用于检测表面声波的光学干涉系统的建立与研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 18 4 1.86MB 69 页 15积分

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摘要

表面声波是指一种能沿着固体表面传播的声波。它是针对体声波来说的。我

们可以把弹性介质比作一个分布式的质量弹簧系统，介质里面的每个质点的运动

情况共同表现出波穿过介质时的传播情况。粒子在一个自由表面的运动与在固体

内部的运动截然不同，因而波在固体表面的传播与在固体内部的传播是有所不同

的。这种边界因素构成了声波的一种独特的传播形式，它使声波可以只沿着固体

的自由表面传播，从而叫做表面声波。这种波的振幅随着传入固体的深度呈指数

函数形式的衰减。它在传播过程中可以传入固体大概一个波长。根据固体基底的

特性以及表面声波的激发形式不同，表面声波又可以分为瑞利波，兰姆波，水平

剪切表面声波以及其他通过光波导产生的导波。

表面声波设备，例如频率滤波器、谐振器、延时线、卷积器以及相关器等在

国内外很多领域有着广泛的应用。这些领域包括电子元器件、通信、雷达、化学、

生物技术等等。总体来说，这些表面声波设备相对体积小而轻，非常灵敏，并且

具有可以测量多种多样的输入量的内在性能。

到目前为止，最方便的表面声波的激发与检测装置是由加州大学伯克利分校

的怀特发明的交叉指型换能器（IDT）。这种交叉指型换能器应用压电晶体的压电

效应与逆压电效应使得晶体能在力与极化电之间耦合，从而用于产生和接受表面

声波。这一装置的劣势在于它需要在所要检查表面声波的机械表面安装这一装置，

而且不能在一些恶劣条件下工作，比如高温。

近些年，基于光学技术的非接触性这一主要优点，一些光学仪器被用来检测

表面声波。其中主要应用了衍射光栅技术的实现，刀口技术，光学干涉仪的应用，

静电探测技术等。光的干涉技术可以用来测量非常小的物理量的变化，比如温度，

距离，压力等这些可以影响到光的传播从而被检测出来的物理量。由于它的非接

触性以及不需要在被测物的表面固定其他硬件，因而在很多情况下可以更方便地

被用来检测表面声波。

干涉现象是指两波重叠时组成新合成波的现象。通常，两列来自同一辐射源

或者有几乎相同的频率的波在同一介质中传播，相向行进而重叠时，会发生干涉

现象。迈克尔逊干涉仪是在此原理上构造的光学干涉仪中最常见的一种。它的基

本原理是一束入射光被分成两束相同光后各自被对应的平面镜反射回来，这两束

光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改

变介质的折射率来实现。我们本课题的光学干涉系统的主要部件就是一个经过改

进的迈克尔逊干涉仪。

本课题是由科堡应用科技大学的传感器和执行器技术研究所给出的。本课题

目的是利用光学干涉仪建立一个光学干涉系统来检测研究所特有的交叉指型换能

器激发的表面声波。本课题的重点是利用我们建立的光学干涉系统检测出表面声

波以及进行相应的分析。由于我们从未直接检测出研究所的交叉指型换能器在固

体表面激发的表面声波的振幅，这一振幅可能小于几十个纳米，这使得找到可以

检测出我们的表面声波的光学干涉仪成为本课题的一大难点。本课题的另一大难

点是检测由正弦脉冲为输入产生的表面声波。我们的正弦信号频率为 1MHz，但由

于系统尤其是交叉指型换能器工作时的暂态效应，由正弦脉冲激发的表面声波不

再是只含有 1MHz 频率的脉冲波，而是一个在一定带宽范围的混叠波，这给我们

的研究分析带来了难度。

经过测试，最终我们选用了 SIOS 公司的 SP-S 120/500 激光干涉测振仪作为

我们光学干涉系统的主要部件。这一测振仪由两个部分组成：传感器头部件和电

源/信号分析部件。干涉仪的所有光学部件，除了激光源，全部包含在传感器头中。

传感器头的干涉仪是一个经过改进的迈克尔逊干涉仪，它可以把外部被测物体表

面（相当于一个反射平面）的运动情况转换到干涉图样中，再采用光电检测器收

集干涉光学量。电源/信号分析部件的任务是把从传感器头量化的光信号转换成电

信号，分析处理成我们所要的振动距离信号，并且通过软件显示在电脑的显示屏

上。我们采用 IP 公司的 M-511. HD 纳米精度定位仪来固定、移动和校准被测物的

位置。这一定位仪结合了压电弯曲驱动器和伺服电机的优点，可以承受 50 千克的

物质并且准确移动定位在纳米级。对于表面声波激发部分，我们采用实验室特有

的交叉指型换能器来产生表面声波。我们把玻璃片、铝板、硅片等作为基板，把

交叉指型换能器固定在这些基底上，并将交叉指型换能器的另一端通过 BNC 接头

连接到信号发生器。这样输入的连续正弦信号或正弦脉冲信号就能通过交叉指型

换能器在基板上激发出相应的驻波和脉冲波（行波）形式的表面声波了。

实验中，在系统工作状态良好并且激光源充分预热后，我们先要确定想要检

测出表面声波的位置。接着，固定基板以及传感器头，通过调节定位仪及传感器

头的调整螺丝使被测点正好在入射激光的焦平面上，并且使被基板表面反射的激

光束正好穿过传感器头对准标线的中央位置，从而可以被光电检测器接受。然后，

我们把电源/信号分析箱的 EM-10 光电输入模块上的两个通道的信号（来自干涉仪

的两个反射光束）接到示波器的 X-Y 模式下，通过调节 RG-10 数字控制器模块上

使示波器上显示半径最大，闭合圆并且有最小噪音的利萨如图形。这是完成干涉

系统校准最关键的一步。然后我们就可以开始检测实验了。电源/信号分析箱的

RE-10 数据处理模块可以把从 EM-10 光电输入模块中得到的模拟信号处理转换成

相应的 ASCII 码字符串，通过 RS-232 或USB 接口传输到普通电脑上。从 INFAS

振动软件的显示窗，我们可以观测到振动位置的测量结果以及相应的快速傅立叶

变换（FFT）。为了更好的分析测试后的数据，我们把得到的数据信号利用 Matlab，

主要是其中的信号处理工具箱（SPTool）进行相应的信号滤波处理，绘图并进行

进一步的分析。

我们的实验成功地检测出在各种基底表面上传播的两种形式的表面声波，驻

波和脉冲波。在由连续正弦信号产生的驻表面声波的实验中，我们对波的基本属

性进行了研究。以振幅为 10V 的连续正弦信号作为输入，在铝板上的瑞利波在

1MHz 的输入下达到最大振幅，大概为 6nm. 在不同基底上的表面声波的振幅有所

不同，但基本上都是几个纳米。以驻波形式存在的表面声波在铝板上的波长范围

在2.5mm 到3mm 之间，与交叉指型换能器的两个正极指的距离大致相等。随着输

入信号振幅的增大（增大输入电压），表面声波的振幅也相应随之增大。但可能由

于电压的增大使 IDT 的压电晶体温度升高，导致测量结果并不是线性增大的。对

于以脉冲形式存在的表面声波，我们对振动距离测试的结果，压电晶体以及整个

干涉系统的暂态效应导致的不规则的信号进行了分析和滤波处理。我们还研究了

改变脉冲间隔，改变输入信号振幅时测试结果的变化，以及铝板边界对反射表面

声波的影响。

总体来说，实验结果与理论上的预测大致相符。除干涉系统本身对环境的温

度，压力，湿度进行数据矫正外，我们也采用了隔振性较好的光学面包板等来减

少由外界坏境给实验带来的影响。但对于更深层次的研究分析，尤其是对脉冲型

的表面声波的研究，我们仍需要大量的实验数据以及更好的数据处理方法。比如

由于复杂的脉冲型的表面声波的实验数据，我们需要研究更好的滤波处理方法。

另外我们也可以尝试采用其它干涉技术的激光多普勒测振仪或者法布里珀罗干涉

仪作为主要部件构建整个光学干涉系统。

本课题采用光学干涉仪检测出表面声波，由于它的非接触性以及不需要在固

体表面安装任何设备，可以给今后表面声波领域带来广泛的应用，比如，对轴承

润滑油状态的在线控制。对一些机械设备来说，轴承润滑油状态决定了设备的运

行功能的好坏和设备的安全性。如果在固液表面产生的表面声波可以通过光学干

涉仪得到检测，我们就可以通过分析检测结果对轴承润滑油的状态进行实时监控。

此外，对在一个密封的，不透明的瓶子里的液体特性的检测可以看作本课题的另

一个应用。

ABSTRACT

The detection and measurements of surface acoustic waves (SAWs) is becoming

significant due to the success and wide applications of SAWs devices, such as frequency

filters and delay lines. The interferometric technology can be applied to detect SAWs

and measure their properties. This technique is attractive because it is working

contactless, no perturbation of the SAWs, scatheless to the operation of the SAW device,

instantaneous and sensitive. In this thesis, an optical interferometer system, the main

part of which is a modified homodyne Michelson interferometer, was built and used to

detect SAWs as well as to measure and study their properties. Research was done on the

amplitudes and wavelengths of the standing SAWs. Moreover, the behaviour of the

SAWs under frequency changes, amplitude changes of the input signal has been tested.

There have also been experiments to check the behaviour of the SAWs when the

interdigital transducer (IDT) is driven by sine bursts. The results of the experiments are

reasonable and show what would theoretically be expected.

Key Word: SAW, Michelson interferometer, interferometer system,

Matlab, standing SAW, SAW burst

Table of contents

ABSTRACT

ABSTRACTABSTRACT

ABSTRACT

1. Introduction ............................................................................................................... 1

1.1 Introduction to Surface Acoustic Waves......................................................... 1

1.2 Excitation and detection of SAWs .................................................................. 3

1.3 Optical detection ............................................................................................. 4

1.4 My thesis......................................................................................................... 5

2. Optical interferometer................................................................................................ 7

2.1 Interference phenomenon................................................................................ 7

2.2 Interferometry technology............................................................................... 8

2.3 Interferometers................................................................................................ 9

2.3.1 Michelson interferometer ..................................................................... 9

2.3.2 Laser Doppler Vibrometer.................................................................. 13

2.3.3 Fabry Perot Interferometer ................................................................. 15

2.3.4 Other interferometers.......................................................................... 16

3. Interferometer system setup for the experiments .................................................... 17

3.1 SP-S 120/500 Laserinterferometric Vibrometer............................................ 17

3.1.1 The sensor head.................................................................................. 18

3.1.2 The Power-Supply/Signal-Analyzer Unit........................................... 19

3.1.3 Object requirement and environmental influence .............................. 22

3.2 M-511. HD Nano-Precision Heavy-Duty Stage............................................ 23

3.3 Excitation of SAWs....................................................................................... 25

3.4 Software ........................................................................................................ 26

3.5 Measurement process with the interferometer system and data analysis. 26

3.5.1 Building of the IDT construction........................................................ 27

3.5.2 Setting the measurement point ........................................................... 28

3.5.3 Exciting the SAW............................................................................... 28

3.5.4 Preparation before the aligning of the SP-S 120/500

Laserinterferometric Vibrometer ...................................................................... 28

3.5.5 Aligning the SP-S 120/500 Laserinterferometric Vibrometer............ 29

3.5.6 Acquisition of the measurement data ................................................. 36

3.5.7 Data analysis in Matlab ...................................................................... 39

4. Experiment results and discussion........................................................................... 45

4.1 Experiment results for standing SAWs......................................................... 45

4.1.1 The amplitudes of the standing SAWs ............................................... 45

4.1.2 The wavelength of the standing SAWs............................................... 47

4.2 Experiment results for SAW bursts............................................................... 48

4.2.1 The properties of the SAW bursts....................................................... 48

4.2.2 Other experiments on the SAW bursts................................................ 55

5. Conclusion............................................................................................................... 58

6. Acknowledgements ................................................................................................. 59

List of figures ................................................................................................................. 60

List of tables ................................................................................................................... 61

Reference........................................................................................................................ 62

1. introduciton

Introduction

1.1 Introduction to Surface Acoustic Waves

A surface acoustic wave (SAW) is an acoustic wave propagating on the surface of a

solid material. The amplitude of a SAW is decreasing exponentially as a function of

depth into the substrate.

The term surface acoustic wave originates from the fact that contrary to bulk waves. An

elastic medium behaves as a distributed mass-spring system in which displacement of a

single element results in the propagation of a disturbance throughout the medium. A

particle at a free surface is different from one interior to the solid. Thus, disturbances at

a surface can behave somehow different from those in the interior of a solid. In fact,

such kinds of boundary considerations give rise to unique mode of propagation that can

only exist at the free surface of a solid. Therefore, the family of acoustic waves is

separated to bulk acoustic waves and surface acoustic waves. The SAWs travel along

the surface and penetrate about one wavelength into the surface (where the depth of

penetration is defined by the depth at which 95% of the wave energy is transmitted

[1, 2]

Depending on the properties of the substrate and the method of excitation, several types

of SAWs can be excited on the solid surfaces as shown in figure 1.1. The most widely

known type is referred to as a Rayleigh wave named after Lord Rayleigh who published

the first paper with a mathematical solution describing a surface acoustic wave

[3]

1885. This kind of wave penetrates into the solid about one wavelength during

propagation and possesses two displacement components: a longitudinal component

along the direction of propagation and a transverse one perpendicular to the surface.

This wave mode has found widespread technical applications in SAW devices used in

electronic circuits, such as for filter, resonator or delay line and so on.

Fig. 1.1 Some modes of the SAWs (Rayleigh Wave and Plate Waves)

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摘要：

摘要表面声波是指一种能沿着固体表面传播的声波。它是针对体声波来说的。我们可以把弹性介质比作一个分布式的质量弹簧系统，介质里面的每个质点的运动情况共同表现出波穿过介质时的传播情况。粒子在一个自由表面的运动与在固体内部的运动截然不同，因而波在固体表面的传播与在固体内部的传播是有所不同的。这种边界因素构成了声波的一种独特的传播形式，它使声波可以只沿着固体的自由表面传播，从而叫做表面声波。这种波的振幅随着传入固体的深度呈指数函数形式的衰减。它在传播过程中可以传入固体大概一个波长。根据固体基底的特性以及表面声波的激发形式不同，表面声波又可以分为瑞利波，兰姆波，水平剪切表面声波以及其他通过光波导产生的导波...

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