超高频范围内表面振动的测量

如今，越来越多的微制造的执行器，传感器和部件在高MHz范围内的频率振动。这种高频振动系统的一些示例是纳米机电系统（NEMS），微机电系统（MEMS），以及超声传感器和表面声波（SAW）滤波器，用于在医学应用中成像，例如．

为了测试这些设备的功能，验证现有的仿真模型和优化系统设计，需要测量它们的动态行为。激光测振仪可以用来测量振动而不需要任何接触，而且这些测量实际上是非侵入性的。

直到最近，Polytec振动计限于24 MHz的最高测量频率。这UHF-120超高频振动计可以方便可靠地测量以下系统(表1)的振动特性，例如频率高达1200兆赫兹。

表1。高频分量的典型频率范围

应用	频率范围
rf-mems.	1 MHz - >3 GHz
锯过滤器	10 MHz - > 60 GHz
NEMS	50 MHz - >1 GHz
HF超声传感器	1 MHz - > 1 GHz

UHF-120超高频振动计的测量原理与设计

UHF-120的操作原理基于激光多普勒干涉测量法，与所有其他Polytec振动器相同。当通过激光束从振动计击中移动物体时，散射背部的光的相位和频率被多普勒效应移位。这种相位和频移在干涉测量。

外差Mach Zehnder干涉仪集成到UHF-120传感器头中，包括显微镜光学器件（图1和2）。由于返回多普勒偏移激光与参考光束的干涉而发生拍摄信号。跳动是两个相干波的干扰具有相似的频率。

如果物体的位置向前和向后摆动。振动，一个相位和频率调制信号产生，包括所有的数据，对对象的振动。使用商用高频示波器，该信号以高达40 gigassamples /s的速率进行采样，然后进行数字化。这些数字化数据随后通过以太网传输到PC机上，然后使用Polytec的软件进行解调和分析。

图1。带传感器头(1)和控制器(4)的UHF-120。

图2。总UHF-120系统中的信息流。

UHF-120系统如图2所示，包括传感器头(1)、示波器(2)、测量计算机(3)以及控制器(4)，控制器是传感器头和测量计算机的接口。如果需要扫描(表面)测量，可以使用电动X/Y定位工作台来扩展整个系统。

测量超声波传感器

Fraunhöfer生物医学工程研究所（IBMT，St. Ingbert）开发了待测量的超声传感器的设计。这些传感器用于药物用于测量表面，细胞成像和腹部成像。目的是通过确定组织的外平面振动来建立空间中的3D声场分散。

超声波传感器的工作原理

两种超声波传感器都可以作为超声波的发射器和接收器(超声波换能器)。根据每个压电阵列的功能和工作方式，在阵列上方有阻抗匹配层(5 MHz)或薄膜(100 MHz阵列)。

当电压施加到压电阵列的限定字段时，可以改变幅度以及每个压电场的偏转阶段。压电效应使晶体振动（外平面），其透过薄膜或其上方的匹配层。

然后，自适应层或膜振动，产生超声波。通过控制压电场，可以改变超声波的频率和形状。如果为每个阵列元件选择正确的相位和振幅，低频传感器就可以产生一个聚焦的可变聚焦点的超声波。

传感器1的测量值（低频超声波传感器）

这种低频传感器用于腹部成像。它的表面积约为10 × 10毫米²振动频率为5 MHz。采用5倍目标来衡量，相机捕获1.42 x 1.1 mm的提交视图^{2 ．}

为了在整个表面上表征传感器，连续扫描并确定30个单独的字段（5×6）。在每个感兴趣区域（AOI）中定义了234个测量点。

在扫描过程中，在20µs的时间跨度内记录每个扫描位置的振动相位和振幅。触发信号来启动每个单独的测量的开始也被用作相位参考。然后，利用Polytec的软件将每个扫描场获得的数据进行组合和动画处理。

从振动动画拍摄的静止图像可以在图3到图10中观察到。总体振动时间约为5µs，峰值振幅为±40 nm(峰到峰)。所选测点的振动时间-时间剖面如图11所示。

图3到10。低频超声传感器的振动特性。

图11。所选测量点的幅度时间分布。

从上面的图像中，显而易见的是，超声波表面波可以以特定形状产生，具有压电阵列的调节激励和上方的薄阻抗匹配层。通过观察前四个单独图像中的振动的轮廓，可以看出膜的边缘区域，后面是中间区域的兴奋才能振动。

超声波的外层比中部开始得早。从而得到了理想的球形超声波类型，在一定距离后到达某一点。

IBMT的数据分析

使用Polytec软件获得的测量数据的初始动画已经允许IBMT的开发团队得出结论，膜的原理振动行为与现有的模拟匹配。此外，对测量数据的全面分析使得可以改善和纠正现有的振动模型。

在研究这些数据时，应该注意的是，在测量过程中，薄膜不是像在现实生活中那样在水中运行，而是在空气中运行，没有水产生的阻尼。

使用更新的仿真模型，IBMT现在可以更准确地模拟所产生的超声波的膜振动和3D传播。激光多普勒振动器提供了相当更快的替代方案，以评估传感器功能的3D噪声场的更传统的测量。

传感器2的测量（高频超声波传感器）

该传感器设计用于制造表面测量以及蜂窝成像。它以105 MHz的振动频率运行，表面积约为0.8×2.4mm²．

当测量高频超声传感器时，使用10x物镜扫描并测量总共三个相邻区域。将405个样本点分配给每个AOI。

与低频传感器相比，该传感器覆盖有1毫米厚的水层，薄片盖上盖板。这有助于使换能器的测量更加现实。

来自低频传感器的另一个差异，其中聚焦超声波由膜振动产生，高频传感器只能同时激发元件，结果可以执行一种扫描。

基于传感器上的接触点(图12)被控制，膜的不同区域被激发振动。例如，通过超声扫描测量，可以使膜的不同区域相互振动，在不同的位置传递水平声波。以这种方式产生的声波被反射到被测试的物体上，然后被超声波传感器检测到。

图12。显微镜下的高频超声传感器的图像与1毫米厚的水层和覆盖玻璃。

对超声换能器中部四个压电场进行激励后的结果如下9幅图所示(图13 - 21)。从这些图像中可以清楚地看出，薄膜的表面振动是由压电阵列在一个明确的区域内产生的。

在105mhz左右的振动下，膜的沉降时间约为0.5µs。膜的最大振幅略大于150pm(图13)。

根据膜的挠度形状可以看出，由于水层的强烈衰减，只有膜的正下方的压电激励区域才会开始振动。同时，这种膜还能明显地产生一种几乎平坦、同时聚焦、空间尖锐的声波。

图13至21。高频超声传感器的振动特性。

IBMT的数据分析

基于水中确定的面外振动¹，IBMT可以在空间上模拟生成的声场使用模型。水中的测量充当模拟声场的现实基础。

结论

使用UFC-120振动计可以很容易地高精度确定高频振动系统的振动特性。除了高数据精度外，所需的短时间是UHF-120振动计的一个主要优点，这在开发过程中是至关重要的。

通过换能器的表面测量确定超声波场所需的时间显着降低。作为使用Hydrophers测量3D声场的替代方案，可以通过一个或多个扫描的测量和后续模拟预测所得到的声场。

参考文献

¹使用高频传感器时，有必要确保传感器在水中移动。光路，即光所采取的路径，从几何路径乘以折射率计算。折射率为n = 1.33的水具有比空气更大的折射率（n = 1）。因此，在水中的光在1.33倍，振动计测量的路径为1.33太大。为了获得正确的幅度值，您必须将所有测量结果除以1.33，使用PSV软件与信号处理器一起使用。

此信息来源于Polytec Ltd.提供的材料，并经审核和改编。欧洲杯足球竞彩

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