眾所周知，在機械工程與土木工程領域里，振動特性的測量一直存在著各種問題和挑戰(zhàn)。雖然某些振動源自器件或部件本身，但由于外力或設計的容差造成的非正常振動則會導致器件或部件的功能性損壞。因此，振動特性的測量和分析是鑒別和確認機器、部件的質(zhì)量特性及工作狀態(tài)的重要測量手段。

對于比較大型的被測物體通常可以安裝加速度傳感器，利用加速度傳感器的電荷輸出信號實現(xiàn)加速度－速度－位移的相關(guān)測量。然而當測量物體質(zhì)量比較小，測量環(huán)境比較嚴峻的情況下，新型的非接觸式，高精度、實時性的測振技術(shù)則扮演了重要角色。其中，基于激光干涉原理的激光多普勒測振技術(shù)是目前能夠獲取最佳位移和速度分辨率的最重要的振動測量方法，已被廣泛用于基礎科學和工程測量領域。

以德國Polytec的激光多普勒振動儀為代表，高端的激光多普勒測振儀具有以下兩項主要技術(shù)優(yōu)勢：首先，由于這類系統(tǒng)采用激光作為探測手段，完全無附加質(zhì)量影響，具有非侵入性，從而能夠在極小和極輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)上進行測量；其次這類系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)微米級／亞微米的振幅分辨率，線性度高，在極高頻率范圍內(nèi)（當前已超過1GHz）和相當大的測量距離范圍內(nèi)仍能確保振幅測量的一致性。

在工業(yè)研究和開發(fā)中， 激光多普勒測振儀不但在機械工程、聲學及其它工程學科和科學領域中用于研究不同物體的動態(tài)和聲學特性， 研究對象包括從汽車車身、飛機部件、各類發(fā)動機和建筑物等大型物件到MEMS器件和數(shù)據(jù)硬盤組件等微小物件，甚至可以對發(fā)熱物體、旋轉(zhuǎn)表面、超聲波工具和復雜敏感的結(jié)構(gòu)進行測量。以聲學行業(yè)測量為例，為了保證所生成的樂器能產(chǎn)生美妙動人的聲音，激光多普勒振動儀可以盡早地通過振動測量來評判樂器的的聲樂品質(zhì)；激光振動儀還可以對大功率的揚聲器中可能產(chǎn)生的有害的振膜共振進行識別；甚至用于更為復雜的聲學研究，例如結(jié)構(gòu)聲學響應（聲場）預測，聲學成像和反聲音研究等等。

當激光多普勒振動儀在科研及生產(chǎn)中獲得越來越廣泛的應用時，其成本和價格則逐漸成為拓廣其應用的瓶頸。為了順應市場對激光多普勒振動儀的需求，摯感（蘇州）光子科技有限公司（下文簡稱摯感光子）推出了基于集成光學芯片技術(shù)的數(shù)字化的小型激光振動傳感器系列 （參見“激光位移傳感技術(shù)解析：工業(yè)激光傳感新方案”），實現(xiàn)了從昂貴儀器到通用化傳感器的跨越。這類小型激光振動傳感器采用類似的激光干涉測振設計（見圖1第一部分），本質(zhì)上是要求兩個源于同一光源的相干光束進行疊加干涉：其中一路光可以視為本地參考光，另一路則為實際測量目標后的回光。光學干涉方法不但可以放大回光的光學信號強度，而且可以通過正交干涉的光路設計直接獲得回光信號的光學相位，從而實現(xiàn)相位－速度－加速度的相關(guān)測量。

圖1：集成光學實現(xiàn)激光多普勒振動傳感器

在具體的產(chǎn)品實現(xiàn)上，摯感光子將激光干涉儀的關(guān)鍵光學部件完全集成到光學芯片里（見圖1第二部分），并進一步通過混合集成的方式，將光學芯片、激光器、探測器器以及探測用的光學鏡頭通過一體化的封裝集成到一個略等于半個火柴盒大小的模組里。這一設計不但可以近百倍的減小其體積，同時大大方便了激光振動傳感器的大規(guī)模量產(chǎn)，從而可以成10倍的減少其成本，為激光振動傳感器的廣泛應用奠定了基礎。除帶光學鏡頭的模組設計外，還實現(xiàn)了帶光纖尾纖的設計，使得其在應用場景上更加靈活 （見圖1第三部分）。圖2則在外觀上對比了Polytec最小體積工業(yè)產(chǎn)線用激光多普勒振動儀于與摯感光子的激光振動傳感器。

圖2：尺寸對比：Polyte IVS－500系列激光多普勒振動儀；

摯感光子MV－G系列激光振動傳感器模塊

為順應規(guī)模性的各類潛在應用，摯感光子已研發(fā)出不同類型的相關(guān)產(chǎn)品：

1）傳感模組，

摯感光子的振動傳感器模組作為一個完整的參考設計，即包含了可定制鏡頭（或光纖）的一體化光學模組，也包含了配套的驅(qū)動電路及內(nèi)置的相應算法。圖3所示的摯感光子Optical Audio Sensing Assembly （OASA）系列遠距離振動信號傳感器模組，該模組配備了適用于遠距離測量的較大口徑光學接口及高速采集電路和算法，可作為遠距離工作的拾音器來采集30米甚至更遠距離處背景物上所反應出的音頻振動信號。其典型的應用是可以集成到目前已普遍部署的城市監(jiān)控攝像頭里，使得各類攝像頭擁有了可以遠程拾音的功能。

圖3摯感光子的激光振動傳感器模組及典型應用舉例

2）傳感器模塊

一體化的激光振動傳感器模組可以在低成本的基礎上，以標準傳感器模塊的形式應用到大規(guī)模工業(yè)產(chǎn)線上。圖4顯示了一個典型的傳感器設計，小型化的模塊上配置有固定的或手動可調(diào)的鏡頭，所有測量的原始數(shù)據(jù)直接在模塊內(nèi)處理并通過標準的以太網(wǎng)接口將測量結(jié)果傳到主工控機上，多個傳感器也可以直接通過以太網(wǎng)交換機進行組網(wǎng)。這些模塊化的振動傳感器可以安裝在手機產(chǎn)線上，對手機的振動性能（如振鈴振動馬達的品質(zhì)、或手機屏幕發(fā)聲功能的品質(zhì)）進行在線檢測。

圖4：激光振動傳感器模塊及手機產(chǎn)線上應用

3）可快速定制的測量設備

無論是激光振動傳感器模組還是組裝好的傳感器模塊，由于其基本測振性能已達到普通設備級的標準，因此也可以通過定制化的設計為客戶提供低成本、高性能的特殊振動測量設備。圖5顯示了兩種典型的定制化方案：1）采用標準的激光振動傳感器，與高速振鏡模塊配合在一起，實現(xiàn)具有掃描功能的多功能激光振動儀；2）采用光纖式模組組合而成的，可多達32通道的多路振動測量系統(tǒng)，每路測量通道都有自己獨立的光纖連接式振動測量頭，體積小，方便靈活配置安裝位置，尤其適合復雜的多通道、多角度、多測量點的應用。

圖5：定制化設備案例：1）與振鏡結(jié)合；2）光纖多通道振動檢測

此外，摯感光子的激光振動傳感器還集成了絕對測距的功能，可以在進行高精度測振的情況下，重復不間斷的提供距離信息。

總體說來，摯感光子研發(fā)的激光振動傳感器通過領先的集成光學技術(shù)和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)高端設備到規(guī)模應用的跨越。考慮到消費電子產(chǎn)品，尤其是手機／平板電腦類產(chǎn)品的巨大需求和產(chǎn)量，當前的應用將主要面向消費電子自動化產(chǎn)線的大規(guī)模應用上，包括目前的半自動化產(chǎn)線和正在升級改造的全自動產(chǎn)線，著重在生產(chǎn)流程控制和品質(zhì)檢測為主的各類傳感器等具體應用場景。于此同時，在土木工程及其他相關(guān)領域，小型化低成本化的激光振動傳感器也將逐漸擺脫儀器抽查的應用模式而成為永久性的預設部件。
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