CN105953908A - 一种基于dvd光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DVD光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪，主要利用改装后的DVD光学读取头和悬臂式结构的低频微纳振动测试仪。本发明首次将改装后的DVD光学读取头应用于微振动的测量，测量精度更高，线性范围更大，测量频率更低，测振仪成本更低廉；通过对基座和悬臂的设计，使其能够测量更低频的振动。此外本测振仪还包括处理电路及微调装置。本发明测量振动范围能够达到±10µm，频率小于10 Hz，且分辨率10nm。

Description

一种基于 DVD 光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪

技术领域

本发明属于测量振动领域，具体属于涉及一种基于DVD光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪。

背景技术

实验室地基及放置仪器平台的振动对微纳测量结果有严重的不利影响，特别是低频振动。精确测量实验环境的低频振动是实施主动隔振的前提，即使不隔振也可根据振动测量结果选择振动小的时间段去进行微纳测量活动。

目前测量振动的主要方法有机械式、电气式和光学式三种。机械式测量方法的抗干扰能力较强，但是它线性宽度较窄，测量的精度不高；电气式测量方法的灵敏度高，但易受电磁场的干扰；而光学测量方法测量精度高、频率幅度宽、绝缘性能好、而且不会引起电网谐振，是实现高精度振动测量的主要方法。目前，测量振动的各种测振仪，按照其工作方式来说，大体可以归结为以下几种：激光散斑法测振，该方法属非接触测量，具有高准确度与高精度。同时，对工作条件要求低，装置简单。但是，该测振仪结构复杂、价格昂贵；激光三角法测振，结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵便、测量距离大、抗干扰性强，非常容易微型化等。同时该测振仪的成本较低，便于推广应用，但是这种测振仪测量精度不高，很难达到纳米级；基于计量型原子力显微镜的微纳测振，是在显微镜上增加可调三角波发生器，并且增加保护电路实现信号切换和电压的缓冲，对其内部和外加驱动信号采取了平滑切换的处理方式, 使压电陶瓷驱动器的剧烈变化得到有效避免，据此实现计量型原子力显微镜的力曲线功能。这种方法对振动的测量精度很高，但是测量范围很小，无法满足实验室测振的需求；时间平均全息法测振，实验过程简单，不仅可以检测漫散射体，还可以检测形状复杂的透光物体或反射物体，因此被广泛应用于振动分析之中。相较而言，该测振仪的缺点也较为明显，不足之处是测量范围小，记录信息过多，对记录介质的分辨率要求过高。此外，该测振仪需要在对环境条件要求高的暗室下操作，测头与被测物体工作距离近，甚至可以达到几毫米至几十毫米；激光多普勒技术，测量精度和空间分辨力均较高,动态响应较为迅速，多应用于非接触测量的场合，应用范围较广，即使是在高温、高压、放射等极端条件中依旧适用。其不足之处在于被测体表面情况对测量结果影响较大，且测量精度也会受到光学测量头的性能的影响。此外，价格昂贵也是此类测振仪的一大缺陷；基于非线性晶体的激光干涉测振，利用光折变晶体材料，可实现宽带、微小振动测量。该测振***有无接触、无损伤、时空分辨率高，且具有较好的灵敏度和较高的抗环境干扰能力，但其测量精度却达不到纳米级；低频自混合激光二极管测振，该测振仪具有体积小、成本低、易于准直、可以非接触式测量的优点，实现了高灵敏度和宽动态的范围的测量，拥有很好的稳定性，但其测量精度却不是很高，达不到纳米级的要求。

此外，光学测振仪以其高分辨力、高灵敏度、非接触测量等优点得到了广泛的应用，但是光学测量多数是静态测量，测量距离近，且光学测量结构太精细，光学器件调节较为困难。总之，现有的技术手段均不能很好的满足高精度测量场合地基和主动隔震台振动测量的需求。仪器的价格，测量精度与测量范围很难协调一致。而以DVD光学读取头作为传感器的测振仪测量精度能够达到纳米级，测量范围满足±10µm，而且价格非常低廉，可以用来解决低频微纳振动测量的难题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有的技术弊端，提供了一种能够进行动态测量，测量精度及分辨率能达到较高水平，测量范围较大，频率低，价格相对低廉且结构相对简单的一种基于DVD光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪。

本发明的技术方案如下：

一种基于DVD光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪，包括DVD光学读取头13、悬臂15，悬臂15通过夹持装置14固定于基座9上，夹持装置14通过螺孔10固定于基座9上，悬臂15尾端正下方设置一个凹槽8，悬臂15尾端的正上方放置一光路转折装置4，在光路转折装置4水平方向正对于DVD光学读取头13，基座9四个转角处设有螺孔5，用于测试仪和被测平台的固定；悬臂15尾端端部上表面贴有一个反射镜18，悬臂端尾部贴有一阻尼臂16和配重块17，阻尼臂16下端伸入到凹槽8的阻尼液中。

通过配比不同浓度的阻尼液及阻尼臂16形状尺寸设计，可以适当的改变悬臂所需的固有频率。

所述光路转折装置4通过条形槽6与基座9上的螺孔7连接，镜架2通过螺孔3固定于基座9，反射镜1粘接于镜架2上。

所述的镜架2安装于镜架调整装置上，镜架调整装置可前后移动调整镜架到DVD光学读取头的距离，镜架调整装置通过键条形槽6调整固定于基座9的位置。

所述DVD光学读取头13安置于支架12上，相关转换电路位于支架12内部。

所述的夹持装置14包括夹持座11，夹持座11通过螺孔10固定于基座9上。

改装后的DVD光学读取头具有高分辨率与高精度的特性，扫描探头的线性感测范围也进一步量程变大，适合用来发展纳米级的位移感测***。

关于整体结构的设计，基座的设计采用一体式，结构更稳定，同时，在基座的四角处设有螺孔，可以将测振仪与被测平台连接起来，使之产生相同振动。光路转折装置的设置使DVD光学读取头位置的选取更容易，使DVD头的固定更方便，测试仪整体结构简单稳定。

关于光路转折装置，主要利用镜架调整装置和镜架本身进行调整：镜架调整装置为二维调整，镜架调整装置可以通过键槽前后移动，并用螺钉固定，从而调节镜架到DVD光学读取头的距离；通过旋转镜架背部的螺钉，可以调整反射镜的角度。

关于悬臂的设计，通过相关分析及仿真，确定其尺寸及形状，使其固有频率达到极小范围，同时满足挠度和疲劳强度的要求，更重要的是，通过阻尼条件的设置使悬臂和被测平台产生等频、等幅的振动。同时，悬臂的固定采用双片挤压和螺钉固定，结构更稳定，不易产生松动。悬臂正下方设有阻尼液槽，可以使悬臂所要求的固有频率相对降低，使测量范围更大，结果更准确。优先的，悬臂的材料选择铍青铜。

关于转换电路，主要利用I/V转化电路、计算放大电路、滤波电路：通过DVD 光学读取头内部四象限传感器输出四路微弱的电流信号，先对四路微弱电流信号进行I/V转化，同时针对其微弱信号进行一次放大；再利用计算放大电路对四路一次放大后的电压信号进行处理，并二次放大，在经过滤波电路，最终得到所需的聚焦误差信号FES。

与现有测振仪相比，本发明的有益技术效果如下：

（1）本发明首次将改装后的DVD光学读取头应用于微振动测量，测量精度更高，分辨率达到10 nm，线性感测范围更大，测量范围在±10µm；

（2）改装后的DVD光学读取头，可以实现偏转角度或偏移位移的测量，可以实现振动的非接触式测量和动态测量；

（3）利用特殊设计的悬臂结构及阻尼臂，能够降低悬臂的固有频率，使本发明仪器能够测量10Hz及10Hz以下的低频振动；

（4）本发明主要利用改装后的DVD光学读取头和悬臂特殊的尺寸及结构设计，相较于大多数的光学测振仪，本发明结构更加简单，价格十分低廉。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为悬臂结构示意图；

图3为基座结构图；

图4为光路转折装置结构示意图；

图5为DVD光学读取头固定装置示意图；

图6为悬臂夹持装置示意图；

图7为DVD头标定装置示意图。

具体实施方式

参见附图，一种基于DVD光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪，包括DVD光学读取头13、悬臂15，悬臂15通过夹持装置14固定于基座9上，夹持装置14通过螺孔10固定于基座9上，悬臂15尾端正下方设置一个凹槽8，悬臂15尾端的正上方放置一光路转折装置4，在光路转折装置4水平方向正对于DVD光学读取头13，基座9四个转角处设有螺孔5，用于测试仪和被测平台的固定；悬臂15尾端端部上表面贴有一个反射镜18，下表面贴有一阻尼臂16和配重块17，阻尼臂16下端伸入到凹槽8的阻尼液中。

通过配比不同浓度的阻尼液及阻尼臂16形状尺寸设计，可以适当的改变悬臂所需的固有频率。光路转折装置4通过条形槽6与基座9上的螺孔7连接，镜架2通过螺孔3固定于基座9，反射镜1粘接于镜架2上。镜架2安装于镜架调整装置上，镜架调整装置可前后移动调整镜架到DVD光学读取头的距离，镜架调整装置通过键条形槽6调整固定于基座9的位置。DVD光学读取头13安置于支架12上，相关转换电路位于支架12内部。夹持装置14包括夹持座11，夹持座11通过螺孔10固定于基座9上。

本发明装置通过螺钉固定在被测平台上，当被测平台发生振动时，本装置上的悬臂也会发生等幅振动，使悬臂端部反射镜发生偏移，从而使其反射回DVD光学读取头的光线发生偏折，通过对偏折程度的计算，得出被测平台的振动位移。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本装置的基座上有四个固定螺孔5，使用时，先用螺钉将装置与被测平台通过螺孔5固定。启动装置，当被测平台未发生振动时，DVD光学读取头13发射出的光线经过悬臂上平面镜17的反射、光路转折装置4上平面镜1的反射后，进入DVD光学读取头13，此时光线未发生偏折，无波动信号产生；当被测平台发生振动时，悬臂16也随之产生等频振动，经平面镜17、光路转折装置4上的平面镜1反射进入DVD光学读取头13的光线发生偏折，DVD光学读取头内的四象限传感器会根据光点在四个象限上的分布，输出四路微弱的电流信号，先对四路微弱电流信号进行I/V转化，同时针对其微弱信号进行一次放大；再利用计算放大电路对四路一次放大后的电压信号进行处理，并二次放大，再滤波，最终得到所需的聚焦误差信号FES，并将其对应不同幅度的振动。

改装的DVD光学读取头的标定实施方案如图7所示。以SIOS激光干涉仪作为位移测量标准，驱动器采用德国PI公司生产的E-861。固定改装后的DVD光学读取头不动，使用纳米微动工作台承载反射镜由远及近的靠近位移计的光学焦点，工作台移动的位移使用激光干涉仪进行校正，同时使用NI公司的数据采集卡PCI-6251采集每一位置经过信号运算放大处理模块的聚焦误差信号电压值。根据测得的微位移传感器输出的电压值和激光干涉仪输出的位移值，通过线性拟合的方式，找出其中的线性关系，作为测量时电压与位移转换的依据。对其中的非线性误差通过查表修正的方式进行实时修正，以达到纳米级的分辨率和精度。

测振仪标定的实施方法为：将测振仪放置在PI分辨率1 nm，重复性2 nm，载重20Kg纳米微动台上，并以其为基准，给定不同的振动幅度，测试位移计的输出，并建立起关系模型。根据关系模型，即可由测振仪工作时位移计的输出得出此时的振动量的大小。

Claims (6)

1.一种基于DVD光学读取头和悬臂结构的低频微纳振动测试仪，包括DVD光学读取头、悬臂，悬臂通过夹持装置固定于基座上，夹持装置通过螺孔固定于基座上，悬臂尾端正下方设置一个凹槽，悬臂尾端的正上方放置一光路转折装置（4），在光路转折装置水平方向正对于DVD光学读取头，基座四个转角处设有螺孔（5），用于测试仪和被测平台的固定；悬臂尾端端部粘有一阻尼臂，悬臂尾端端部上表面贴有一个反射镜，下表面贴有配重块，阻尼臂下端伸入到凹槽的阻尼液中。

2.根据权利要求1所述的低频微纳振动测试仪，其特征是：通过配比不同浓度的阻尼液及阻尼臂形状尺寸设计，可以适当的改变悬臂所需的固有频率。

3.根据权利要求1所述的低频微纳振动测试仪，其特征是：所述光路转折装置通过条形槽与基座上的螺孔连接，镜架通过螺孔固定于基座，反射镜粘接于镜架上。

4.根据权利要求3所述的低频微纳振动测试仪，其特征是：所述的镜架安装于镜架调整装置上，镜架调整装置可前后移动调整镜架到DVD光学读取头的距离，镜架调整装置通过键条形槽调整固定于基座的位置。

5.根据权利要求1所述的改装后的DVD光学读取头及相关转换电路，其特征是：所述DVD光学读取头安置于支架上，相关转换电路位于支架内部。

6.根据权利要求1所述的改装后的DVD光学读取头及相关转换电路，其特征是：所述的夹持装置包括夹持座，夹持座通过螺孔固定于基座上。