基于激光干涉測(cè)振技術(shù)的壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量監(jiān)控

趙斌興，王亞非，高椿明，孫啟明

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054)

.光電子學(xué)工程與應(yīng)用.

基于激光干涉測(cè)振技術(shù)的壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量監(jiān)控

趙斌興，王亞非，高椿明，孫啟明

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054)

利用激光干涉技術(shù)和干涉條紋大小數(shù)擬合計(jì)數(shù)軟件處理方法，研究測(cè)量低頻微小振動(dòng)，開展壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量監(jiān)控研究。介紹了基于激光干涉技術(shù)的振動(dòng)測(cè)量研究方法，分析了壓電陶瓷蜂鳴片在正弦電壓驅(qū)動(dòng)下，不同初始干涉光程差、不同振幅的振動(dòng)產(chǎn)生的干涉信號(hào)及干涉條紋大小數(shù)擬合計(jì)數(shù)軟件處理方法；建立了邁克爾遜干涉測(cè)振系統(tǒng)，運(yùn)用干涉條紋大小數(shù)擬合計(jì)數(shù)軟件方法，對(duì)不同正弦電壓驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷蜂鳴片微小振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。研究表明，基于大小數(shù)擬合計(jì)數(shù)軟件方法的激光干涉測(cè)振技術(shù)可以有效測(cè)量微小振動(dòng)，為壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量監(jiān)控提供一種有效手段。

擬合計(jì)數(shù); 激光干涉; 壓電陶瓷蜂鳴片; 振動(dòng)測(cè)量

壓電陶瓷蜂鳴片是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)信號(hào)的一種器件，廣泛應(yīng)用于音響、通訊、遙感等產(chǎn)品，電聲特性是其最主要的性能。生產(chǎn)線上的電聲性能質(zhì)量監(jiān)控手段之一是向蜂鳴片輸入交流電信號(hào)，判斷發(fā)聲大小是否與樣板相符。這種檢測(cè)方法檢測(cè)精度低，影響產(chǎn)品質(zhì)量控制，因此，發(fā)展精度高、靈敏度高的檢測(cè)方法對(duì)嚴(yán)格控制壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量十分重要[1-2]。

激光干涉測(cè)量技術(shù)是一種非接觸式微小位移測(cè)量技術(shù)，具有精度高、分辨力高、靈敏度高、穩(wěn)定性好及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。常見的高精度激光干涉測(cè)量法有零差激光干涉法和外差激光干涉法，其測(cè)量基本原理是將位移量轉(zhuǎn)化為光干涉條紋變化量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而得到位移量[3-8]。其中，干涉條紋變化量的處理是干涉測(cè)量的重點(diǎn)，大小數(shù)結(jié)合細(xì)分法是干涉條紋變化量處理的重要方法之一。對(duì)大數(shù)計(jì)數(shù)一般采用莫爾干涉條紋硬軟件計(jì)數(shù)法，對(duì)小數(shù)計(jì)數(shù)則采用相位細(xì)分軟硬件測(cè)量法[9-13]。對(duì)于振動(dòng)測(cè)量，不同初始干涉光程差、不同振動(dòng)幅度的微振動(dòng)產(chǎn)生的干涉信號(hào)復(fù)雜，很難準(zhǔn)確確定一個(gè)周期中移動(dòng)的條紋數(shù)。而運(yùn)用基于大數(shù)計(jì)數(shù)、小數(shù)擬合干涉條紋軟件處理方法，則可對(duì)一定類型的振動(dòng)做精確測(cè)量。

本文利用激光干涉測(cè)振技術(shù)，在干涉初始光程差不確定的情況下，采用大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合的軟件方法，對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片在低頻低電壓正弦驅(qū)動(dòng)下的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量表明，基于大數(shù)計(jì)數(shù)、小數(shù)擬合軟件方法的激光干涉技術(shù)可以有效測(cè)量微小振動(dòng)，通過對(duì)一定低頻低電壓正弦驅(qū)動(dòng)下壓電蜂鳴片振動(dòng)情況的測(cè)量，可以為壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量監(jiān)控提供一種有效手段。

1 理 論

激光干涉測(cè)量是檢測(cè)測(cè)量光束與參考光束之間光程差的改變而引起兩束光的干涉條紋的變化情況，進(jìn)而得到被測(cè)量物體的位移大小。

邁克爾遜干涉儀中，試樣表面沿入射光方向上有λ/2位移時(shí)，測(cè)量光束與參考光束之間的光程差變化在空氣中為一個(gè)λ，在光電檢測(cè)器上移過一條干涉條紋。當(dāng)器件表面做頻率為?的微振動(dòng)時(shí)，移動(dòng)的路程S=Nλ/2，其中，N為一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)移動(dòng)的干涉條紋數(shù)[3]。

在正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，壓電陶瓷蜂鳴片以信號(hào)s(t)做周期振動(dòng)，通過邁克爾遜干涉儀檢測(cè)后的光干涉電信號(hào)為：

式中，CC為光干涉電信號(hào)直流項(xiàng)；BB為光干涉電信號(hào)調(diào)制幅度；δ為初始光程差。

干涉信號(hào)處理時(shí)，通過微調(diào)干涉初始光程差，使干涉光信號(hào)調(diào)整為除最值外還存在極值的干涉信號(hào)，取相鄰的相同極值間的數(shù)據(jù)確定振動(dòng)周期、干涉直流項(xiàng)和干涉調(diào)制幅度。當(dāng)干涉信號(hào)變化一個(gè)大數(shù)條紋(相鄰兩不同干涉光最值間的變化)表明器件有λ/4位移，而小數(shù)條紋可根據(jù)式(1)求得器件對(duì)應(yīng)的位移量，根據(jù)大小數(shù)條紋隨時(shí)間的變化情況，確定位移變化軌跡，并通過一階微分，確定速度變化。

在低頻正弦電壓驅(qū)動(dòng)下，壓電陶瓷蜂鳴片有不同的振動(dòng)情況。若驅(qū)動(dòng)電壓低，壓電陶瓷遲滯特性可忽略，在理想的實(shí)驗(yàn)條件情況下，壓電陶瓷蜂鳴片做簡諧振動(dòng)；若驅(qū)動(dòng)電壓高，由于遲滯特性及壓電陶瓷蜂鳴片的結(jié)構(gòu)特性，壓電陶瓷蜂鳴片做非間諧振動(dòng)。下面對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片做諧振動(dòng)時(shí)的干涉光信號(hào)進(jìn)行仿真并處理。非諧振動(dòng)產(chǎn)生的干涉光信號(hào)與諧振動(dòng)產(chǎn)生的干涉情況相同，只是干涉信號(hào)隨時(shí)間變化快慢與諧振動(dòng)有所區(qū)別。

1.1 諧振動(dòng)干涉信號(hào)仿真

當(dāng)壓電陶瓷蜂鳴片在正弦電壓驅(qū)動(dòng)下做振幅為A、頻率為?的簡諧振動(dòng)y=Asin(ωt)時(shí)，邁克爾遜干涉儀干涉光信號(hào)可按振動(dòng)過程中是否達(dá)到干涉最值，分3種情況：1) 干涉光信號(hào)未達(dá)到干涉光強(qiáng)最值，此時(shí)振動(dòng)幅度A∈(0,λ/8)，干涉初始光程差δ∈(0,λ/8)且δ ≠ λ/2，如圖1a所示；2) 干涉光信號(hào)達(dá)到一個(gè)干涉光強(qiáng)最值(最亮或最暗)，此時(shí)振動(dòng)幅度A∈(0,λ/4)，干涉初始光程差δ∈[0,λ)且δ≠λ/4，如圖1b所示。3) 干涉光信號(hào)達(dá)到光強(qiáng)最值(最亮、最暗)，此時(shí)振動(dòng)幅度A≥λ/8，干涉初始光程差δ∈[0,λ)，如圖1c所示。

1.2 諧振動(dòng)干涉信號(hào)處理

干涉條紋變化量的處理是激光干涉測(cè)量的重點(diǎn)，通過采用大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合的軟件處理方法，可分析處理干涉條紋變化量，實(shí)現(xiàn)微小振動(dòng)的測(cè)量。

運(yùn)用大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合的軟件處理方法處理諧振動(dòng)干涉信號(hào)，大數(shù)計(jì)數(shù)是對(duì)干涉條紋在光干涉最強(qiáng)和最弱間的周期變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，小數(shù)擬合是對(duì)干涉條紋在光干涉最值內(nèi)變化的信號(hào)進(jìn)行擬合計(jì)數(shù)。具體處理方法：取得半周期中數(shù)據(jù)(從極值開始取值)，進(jìn)行大數(shù)計(jì)數(shù)，計(jì)錄半周期中光強(qiáng)最值的變化個(gè)數(shù)，結(jié)合大數(shù)計(jì)數(shù)，與式(1)進(jìn)行A,δ雙參擬合，確定振動(dòng)幅值A(chǔ)，則諧振動(dòng)y=Asin(ωt)確定，器件隨時(shí)間振動(dòng)的情況(如位移、速度)同時(shí)確定。

假設(shè)3種干涉信號(hào)：未達(dá)到干涉光強(qiáng)最值(A=λ/15，δ=λ/5)、達(dá)到一個(gè)干涉光強(qiáng)最值(A=λ/9，δ=3λ/8)、達(dá)到干涉光強(qiáng)最值(A=7λ/8，δ =7λ/8)為實(shí)驗(yàn)干涉信號(hào)(其中，CC=8，BB=5，λ=0.632 8 μm，ω=2π)，采用大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合軟件方法處理，得到圖2中所示光干涉電信號(hào)擬合曲線、振動(dòng)信號(hào)位移及速度曲線?？煽闯鰯M合較好，擬合得到振動(dòng)幅值與振動(dòng)信號(hào)幅值一致，表明運(yùn)用大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合的干涉波形變化信號(hào)處理方法，可精確實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。

2 實(shí) 驗(yàn)

壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要由邁克爾遜干涉儀組成，干涉儀測(cè)振系統(tǒng)如圖3所示。圖中，光源為氦氖激光器(波長為0.632 8 μm)，激光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束、分光鏡分光后分為參考光束和測(cè)量光束，參考光束經(jīng)參考全反鏡反射后再透過分光鏡，測(cè)量光束由壓電蜂鳴片表面反射后，再由分光鏡反射，與參考光會(huì)合，經(jīng)過透鏡會(huì)聚后，在光電檢測(cè)器表面形成干涉條紋，檢測(cè)干涉條紋的變化情況，得到壓電陶瓷蜂鳴片的振動(dòng)情況，壓電陶瓷蜂鳴片由低頻正弦周期電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)中所用蜂鳴片由壓電陶瓷層和金屬層(黃銅)粘合而成，壓電陶瓷直徑為25 mm，厚度為0.23 mm，黃銅層直徑為35 mm，厚度為0.22 mm。在頻率為1 Hz且不同電壓(峰峰值：3 V、7 V、20 V)正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，光干涉電信號(hào)如圖4所示。

光干涉電信號(hào)經(jīng)濾波降噪平滑處理后，采用大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合的軟件處理方法，擬合得到壓電陶瓷蜂鳴片在峰值為3 V、7 V的正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，半個(gè)周期中的光干涉電信號(hào)及微振動(dòng)情況(位移、速度)如圖5a、圖5b所示；得到在峰值為20 V的正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，一個(gè)周期中的光干涉電信號(hào)及微振動(dòng)情況(位移、速度)如圖5c所示。

通過圖5a、圖5b可看出，低電壓正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，壓電陶瓷蜂鳴片振動(dòng)為諧振動(dòng)，經(jīng)濾波降噪平滑處理后的光干涉電信號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論擬合很好，得到在3 V、7 V正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下蜂鳴片的振動(dòng)幅度分別為0.046 μm、0.087 μm，隨著電壓的升高振動(dòng)幅度增大；從圖5c可看出，電壓升高后，壓電陶瓷蜂鳴片振動(dòng)為非諧振動(dòng)，光干涉電信號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論擬合很好，得到壓電蜂鳴片隨時(shí)間變化的相對(duì)位移及速度。

測(cè)量誤差主要來源于兩個(gè)方面：1) 由于測(cè)量時(shí)的系統(tǒng)噪聲，實(shí)際記錄的光干涉電信號(hào)需要通過濾波降噪平滑處理后再進(jìn)行擬合，因此，會(huì)影響測(cè)量精確度。運(yùn)用平均絕對(duì)百分誤差(MAPE)公式對(duì)頻率為1 Hz且不同電壓(峰峰值：3 V、7 V、20 V)正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)下的光干涉電信號(hào)進(jìn)行估算，處理前和處理后的兩個(gè)時(shí)域信號(hào)平均絕對(duì)百分誤差分別為9%、9%、7%。2) 由于本文測(cè)量是利用理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到測(cè)量值，因此擬合誤差也會(huì)影響測(cè)量精度。運(yùn)用相同的公式估算、處理后的時(shí)域波形同理論最佳擬合波形平均絕對(duì)百分誤差分別為0.056%、0.49%、0.26%。這兩方面的誤差導(dǎo)致微振動(dòng)測(cè)量具有一定的測(cè)量誤差，若提高測(cè)量信號(hào)信噪比則能提高系統(tǒng)測(cè)量精度。從以上分析可以看出兩部分誤差都較小，且光干涉電信號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論擬合較好，表明大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合的軟件方法可以有效處理微振動(dòng)干涉條紋變化信號(hào)。

3 結(jié) 論

本文利用激光干涉技術(shù)和干涉條紋大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合軟件處理方法，對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片在低電壓正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)下的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，得到如下結(jié)論：

1) 壓電陶瓷蜂鳴片實(shí)驗(yàn)干涉信號(hào)與理論擬合很好，表明基于大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合軟件處理方法的激光干涉測(cè)振系統(tǒng)，能夠有效測(cè)量低頻微振動(dòng)，可以用來控制壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量。

2) 壓電陶瓷蜂鳴片的振動(dòng)幅度隨著電壓的升高而增大，低電壓時(shí)為諧振動(dòng)，高電壓時(shí)為非諧振動(dòng)，這是由高電壓下壓電陶瓷蜂鳴片的遲滯特性及結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致。

總之，基于大數(shù)計(jì)數(shù)和小數(shù)擬合軟件處理方法的激光干涉測(cè)振系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)微小振動(dòng)的測(cè)量，可以為壓電陶瓷蜂鳴片質(zhì)量監(jiān)控提供一種有效手段。

[1] 劉欣. 壓電陶瓷(PZT)特性的分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試[D]. 昆明:昆明理工大學(xué), 2007. LIU Xin. Testing and analyzing on characteristic of PZT[D]. Kunming: Kunming University of Science &Technotogy, 2007.

[2] ZHANG Q F, JIANG S L, YANG T Q. Pyroelectric, dielectric, and piezoelectric properties of MnO2-doped (Na0.82K0.18)0.5Bi0.5TiO3 lead-free ceramics[J]. Electroceramic, 2012, 29: 8-11.

[3] 段小艷, 任冬梅. 激光干涉法微位移測(cè)量技術(shù)綜述[J]. 計(jì)測(cè)技術(shù), 2012, 36(6): 1-5. DUAN Xiao-yan, REN Dong-mei. Review of highresolution measuring method of displacement using laser interferometer[J]. Metrology & Measurement Technology, 2012, 36(6): 1-5.

[4] 韋豐. 激光合成波長干涉納米測(cè)量系統(tǒng)及其信號(hào)處理方法的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2005. WEI Feng. Study on measurement system and signal processing method of the laser synthetic-wavelength nanomeasurement interferometer[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2005.

[5] HUANG Yang, DU Zheng-ting, DENG Jia-liang, et al. A study of vibration system characteristics based on laser selfmixing interference effect[J]. J Appl Phys, 2012, 112(2): 023106.

[6] LU W. Improving the performance of optical feedback selfmixing interferometry sensing[D]. Wollongong, Australia: University of Wollongong, 2011.

[7] MOREAU A, BORZA D, NISTEA I. Full-field vibration measurement by time-average speckle interferometry and by doppler vibrometry-a comparison[J]. Strain, 2008, 44(5): 386-397.

[8] PEDRINI G, OSTEN W, MIKHAIL E. High-speed digital holographic interferometry for vibration measurement[J]. Applied Optics, 2006, 45(15): 3456-3462.

[9] 陳本永, 吳曉維, 李達(dá)成. 一種新型的干涉條紋軟件計(jì)數(shù)方法及其實(shí)現(xiàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 17(3): 371-374. CHEN Ben-yong, WU Xiao-wei, LI Da-cheng. A novel software interference fringe-counting method and its realization[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2004, 17(3): 371-374.

[10] 楚興春, 呂海寶, 杜列波. 莫爾(干涉)條紋計(jì)數(shù)細(xì)分和辨向技術(shù)的研究[J]. 光學(xué)技術(shù), 2004, 30(4): 475-477. CHU Xing-chun, Lü Hai-bao, DU Lie-bo. New subdivision and direction recogniang method of Moir (interference) fringes[J]. Optical Technique, 2004, 30(4): 475-477.

[11] ZHU J, ZHOU H, YI H. Image processing applied to laser holographic interference fringes[C]//Computer Engineering and Technology. Chengdu: [s.n.], 2010, 3: 1132-1135.

[12] 趙光興, 璆陳洪, 楊國光. 干涉條紋的數(shù)據(jù)擬合方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 20(6): 797-800. ZHAO Guang-xing, CHENG Hong-qiu. YANG Guo-guang. Data fittiig method of interference stripes[J]. Acta Optica Sinica, 2000, 20(6): 797-800.

[13] 宋松, 王向朝, 王學(xué)鋒, 等. 半導(dǎo)體激光微小振動(dòng)實(shí)時(shí)干涉測(cè)量儀[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 21(5): 578-580. SONG Song, WANG Xiang-zhao, WANG Xue-feng, et al. Real-time micro-vibration measurement with a laser diode interferometer[J]. Acta Optica Sinica, 2001, 21(5): 578-580.

編 輯 漆 蓉

Quality Control of the Piezoelectric Ceramic Buzzer Based on Laser Interferometer Vibration Measurement Technique

ZHAO Bin-xing, WANG Ya-fei, GAO Chun-ming, and SUN Qi-ming
(School of Opto-Electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

Laser interferometer, which uses interferometric fringes integral counting and decimal fitting software method to extract the vibration displacement, was employed to measure low-frequency micro-vibrations of piezoelectric ceramic buzzers. The vibration measurement principle on the base of laser interference technique is introduced at the first. Interference signals with various initial optical path differences and vibration amplitudes when the piezoelectric ceramic buzzers are driven by sinusoidal voltage signals are analyzed. The corresponding software processing method for the vibration displacement determination is established. An experimental system was built for the measurement of micro-vibrations of a piezoelectric ceramic buzzer driven by different sinusoidal voltage signals. The results show that the laser interferometer vibration measurement technique based on the interferometric fringes integral counting and decimal fitting software method can efficiently measure micro-vibrations and provide an effective means for quality control of piezoelectric ceramic buzzers.

fitting count; laser Interference; piezoelectric ceramic buzzer; vibration measurement

O436

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.03.023

2014 ? 03 ? 21；

2014 ? 06 ? 23

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(ZYGX2012Z006,E022050205)；國家自然科學(xué)基金(50506006,61379013,61107078)；四川省青年基金人才培養(yǎng)計(jì)劃(2011JQ0025)

趙斌興(1986 ? )，男，博士生，主要從事光聲光熱無損檢測(cè)技術(shù)方面的研究.