三维全场扫描式激光测振仪及其应用

三维全场扫描式激光测振仪系统采用三台高精度激光干涉仪（如图1所示），计算机控制这三路激光在扫描过程中始终照射在目标的同一位置，扫描完毕后，由软件自动完成多区域扫描三维数据的拼接，迅速输出三维振型。用户无需建模，直接在实物视频图像上快速完成测量网格布置，操作简单直观。此外，该系统还可通过激光扫描建立目标三维轮廓数据，是一款用于复杂结构的三维振动模态测量的不可替代的工具。该系统可在距目标0.125米~50米距离上测试，一次扫描完成从几个厘米小器件到数十米大结构的模态测量，测量点数可多达数十万点。

系统软件包提供给用户大量的振动信息：各部位的振动状态，振幅大小及频率响应，各阶频率振型，传递函数等。可显示任意频率下的频谱图，且能分析出共振点的位置，并将测量结果以图表、图形和动画的形式显示出来。这些图片和动画均可应用于演讲和报告，给人留下深刻印象。     

图1三维全场扫描式激光测振仪系统测试平台

（一）基本原理

三维全场扫描式激光测振仪是基于激光多普勒参考光测量技术，基本原理为利用相干的激光来照射振动物体表面,从物体表面散射回来的反射光会发生频移。利用光学与电子学的方法测出散射光的频移,便可得到物体振动表面的振幅、振频、速度和加速度等各个振动参数。

目前的激光测振仪可以采用直接或间接的办法得到物理测试表面的振动速度信号，通过积分或微分可以得到相应的位移或加速度振动信号。三维全场扫描式激光测振仪通过三个激光传感器可对器件结构的三个方向的振动进行测试，设备和原理图如图2所示。三维全场扫描式激光测振仪可针对不同尺寸量级的物体进行专门的软硬件开发，如本实验室除了具备常规尺寸量级物体结构的测振能力，还专门针对电子器件这种小型尺寸结构进行了配置。

（a）三维全场扫描式激光测振仪  （b）激光测振原理示意图

图2三维全场扫描式激光测振系统及测试原理

（二）技术参数及应用领域

1.技术参数

2.应用领域

（1）复杂结构的3D试验模态分析：机械设备、精密器件、大型结构等的整体及其零部件的振动状态测试

· 动态测试及振动分析，如：硬盘驱动的读写头

· 健康监测：印刷电路板、汽车及飞机内部电子设备的缺陷分析

· 洗衣机、真空吸尘器、电动牙刷或电气工具的性能优化和质量控制

特别优势：极小体积物体的振动测量，部件间的相对运动，宽测量频带

（2）汽车行业

· 刹车盘、轮胎、车门等噪音控制

· 汽车车身及零部件的试验模态分析

特别优势：全自动化控制、高效率、多路输入输出、不受被测表面影响、CAE接口、模态分析

（3）航空航天业

· 航空材料的疲劳及缺陷检测

· 航天航空零部件的结构动力学测试

特别优势：对轻型、温敏结构无任何附加质量影响，可在真空环境下测试

（4）超声应用

·超声传感器、超声制动器、超声工具、超声马达的振动特性测试及优化

· 产品设计、医疗科技和车辆构造

特别优势：宽频带、测量点高精度定位、小样品测试

（三）应用示例：气密陶瓷封装盖板振动特性测量

气密性陶瓷封装是集成电路封装行业中常用的一种封装形式，它具有绝缘性好、气密性强、机械强度高和散热性能良好等优点，被广泛地应用于电子工业及航空航天等领域。气密性陶瓷封装在服役过程中的振动特性测试数据对于产品研发至关重要。

然而不可忽视的是，传统的接触式应变片或加速度传感器振动测量方法在某些情况下难以适用，比如，应变片的尺寸、质量相对于微小结构不可忽略，其产生的附加质量和刚度会对测量结果造成较大的影响；应变片不耐高低温，导致无法测量。因此，对于微小结构，需要一种非接触的测量方法来规避这些影响。

电子五所对微小轻薄电子器件的振动可靠性及其关键参数测量有深入的研究，实验室基于“三维全场扫描式激光测振仪”搭建了器件级微小结构模态试验平台，可对气密陶瓷封装一类轻薄板件的振动参数、模态参数和表面形貌测量，提供精确的三维动态和静态响应数据。

我们利用器件级微小结构模态试验平台对CCGA封装的振动特性进行了测量，包括振幅、振型、频率等振动参数。被测的器件封装结构如图3所示，试验的振动激励源为15mm×15mm的压电陶瓷晶体，如图4所示，试验时将晶体粘贴在器件转接PCB上。

图3 CCGA封装器件

图4 激励源布置

主动激励的信号由系统内置信号发生器产生并传输至压电陶瓷片，同时该信号可用作相位参考。应用三维全场扫描式激光测振仪，采用主动激励方式进行测试，所有测点平均频谱图如图5所示。

选取主动激励频谱图中一个最为明显的共振峰。由于有相位参考，所有测点的相对相位已知，从而得出振型动画。观察振型动画可选出振幅最大的点，并显示其频谱。图6显示的是自激励可动微结构在1534.4Hz和1960.9Hz时振型。

图5 所有测点的平均频谱图

(a)1534.4Hz                         (b)1960.9Hz

图6 气密陶瓷封装盖板在1534.4Hz和1960.9Hz时的振型

（四）总结

本实验室基于“三维全场扫描式激光测振仪”搭建的器件级微小结构模态试验平台，采用了三台独立的高精度激光干涉仪，计算机控制这三路激光在扫描过程中始终照射在目标的同一位置，扫描完毕后，由软件自动完成多区域扫描三维数据的拼接，迅速输出三维振型。测量速度快，实时显示测量数据，位移分辨率达亚pm级。用户无需建模，直接在实物视频图像上快速完成测量网格布置，操作简单直观。此外，该系统还可通过激光扫描建立目标三维轮廓数据，是一款用于复杂结构的三维振动模态测量的首选工具。