制這三路激光在掃描過程中始終照射在目標的同一位置，掃描完畢后，由軟件自動完成多區域掃描三維數據的拼接，迅速輸出三維振型。用戶無需建模，直接在實物視頻圖像上快速完成測量網格布置，操作簡單直觀。此外，該系統還可通過激光掃描建立目標三維輪廓數據，是一款用于復雜結構的三維振動模態測量的不可替代的工具。該系統可在距目標0.125米~50米距離上測試，一次掃描完成從幾個厘米小器件到數十米大結構的模態測量，測量點數可多達數十萬點。

系統軟件包提供給用戶大量的振動信息：各部位的振動狀態，振幅大小及頻率響應，各階頻率振型，傳遞函數等。可顯示任意頻率下的頻譜圖，且能分析出共振點的位置，并將測量結果以圖表、圖形和動畫的形式顯示出來。這些圖片和動畫均可應用于演講和報告，給人留下深刻印象。     

圖1三維全場掃描式激光測振儀系統測試平臺

（一）基本原理

三維全場掃描式激光測振儀是基于激光多普勒參考光測量技術，基本原理為利用相干的激光來照射振動物體表面,從物體表面散射回來的反射光會發生頻移。利用光學與電子學的方法測出散射光的頻移,便可得到物體振動表面的振幅、振頻、速度和加速度等各個振動參數。

目前的激光測振儀可以采用直接或間接的辦法得到物理測試表面的振動速度信號，通過積分或微分可以得到相應的位移或加速度振動信號。三維全場掃描式激光測振儀通過三個激光傳感器可對器件結構的三個方向的振動進行測試，設備和原理圖如圖2所示。三維全場掃描式激光測振儀可針對不同尺寸量級的物體進行專門的軟硬件開發，如本實驗室除了具備常規尺寸量級物體結構的測振能力，還專門針對電子器件這種小型尺寸結構進行了配置。

（a）三維全場掃描式激光測振儀  （b）激光測振原理示意圖

圖2三維全場掃描式激光測振系統及測試原理

（二）技術參數及應用領域

1.技術參數

2.應用領域

（1）復雜結構的3D試驗模態分析：機械設備、精密器件、大型結構等的整體及其零部件的振動狀態測試

· 動態測試及振動分析，如：硬盤驅動的讀寫頭

· 健康監測：印刷電路板、汽車及飛機內部電子設備的缺陷分析

· 洗衣機、真空吸塵器、電動牙刷或電氣工具的性能優化和質量控制

特別優勢：極小體積物體的振動測量，部件間的相對運動，寬測量頻帶

（2）汽車行業

· 剎車盤、輪胎、車門等噪音控制

· 汽車車身及零部件的試驗模態分析

特別優勢：全自動化控制、高效率、多路輸入輸出、不受被測表面影響、CAE接口、模態分析

（3）航空航天業

· 航空材料的疲勞及缺陷檢測

· 航天航空零部件的結構動力學測試

特別優勢：對輕型、溫敏結構無任何附加質量影響，可在真空環境下測試

（4）超聲應用

·超聲傳感器、超聲制動器、超聲工具、超聲馬達的振動特性測試及優化

· 產品設計、醫療科技和車輛構造

特別優勢：寬頻帶、測量點高精度定位、小樣品測試

（三）應用示例：氣密陶瓷封裝蓋板振動特性測量

氣密性陶瓷封裝是集成電路封裝行業中常用的一種封裝形式，它具有絕緣性好、氣密性強、機械強度高和散熱性能良好等優點，被廣泛地應用于電子工業及航空航天等領域。氣密性陶瓷封裝在服役過程中的振動特性測試數據對于產品研發至關重要。

然而不可忽視的是，傳統的接觸式應變片或加速度傳感器振動測量方法在某些情況下難以適用，比如，應變片的尺寸、質量相對于微小結構不可忽略，其產生的附加質量和剛度會對測量結果造成較大的影響；應變片不耐高低溫，導致無法測量。因此，對于微小結構，需要一種非接觸的測量方法來規避這些影響。

電子五所對微小輕薄電子器件的振動可靠性及其關鍵參數測量有深入的研究，實驗室基于“三維全場掃描式激光測振儀”搭建了器件級微小結構模態試驗平臺，可對氣密陶瓷封裝一類輕薄板件的振動參數、模態參數和表面形貌測量，提供精確的三維動態和靜態響應數據。

我們利用器件級微小結構模態試驗平臺對CCGA封裝的振動特性進行了測量，包括振幅、振型、頻率等振動參數。被測的器件封裝結構如圖3所示，試驗的振動激勵源為15mm×15mm的壓電陶瓷晶體，如圖4所示，試驗時將晶體粘貼在器件轉接PCB上。

圖3 CCGA封裝器件

圖4 激勵源布置

主動激勵的信號由系統內置信號發生器產生并傳輸至壓電陶瓷片，同時該信號可用作相位參考。應用三維全場掃描式激光測振儀，采用主動激勵方式進行測試，所有測點平均頻譜圖如圖5所示。

選取主動激勵頻譜圖中一個最為明顯的共振峰。由于有相位參考，所有測點的相對相位已知，從而得出振型動畫。觀察振型動畫可選出振幅最大的點，并顯示其頻譜。圖6顯示的是自激勵可動微結構在1534.4Hz和1960.9Hz時振型。

圖5 所有測點的平均頻譜圖

(a)1534.4Hz                         (b)1960.9Hz

圖6 氣密陶瓷封裝蓋板在1534.4Hz和1960.9Hz時的振型

（四）總結

本實驗室基于“三維全場掃描式激光測振儀”搭建的器件級微小結構模態試驗平臺，采用了三臺獨立的高精度激光干涉儀，計算機控制這三路激光在掃描過程中始終照射在目標的同一位置，掃描完畢后，由軟件自動完成多區域掃描三維數據的拼接，迅速輸出三維振型。測量速度快，實時顯示測量數據，位移分辨率達亞pm級。用戶無需建模，直接在實物視頻圖像上快速完成測量網格布置，操作簡單直觀。此外，該系統還可通過激光掃描建立目標三維輪廓數據，是一款用于復雜結構的三維振動模態測量的首選工具。