壓電變壓器驅動架構

高功率壓電變壓器的驅動裝置如圖 4- 所示。為了能夠反覆的作實驗，且確定 每一次驅動壓電變壓器的正弦訊號起始相位為固定，以利實驗能夠準確的量測到驅 動壓電變壓器振動時的特定瞬時時間點，故採用個人電腦加一張 DAQ 卡，以 LabVIEW^TM程式控制此 DAQ 卡，當 DAQ 卡接受到一觸發訊號，即開始輸出一固 定相位的正弦訊號，實驗中使用的DAQ 卡為 NI 的 PCI-6110E，其輸出訊號頻率可 達 5MHz，故可用於輸出高達 500KHz 的正弦訊號，實驗中量測壓電變壓器的第二 共振頻，約70~80KHz，故選擇此 DAQ 卡來輸出正弦波。

40

PC LabVIEW^TMProgram

NI PCI-6110 DAQ Card

Power amplifier Oscilloscope

CH1 CH2 CH3 CH4 EXT CAL

R_L

`

V_in V_out

Trigger signal

transformer

Trigger in

圖4- 19 壓電變壓器之驅動架構

由 DAQ 卡輸出的正弦訊號經一功率放大器 NF-HSA4052[29]及一電磁變壓器將 其電壓放大，以產生夠大的驅動電壓接到壓電變壓器的輸入端，在壓電變壓器的輸 出端則接上100KΩ的負載，以使阻抗匹配。

同時由於壓電變壓器在高功率時驅動過久，會使熱量累積造成溫度上升，並造 成共振頻率的飄移，為了去除溫度因素對壓電變壓器的影響，在實驗中以LabVIEW 程式控制輸出一50ms 的短暫時間即暫停，並以雷射的同步器來控制以 1Hz 的頻率 輸出一觸發訊號給DAQ 卡驅動壓電變壓器。需要注意的是 DAQ 卡不產生訊號後的 輸出電壓會停留在最後的輸出電壓，為了實驗量測的準確性和重複性，在輸出完 50ms 的正弦波後，需再以程式控制輸出一 0V 的電壓，以確定每一次驅動的初始值。

圖 4- 顯示在此一驅動架構下，送入一觸發訊號（channel 1）至 DAQ 卡後，壓 電變壓器的輸入電壓（channel 3）、電流（channel 2）和壓電變壓器的輸出電壓(channel 4)瞬間振動的波形。由此圖可看出觸發訊號一送出壓電變壓器即開始產生振動，重 複觀察數次可發現每次觸發後壓電變壓器的初始輸出、輸入之電壓與電流的波形皆 維持在固定的相位。由圖4- 則可觀察出壓電變壓器在觸發後開始振動，經過 0.5ms 後振動即進入穩定的狀態，故量測壓電變壓器穩定振動的狀態可以選擇在觸發後 0.5ms 至 50ms 內。

41

圖4- 20 接受觸發訊號後壓電變壓器的輸出與輸入電壓變化

圖4- 21 壓電變壓器輸出與輸入電壓變化

在相同的架構下，以 GPIB 卡控制訊號產生器輸出正弦波，以固定輸入峰值至 峰值100V 及 200V 的電壓對壓電變壓器作掃頻的動作同時取回輸出、輸入的電壓和 電流訊號，此時壓電變壓器的負載仍接100KΩ，則可得到圖 4- 輸入功率對頻率圖 及圖4- 峰值至峰值的輸出電壓對頻率圖。由圖中觀察可知在在輸入 100V 及 200V 之下，壓電變壓器的振動仍為線性，在共振頻的兩側互相對稱，在頻率73KHz 附近 皆有最大的輸入功率及最大的輸出電壓，由圖4- 可知在 73KHz 附近亦有最大的工 作效率，此時的工作效率皆在0.97 以上。故在作實驗量測時，將輸入正弦波訊號設 定在73KHz 作量測。

42

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

69 71 73 75 77 79

Frequency (KHz)

Input Power (W)

100V 200V

圖4- 22 負載 100KΩ下，固定輸入峰值至峰值 100V、200V 之下壓電變壓器輸入功 率對頻率圖

0 500 1000 1500 2000

69 71 73 75 77 79

Frequency (KHz)

Output Voltage (V )

100V 200V

圖4- 23 負載 100KΩ下，固定輸入峰值至峰值 100V、200V 之下壓電變壓器輸出電 壓（峰值至峰值）對頻率圖

43

Sensing & Actuating Center

CCD CAMERA

ZigZag

44

間點的影像資訊，再透過相移法及一連串的影像處理即可得到一系列的暫態變形資 訊。

time

Δt time First pulse

Second pulse

圖4- 26 時序示意圖 4.1.13 光場架構

傳統電子斑點干涉術面外及面內變形的架構已於第二章中介紹，然而若要同時 量測三維的變形資訊，並無法將兩種光場同時架構在一個系統中。在本實驗架構中，

只使用一組物光和參考光，以三隻CCD 在不同角度進行拍攝取像。

如圖 4- 、圖 4- 光場架構圖所示，雷射光源經過平凹透鏡擴束後經由 NPBS1 分成物光和參考光，分別打向壓電變壓器和參考面，由壓電變壓器和參考面散射回 來的光分別經由NPBS1、NPBS2 和 NPBS3 回到三隻 CCD 進行記錄。

SP PIV-400-15

Nd:YAG Pulse Laser mirror lens

Reference plane

CCD1 CCD2

NPBS 1

NPBS2

X

Z Piezo

transformwer PZT

圖4- 27 光場架構圖 XZ 平面

45

46

47

4.2.2.1 Homodyne 干涉儀架構

Homodyne 干涉儀是最基本的單頻干涉儀架構，如傳統的 Michaelson 干涉儀或是 Mach-Zehnder 干涉儀架構。如圖 4-31 是一標準的 Mach Zehnder 干涉儀架構。

48

光偵器所看到的是光強的訊號，故光偵器 D1 與 D2 看到的訊號分別是

( E

_r

− E

_s

) ( ⋅ E

_r

− E

_s

)

_與

( E

_s

− E

_r

) ( ⋅ E

_s

− E

_r

)

_，

光強 ID 為將此兩信號相加後可得，

I

_D

= I

_r

+ + I

_s

2 I I

_{r s}

cos( 2 π f t

_d

+ φ )

， (4.92) 其中

I

_r

+ I

_s是定值也就是訊號中直流項的部分，而後面的餘弦部分就是其干涉

項，而頻率

f

_o也就是前面提到的都卜勒頻率與物體移動的關係是

f_o

=

f_d

= [( / )sin( / )] 2 λ θ 2

V_{Z ， (4.93)}

其中

θ

是向量

k

₁與

k

₂的夾角，在這裡是

180

，所以可得到此干涉項頻率與待測面 移動速度之間的正比關係。但是，由前面的關係式可以看出當物體往負方面移動時，

不存在負頻率，所以正負的速度都會對應到正頻率，其關係如圖4-32。因此這樣的 干涉儀架構只能量測到物體的速度，但是不能知道速度的方向，這就是所謂的方向 之不可分辨性 (directional ambiguity) 。

f

d

V

z

U f_d = ⋅

∆ θ

λ2sin

圖4-32 待測面速度與干涉項頻率關係

49

4.2.2.2 Heterodyne 干涉儀架構

Heterodyne 干涉儀架構是以雙頻干涉的方法，運用了兩道不同頻率的雷射光進 行干涉以解決方向之不可分辨性的問題，其特性為非接觸性、高精度，並且容易架 設在不同的測試環境中，因而成為現今量測微小位移量的重要儀器。一般傳統的雷 射都卜勒干涉儀/振動儀就是以這種 Heterodyne 的架構作高精度的位移與振動量測 系統，常應用在如: 航太工業中的機體振動測試，或是揚聲器或其他小結構的振動 測試或模態測試等。

因為Heterodyne 干涉儀需要兩道不同頻率的雷射光相干涉，又必須維持兩道光 相干涉的同調性，所以一般的做法是使用單一雷射光源在分光後，將其中一道光經 過特殊的移頻器來移頻。可以用來將雷射光移頻的光法有很多，如: 旋轉光柵 (rotating grating)、聲光調變器 (AOM, Acousto-optical modulator or Bragg Cell) 、電 光調變器(EOM, Kerr effect electro-optic modulator)等。

因為使用的方便性與價格的因素一般干涉儀最常用的是 AOM，以下將介紹的 干涉儀架構就是使用 AOM 移頻。Heterodyne 干涉儀的代表性架構如圖 4-33 為德 國 Polytec 公司所生產的光纖干涉振動量測儀之光學組態。由控制 He-Ne 雷射的 旋轉方向，以調整雷射的偏極方向，選擇適當之非偏極分光鏡(NPBS1)，使通過其 後之兩道光光強相等，而後導入極化分光鏡 PBS1 與 PBS2 中，兩道頻率為 fl 的 線性偏極光經光纖導出機箱，並在物鏡前由四分之一波板(quarter wave plate) 轉成 圓偏極光。由於都卜勒效應，當待測的兩個表面相對移對時，會造成雷射光的頻率 移動，因而第一道光的頻率變成 f_l +∆f_d1 ，而第二道光的頻率變成 f_l+∆f_d2 ，其中∆f_d1 與 ∆fd2 的頻率移動就是由物體移動所造成之都卜勒效應。

50

圖4-33 Polytec 光纖振動/干涉儀光學架構

在一般的雷射都卜勒干涉儀中，一般的設計都使用聲光調變器在光路中先對其 中一道光做移頻，其原因為消除在這種移頻效應中之方向之不可分辨性。當第二道 光經過聲光調制器其頻率移動 fa ，其頻率變成 fl+∆fd2+fa ，經過後端的電路處理與 調變，最後可得到一個 fa / Cd+∆f ，其中常數 Cd 決定於後級使用的處理電路，目 的是將頻率在電路中降頻到電子可解析的範圍，而∆f=fd2 – fd1 。而對應的相對物體 移動速度則可用都卜勒效應的理論得到。且因為 fa的存在可以將速度的零點上移離 開頻率的原點，使得負速度也能對應到正的頻率，如此可解決方向不可分辨性的問 題，如圖4-34。

51

f

d

V

z

f

a ^∆Vz

z

d V

f =− ⋅

∆ θ

λ2sin

圖4-34 Heterodyne 都卜勒頻率平移對速度圖

聲光調變器的工作原理如圖4-35 所示，當外界電壓驅動時聲光調制器內部的透明晶 體或玻璃機材會被激發產生震盪，若驅動的電壓頻率固定時，在此晶體就會形成一 個固定間距(pitch)的移動光柵(moving grating)。假設 L 為聲光作用長度(light-sound interaction length)， Λ 為聲波波長，λ為雷射光在此介質中的波長，當下式成立時

2

L λ

>>Λ

, (4.94)

對於雷射而言在此一作用區間聲波看起來就如同一個間距很細的繞射光柵 (diffraction grating)，而根據繞射原理，我們可求得此時的布拉格角為

B 2 θ λ

= π

, (4.95)

一般而言，聲光調變器驅動的頻率約為數十 MHz 左右，端看使用者選擇的聲光調 變器種類而異。因此當繞射產生時除了零階繞射光外，其他較高階數的繞射光都會 被調製上一個特定的頻率，如圖 2.8 所示，這個特定的頻率也隨著不同階的繞射光 而不同。Heterodyne 干涉儀就是利用聲光調變器的移頻特性，事先將工作點移離開 頻率原點，所以當物體振動時就可以由解頻出來的頻率大小去求得待測物體的運動 方向、速度及震盪頻率等資訊，在本論文中面內部分的量測光路即是採用此一種 Heterodyne 干涉儀的架構。

52

圖4-35 聲光調變器工作原理

圖4-36 聲光調變器架構

53

4.2.2.3 Quadrature 干涉儀架構

Quadrature 的干涉儀使用光學光路的架設造成 Quadrature 訊號(兩相位差 90 度 的弦波)，由兩弦波的相對斜率與正負可因而判斷物體的方向，而解決方向不可分辨 性的問題。

前面所介紹的傳統Heterodyne 雷射干涉儀雖然有非接觸性，高精度，高感度等優點，

但是其最大的缺點則是因為聲光調變器的存在，一般如做 20MHz 的移頻，則此聲 光調變器將成為後級處理電路的高頻干擾源造成電路設計上的困難。並且移頻的頻 寬同時也決定可解析訊號的頻寬，太高的頻寬會造成後級電路無法處理，因此目前 一般市售的Heterodyne 解頻的能力很難向下突破。況且聲光調變器的存在也同時限 制了光機的體積，使整體干涉儀的體積沒有辨法小下來。傳統干涉儀中另一個常見 的問題是到達待測物表面的光是圓偏極光，因此當兩待測物表面反射率差別很大

但是其最大的缺點則是因為聲光調變器的存在，一般如做 20MHz 的移頻，則此聲 光調變器將成為後級處理電路的高頻干擾源造成電路設計上的困難。並且移頻的頻 寬同時也決定可解析訊號的頻寬，太高的頻寬會造成後級電路無法處理，因此目前 一般市售的Heterodyne 解頻的能力很難向下突破。況且聲光調變器的存在也同時限 制了光機的體積，使整體干涉儀的體積沒有辨法小下來。傳統干涉儀中另一個常見 的問題是到達待測物表面的光是圓偏極光，因此當兩待測物表面反射率差別很大

在文檔中 微機電與奈米系統多功光學顯微量測儀之研製(3/3) (頁 41-0)