鄭華銀，石庚辰，孫韶春

（機電動態(tài)控制重點實驗室，北京 100081）

0 引言

微機電系統(tǒng)（MEMS）是將微電子技術(shù)與微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了微電子與微機械融為一體的系統(tǒng)［1］。微結(jié)構(gòu)是MEMS系統(tǒng)的重要組成部分，其運動特性直接影響整個系統(tǒng)的性能及可靠性。隨著科技的發(fā)展，MEMS測試技術(shù)越來越受到重視，其中機構(gòu)的動態(tài)特性測試技術(shù)在MEMS研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程中具有重要的意義。微機電系統(tǒng)幾何尺寸小、集成度高，使得常規(guī)測試方法與技術(shù)不能完全滿足測試要求，探尋新方法、新技術(shù)顯得尤為重要。

MEMS微結(jié)構(gòu)的主要運動參數(shù)有位移、速度、振動及頻率等。目前應(yīng)用比較廣泛的微結(jié)構(gòu)運動參數(shù)檢測技術(shù)及方法有：1）計算機微視覺與頻閃光照明技術(shù)［2－5］，主要對微位移［6］及微馬達(dá)轉(zhuǎn)速［7］進(jìn)行測量；2）激光多普勒振動測試技術(shù)［2］，主要對微結(jié)構(gòu)的位移及振動進(jìn)行測量；3）光纖技術(shù)［2］，利用光纖傳輸［3］中光強的變化可測量位移、振動頻率等參量，應(yīng)用該技術(shù)制作的光纖邁克爾遜干涉儀可用于高頻運動檢測；4）當(dāng)攝像的曝光時間較長時，利用微結(jié)構(gòu)周期往復(fù)運動造成圖像中的時間平均效應(yīng)，可進(jìn)行最大運動幅度的測量［4］。

以上這些技術(shù)取得了較好的效果，但對測量設(shè)備和實驗條件提出了苛刻的要求，并且算法復(fù)雜，成本較高。針對上述問題，本文提出了采用光電傳感器進(jìn)行非接觸式微結(jié)構(gòu)運動參數(shù)測試的方法。

1 光電傳感器原理

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器，可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度等，也可檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如速度、位移、振動等。按光電元件輸出性質(zhì)可分為模擬式和開關(guān)式光電傳感器，其中模擬式按被測量方法又分為透射式、漫反射式和遮光式。

光電傳感器選用漫反射非接觸式高精密光反射型傳感器，圖1為其工作原理示意圖。該傳感器由一個波長為655 n m的發(fā)光管和一個與之匹配的光檢測器組成，分辨率可達(dá)0.178 mm。光線由發(fā)光管發(fā)出，經(jīng)透鏡聚焦后，照射到被測物體上，反射光線再經(jīng)透鏡返回到光檢測器上，根據(jù)照射到光檢測器上的光量不同，傳感器輸出電流不同。

圖1 光電傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of opti-eletro sensor

傳感器的透鏡為一個分叉非球面透鏡，將發(fā)光管和探測器比較敏感的區(qū)域聚焦為一個微小的光點。當(dāng)發(fā)光管發(fā)出的光照射到被測物體平面上時，光電探測器能夠可靠接收到光反射信號，并轉(zhuǎn)換為電流信號。

輸出電流按照公式（1）進(jìn)行微弱信號放大和電流電壓轉(zhuǎn)換。

式中，IPT為總光電流，VO為輸出電壓，Rf為反饋電阻，R1、R2為分壓電阻。

總光電流滿足如公式（2）：

式中，IPR為反射光電流，IPS為雜散光電流，即因內(nèi)部反射而引起器件感應(yīng)的電流。

2 微結(jié)構(gòu)運動參數(shù)測試方法

光電式檢測方法是利用光電原理進(jìn)行非接觸式測量的方法，具有高準(zhǔn)確度、高分辨力、高可靠性和抗干擾能力強等優(yōu)點［8］。本文采用上述光電傳感器進(jìn)行光電式微結(jié)構(gòu)運動參數(shù)測試方法設(shè)計，測試系統(tǒng)如圖2所示。光電傳感器對反射光信號進(jìn)行探測并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路放大，并由微控制器進(jìn)行采集、運算控制，即可獲得待測參數(shù)。

圖2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The signal pr ocessing circuit

由式（1）和式（2）可知：當(dāng)反射光電流為零時，輸出電壓不為零，與雜散光電流有關(guān)。所以進(jìn)行放大電路參數(shù)設(shè)計時，對雜散光電流的處理要得當(dāng)。應(yīng)保證雜散光電流最大，無反射光電流時，輸出電壓為零；雜散光電流最大，且有較小反射光電流時有較大輸出電壓。在最佳距離處，傳感器的有效光電流為n A級，本系統(tǒng)設(shè)計的電流電壓轉(zhuǎn)換放大電路，放大倍數(shù)為0.5×108，使得此時輸出電壓為5 V。

2.1 微發(fā)電機轉(zhuǎn)速測試方法

采用光反射型傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量時，由于傳感器對光反射有很高的靈敏度，可在轉(zhuǎn)軸上做一標(biāo)記，使得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動N圈，輸出電壓高低變化N次，記錄轉(zhuǎn)動時間，并由式（3）即可求得轉(zhuǎn)速。

圖3 軸標(biāo)記Fig.3 Axis mar k

轉(zhuǎn)軸標(biāo)記方法很多，可以利用不同顏色或不同粗糙度反射面對光反射強度不同的特點，對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行標(biāo)記；或利用反射面距傳感器的距離不同而反射強度不同的特點對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行標(biāo)記。本文采用后者。如圖3，將軸的一端加工一個凹平面，當(dāng)正對距離有所變化時，會引起輸出電壓的改變。分析輸出電平的變化情況，即可獲得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動情況。

2.2 微隔爆機構(gòu)運動測試方法

采用光反射型傳感器進(jìn)行微隔爆機構(gòu)運動測量，例如運動時間、振動周期等，要求隔爆機構(gòu)具有可檢測標(biāo)記，通過傳感器對不同標(biāo)記敏感程度不同對微結(jié)構(gòu)運動參量進(jìn)行測量。如果隔爆滑塊上加工有齒輪形成齒條，與鐘表機構(gòu)相嚙合時，通過對齒的檢測可轉(zhuǎn)換為對引信微鐘表機構(gòu)的振動周期的測量；如果隔爆滑塊上加工有定位標(biāo)記，利用傳感器對顏色或距離反射的差異可進(jìn)行安全保險機構(gòu)解除保險時間的測量。

3 應(yīng)用舉例

3.1 傳感器基本性能測試

為進(jìn)一步說明測試系統(tǒng)的適用場合，對傳感器基本性能進(jìn)行研究。經(jīng)過實驗驗證，該傳感器在最佳距離處光斑直徑小于0.5 mm，可對結(jié)構(gòu)尺寸較小的測試件進(jìn)行測量。無論被測面是圓弧面還是平面，照射光斑不會發(fā)散，接收性能及輸出效果良好，但要求檢測方式為垂直照射，傾斜照射時無輸出。

研究傳感器能夠識別的最小結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行如下實驗。選取截面寬度尺寸為380μm、250μm、150 μm及100μm的銅片測試件進(jìn)行測試，觀察放大器輸出電壓情況。對同一寬度尺寸測試件進(jìn)行如下實驗，首先記下第一組輸出電壓值，當(dāng)?shù)诙M輸出電壓值比第一組數(shù)據(jù)大時進(jìn)行記錄，否則不記錄，總共記錄了四組數(shù)據(jù)。檢測可以分辨的最小寬度尺寸及不同寬度尺寸下可以達(dá)到的最優(yōu)輸出值。表1記錄了不同寬度尺寸測試件輸出電壓值。

表1 不同截面尺寸測試件的輸出電壓值Tab.1 Sensor output voltage on different section size

經(jīng)驗證，寬度為100μm的測試件最小輸出電壓為0.14 V，信號較弱，可通過增加二級放大電路來提高輸出，獲得可用幅值的信號。由此可知，傳感器的實測位移分辨力可達(dá)到100μm，優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)。寬度為380μm的測試件最小輸出電壓為0.94 V，可以直接為后級信號處理電路使用。上述實驗數(shù)據(jù)與獲取最佳距離及對準(zhǔn)方法有關(guān)，如果提高對準(zhǔn)精度并獲得最佳距離，則測量結(jié)果會更好。

3.2 微型氣動渦輪機轉(zhuǎn)速測試

本實驗要完成對微型氣動渦輪機轉(zhuǎn)速的測試。微渦輪機的轉(zhuǎn)軸直徑很小，高速旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速很難測量。在傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機械研究中，轉(zhuǎn)速的測試方法［9］主要有機械式、電氣式、光電式等。機械式結(jié)構(gòu)簡單，但屬于接觸式測量精度較低。電磁式精度較高，但會產(chǎn)生電磁阻力距。與前兩者相比，光電式屬于無損測量，不會對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響。

微渦輪機轉(zhuǎn)軸最小直徑為0.8 mm。通過測試實驗確定微渦輪機在某一風(fēng)速的作用下，所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速。

實驗裝置如圖4所示。在實驗中，空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣作為氣源，用來模擬不同風(fēng)速的加載環(huán)境。噴嘴噴出的空氣流速度由風(fēng)速測量裝置測量。光電傳感器對微渦輪機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 Experi mental setup schematic diagram

經(jīng)實驗得到了微渦輪機在風(fēng)速為25 m／s、50 m／s和80 m／s作用下的傳感器輸出信號，如圖5所示。

測試中，當(dāng)風(fēng)速從0增加到25 m／s時，微渦輪機開始轉(zhuǎn)動，如圖5（a）所示，轉(zhuǎn)速為150 r／min。增大風(fēng)速到50 m／s時，轉(zhuǎn)速增加到3 500 r／min，如圖5（b）所示。如果繼續(xù)增大風(fēng)速到80 m／s，如圖5（c）所示，轉(zhuǎn)速達(dá)到約10 000 r／min，此時波形不易分辨，因此，測試系統(tǒng)適合對轉(zhuǎn)速低于10 000 r／min微轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測量。

圖5 不同風(fēng)速作用使傳感器輸出信號Fig.5 Sensor output under different wind speed

3.3 微隔爆機構(gòu)運動測試

據(jù)傳感器可識別的最小截面尺寸，對隔爆滑塊齒條齒數(shù)進(jìn)行分辨試驗。齒條上共有4個齒，齒距為0.314 mm，齒高為0.190 mm，齒根厚為0.223 mm。

試驗時，移動微結(jié)構(gòu)齒條，光電測量裝置輸出波形如圖6所示。圖中四個脈沖信號為移動四個齒的測試輸出信號。輸出曲線的不均勻是由移動齒條的速度不均勻造成的，但是仍可以清晰分辨齒的數(shù)量。試驗結(jié)果表明，由于其分辨力很高，所以本文測試的微隔離機構(gòu)中的隔爆滑塊如圖7所示?；瑝K上加工有齒輪形成齒條，齒條與鐘表機構(gòu)嚙合。該方法可對引信微鐘表機構(gòu)的運動特性，如振動周期、作用時間等進(jìn)行測試，隔爆滑塊平動速度為0.2 m／s。同時，還可以用來對其他引信MEMS機構(gòu)的運動特性進(jìn)行測試。

圖6 齒數(shù)檢測輸出波形Fig.6 Output wavef or m of gear detection

圖7 隔爆滑塊齒條結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure chart of explosion-proof slider rack

4 結(jié)論

本文提出了一種非接觸式微結(jié)構(gòu)運動參數(shù)測試方法，該方法采用高精密光反射型傳感器，并通過對輸出信號進(jìn)行調(diào)理實現(xiàn)。試驗表明：1）該方法的實測分辨力可達(dá)100μm；2）當(dāng)轉(zhuǎn)速低于10 000 r／min時，該方法能夠?qū)?.8 mm直徑轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量；3）該方法可對引信微鐘表機構(gòu)的振動周期、作用時間等進(jìn)行測試。因而，可應(yīng)用于在微型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)或者帶有凸凹形狀的滑塊等引信機構(gòu)的轉(zhuǎn)速、位移等運動量測試的領(lǐng)域。

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