非接触式微转子振动位移的激光测量方法

摘要

一种非接触式微转子振动位移的激光测量方法，属于微机电技术领域。本发明利用发射器发射激光光带扫描运动状态中的微转子，微转子在高速运转下的运动轨迹的投影记录用CCD位移传感器及图像采集卡采集微转子运动图像再运用图像处理技术来得到振动信号，其中：采用硬件系统负责微转子的高速运转，实现转速的稳定可控，转子转动的振动图像信号的采集；采用软件系统对采集得到的图像信号进行处理，提取图像中特征点的位移变化，从而得到微转子上固定点的运动轨迹。本发明机构简单，原理明确，测振效果好，精度高，且对微电机转子系统振动本身的影响几乎可以忽略。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的方法，具体是一种非接触式微转子振动位移的激光测量方法。

背景技术

随着科学技术的日益发展，对微旋转机械的运转速度、工作寿命等方面提出了越来越高的要求，如果由于微旋转机械本身加工制造原因或在超高速情况下运转都可能使系统产生振动，影响系统的稳定运行，有效及时地对各种振动做出测量与分析，成为提高微旋转机械系统正常运行的重要环节。高精度的位移测量系统是微机械、仪器仪表等领域获得位置精度的基础，也是上述产品及技术不断进步的制约因素。目前，对微机械的传感与测量技术的研究较多，且主要集中在硅传感器和光学测量方面，但对微转子振动特性的测量还存在许多需要解决的问题，尤其是对超微旋转机械在超高转速下的振动特性测量还缺乏有效的手段，还未见有公开报道。

经对现有技术的文献检索发现，自从1969年美国贝尔实验室的W.S.波涅尔、G.E.史密斯等人提出电荷耦合这一新概念以来，随着科学技术的发展，特别是近代电子技术的发展，电荷耦合器件，简称CCD，应用于几何量测量可以实现高精度、高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要求，尤其对小尺寸的测量具有很强的优势，S.H.Wang等在《Optik》(光学)(2004，115(12)：564-568)上发表的“A genetic optical interferometric inspection onmicro-deformation”(微变形的遗传光学干涉测量)，该文中提出用CCD方法测量MEMS简单微结构(微梁与微薄膜)的振动变形及动态特性，测量范围可在1μm左右，但至今为止，通过大量的文献检索，还没有发现采用CCD位移传感技术对MEMS微转子振动和动态特性测量的任何报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光学测量技术的不足，提供一种非接触式微转子振动位移的激光测量方法。使其取代传统的几何光学成像检测方法，实现MEMS微转子振动的数字化精密检测和控制。

本发明是通过以下技术方案实现的，将被测微电机安装在试验台上，利用发射器发射激光光带扫描运动状态中的微转子，微转子在高速运转下的运动轨迹的投影记录用CCD位移传感器及图像采集卡采集微转子运动图像再运用图像处理技术来得到振动信号，其中：采用硬件系统负责微转子的高速运转，实现对微转子转速控制以及转子运动图像信号采集；采用软件系统对采集得到的图像进行图像信号处理，提取图像中特征点的位移变化，从而得到微转子转动的运动轨迹与振动特性。本发明所提出的微转子振动测量方法具有实现简单、非接触式动态检测、测量精度高等优点，且对微电机转子系统本身的影响几乎可以忽略。

在本发明中，采用硬件系统实现对微转子转速控制，提高定位精度，具体为：采用恒力矩细分控制方法，在空间彼此相差2π/m的相绕组，分别通以相位上相差2π/m而幅值相同的正弦电流，则合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。对微电机实现步距角的任意细分，绕组电流采用以下形式：当0≤α≤2π/3时，i_α＝I_msinα；当2π/3≤α≤4π/3时，i_α＝I_msin(α-π/3)；当4π/3≤α≤2π时，i_α＝0；其中，α为微电机转子偏离参考点的角度。控制微电机定子绕组中的励磁电流，合成幅值恒定、角度变化均匀的磁场矢量，实现对微电机恒力矩均匀细分的控制，使微电机的运行平稳，从而实现对转速的可控、可调，满足微转子的振动测试要求。

信号采集是振动测量系统的另一个关键，本发明转子运动图像信号采集应用CCD扫描成像技术对微转子振动过程进行采样分析，采用硬件与软件定位技术实现对CCD每一个像素进行高速采集并实时地传输给计算机处理。在图像信号采集时，由于微转子的尺寸很小，必须进行CCD调焦，直至出现清晰的微转子图像，由CCD扫描系统获取微转子的图像信号，存入信号采集卡缓存，信号采集软件按指定的速率把缓存里的视频信号采集到计算机内存中，然后在计算机中应用开发软件包获取微转子转动的振动信号。具体过程：CCD输出的模拟信号输入到采集卡的A/D中，A/D将CCD每一个像素点的电压值转换成数字信号，信号通过接口模块传送到计算机接口，监视器负责定时显示CCD采集到的模拟视频信号，以便实时监控微转子的运动状态，便于调整微转子的运动状态，采集各种不同工况下微转子的振动信号。

本发明采用软件系统对采集得到的图像进行图像信号处理，具体是：对CCD采集的图像信号进行二值化、滤波、去噪等预处理，再进行图像信号的算法处理，本发明采用FFT对信号进行处理，选用分裂基算法(SRFFT)，此算法具有最少的运算量、计算结构规整性、同址性、内部数据无需重排等优点，其基本思想是：设N＝2M，按照频率抽选法将这个N点DFT分解成一个N/2点DFT和两个N/4点DFT，并且N/2点DFT和N/4点DFT可以应用相同的过程递归计算直至只有2点DFT的组合时为止，此算法的每一步都是由基-2和基-4分解组合而成，运算量小，计算速度快。然后再对振动信号进行谱分析，由于时域信号会被截断，即相当于原信号函数与一截断函数相乘，结果已不完全是原来的信号，从而导致谱泄露，甚至出现谱间干扰，引起谱分析的误差，因此，系统选取恰当的窗函数，减小截断效应的影响。图像信号在进行完FFT后，为了确定频率抽样点之间是否有更大的峰值，采用ZFFT算法得到该频段的高分辨率谱。

本发明具有以下特点：采用非接触式激光位移传感方法，把CCD图像采集和数字图像处理技术应用于微转子转动的振动测量，取得微转子转动的振动信号，可以避免传统测量方法精度低、可靠性差等缺点，具有实现简单、非接触式动态检测、测量精度高的优点；采用恒力矩细分控制方法，实现了微电机输出力矩恒定与微转子转速可控、可调；采用信号放大和A/D转换，在计算机上进行快速FFT变换，得到振动频谱，振动频谱上能量最大的频率就是微转子转动的频率，由此还可得微转子的实际旋转速度。

附图说明

图1为微转子振动测量系统结构图

图2为CCD扫描成像原理图

图3为转动频率为8.8Hz时6mm微电机转子振动的幅值谱图a和时域波形图b。

图4为转动频率为50Hz时6mm微电机转子振动的幅值谱图a和时域波形图b.

图5为转动频率分别为28.8Hz、35.0Hz和51.3Hz时2mm微电机转子振动的幅值谱图，其中：图a、b、c分别对应28.8Hz、35.0Hz和51.3Hz转动频率。

图6为高速运转时，2mm微电机转子振动的时域波形图，其中图a、b、c分别对应78.4Hz、95.1Hz和125.6Hz转动频率。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施例：

本实施例采用的实验平台包括2mm和6mm电磁型薄膜微电机装置系统、恒流细分驱动电路系统、CCD激光位移传感器、模拟信号控制器、微机数据采集装置与数据采集软件、频谱分析仪。

图1给出了微转子振动测量系统结构图，由微电机、传感器、控制器、驱动电路及采集系统组成。其中，采用CCD扫描成像技术测量旋转微转子振动的原理，如图2所示。对于微型旋转机械，采用非接触式的光带传感器测量微转子轴心的运动是非常方便的，精度较高。使光带传感器的光带通过微转子，支架固定安装在机座上，利用激光带的偏动模拟微转子的振动规律，所采用的激光传感器精度可达0.05μm。

实施例1

选取6mm电磁型薄膜微电机，其主要技术参数为：微转子圆盘直径为D＝6mm，圆盘厚度为t＝1.2mm，轴长为L＝3mm，轴直径为d＝1.5mm，工作电压为10V～13V。采样频率为60Hz。

本实施例中，为了实现转速控制，提高定位精度，采用恒流细分驱动电路系统，控制微电机定子绕组中的励磁电流，合成幅值恒定、角度变化均匀的磁场矢量，使微电机运行平稳；采用CCD扫描成像技术对微转于在速度可控情况下的振动过程进行采样分析，由CCD扫描系统中的位移传感器获取微转子的图像信号，存入信号采集卡缓存，再由模拟信号控制器输出CCD的模拟信号，然后将模拟信号输入到采集卡的A/D中，A/D将CCD每一个像素点的电压值转换成数字信号，信号通过接口模块传送到计算机接口，在计算机上进行快速FFT变换，得到微转子振动的幅值谱图和时域波形图。

图3和图4分别为转动频率为8.8Hz和50Hz时6mm微电机转子振动的幅值谱图(左)和时域波形图(右)。从图上可看出，随着转速的升高，振动变化较为明显，微转子的振幅略有增大，且由转动频率和采样频率可以计算出微转子的转速，即由振动频谱上能量最大的频率(转动频率)f，根据公式可得旋转速度为n＝60f。

实施例2

选取2mm电磁型薄膜微电机，其主要技术参数为：外形尺寸为2.3mm×2.3mm×1.5mm，微转子直径为D＝2mm，工作电压为8V，工作电流为70mA，最大空载转速为25000rpm，重量为38mg，调速范围为50∶1，最大输出力矩为2.8μN·m，转子系统采用双定子-单转子夹层结构。采样频率为60Hz。

本实施例中，为了控制微转子的转速，提高定位精度，采用恒流细分驱动电路系统，控制微电机定子绕组中的励磁电流，合成幅值恒定、角度变化均匀的磁场矢量，使微电机运行平稳；采用CCD扫描成像技术对微转子在速度可控情况下的振动过程进行采样分析，由CCD扫描系统中的位移传感器获取微转子的图像信号，存入信号采集卡缓存，再由模拟信号控制器输出CCD的模拟信号，然后将模拟信号输入到采集卡的A/D中，A/D将CCD每一个像素点的电压值转换成数字信号，信号通过接口模块传送到计算机接口，在计算机上进行快速FFT变换，得到微转子振动的幅值谱图和时域波形图。

图5是转动频率分别为28.8Hz、35.0Hz和51.3Hz时2mm微电机转子振动的幅值谱图。由图可知，是系统在低速时的幅值谱图，频率成分较为复杂，主要是由于启动过程的不稳定性；随着转速的升高，振幅趋于平稳，系统中主要以倍频成分为主，这表明系统在经过较长时间运转后，复杂成分逐渐消失，以低阶倍频成分为主。

图6为随着转速(转动频率分别为78.4Hz、95.1Hz和125.6Hz)的升高，摩擦逐渐加重后记录的稳态过程的时域波形图。随着转速的升高，摩擦加重，接触时间越来越短，摩擦越来越频繁，随着摩擦的不断加重，微转子系统发热，由于时间过长，微转子系统有时不能正常工作，说明摩擦引起的振动问题严重影响微电机的稳定性能。因此，采用本发明的测量方法可用于各种不同工况下微转子转动的振动检测。