本發(fā)明屬于微光機電(MOEMS)領(lǐng)域，具體涉及一種微扭轉(zhuǎn)鏡的位置檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

諧振式微振鏡與傳統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)元件相比，具有尺寸小、重量輕、慣性小、功耗低、響應(yīng)快、易集成等優(yōu)點，在激光掃描領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

諧振式微振鏡的振動幅值與相位會隨驅(qū)動電壓、環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等的變化而變化，為了保證微扭轉(zhuǎn)鏡始終可以穩(wěn)定工作，需要對掃描鏡的振動情況進(jìn)行實時檢測。目前常用的檢測方式有光電檢測、電容檢測、壓阻檢測等方法。其中光電檢測方法系統(tǒng)封裝工藝復(fù)雜，封裝體積大；電容檢測的信號微弱，信噪比低；壓阻檢測需要在微振鏡上集成壓阻模塊，制作工藝復(fù)雜。

微振鏡工作時，鏡面快速轉(zhuǎn)動，其附近的空氣受到擠壓或摩擦產(chǎn)生聲音。該聲音的頻率與微振鏡工作頻率一致，聲音幅值與振鏡工作幅值成正比，聲音與微振鏡工作狀態(tài)之間有相位差。這樣，可以利用麥克風(fēng)獲取聲音信息，并計算出微振鏡的運動信息。

2009年，美國德州儀器公司公開了一個利用麥克風(fēng)反饋的專利，但沒有提到如何用麥克風(fēng)的信息來計算微振鏡的運動信息。

鑒于以上技術(shù)問題，實有必要提供一種微扭轉(zhuǎn)鏡的聲音檢測方法，以解決以上技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種微振鏡的反饋系統(tǒng)及方法，通過聲音計算振鏡的運動信息。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種微振鏡的反饋系統(tǒng)，通過采集麥克風(fēng)的聲音信號，得到微振鏡運動的幅值和相位；具體方法如下：

(1)根據(jù)微振鏡的幅值θ_m與測量的聲音幅值A(chǔ)_s之間的線性關(guān)系θ_m＝A_s·k，標(biāo)定比例k；

(2)根據(jù)公式θ_m＝A_s·k計算微振鏡的幅值；

(3)根據(jù)標(biāo)定系數(shù)和b，其中，為微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之差，ω為微振鏡的振動頻率；

(4)根據(jù)公式計算微振鏡的運動相位。

步驟(3)中，微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之差包括兩部分，一是微振鏡運動相位與產(chǎn)生聲音的相位之間的差值另一個是因聲音傳播產(chǎn)生的相位差值

當(dāng)僅有一個麥克風(fēng)時，微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之差根據(jù)公式通過對微振鏡和麥克風(fēng)進(jìn)行一次相位差與頻率的線性關(guān)系標(biāo)定而確定系數(shù)和b，其中，ω為振鏡振動的頻率。

當(dāng)有兩個麥克風(fēng)時，微振鏡運動相位與產(chǎn)生聲音的相位之間的差值根據(jù)公式標(biāo)定，其中，ω為振鏡振動的頻率；兩個麥克風(fēng)的聲音傳播產(chǎn)生的相位差值分別根據(jù)公式和標(biāo)定，其中，l₁和l₂分別為微振鏡與兩個麥克風(fēng)之間的距離，和分別為兩個麥克風(fēng)接收的聲音相位。

當(dāng)有兩個麥克風(fēng)時，分別對兩個麥克風(fēng)產(chǎn)生的聲音幅值與振鏡的幅值進(jìn)行標(biāo)定，計算時，以兩次計算結(jié)果的平均作為最終幅值。

一種微振鏡的反饋系統(tǒng)，包括微振鏡、麥克風(fēng)、微振鏡驅(qū)動系統(tǒng)，以及麥克風(fēng)檢測系統(tǒng)，其中，微振鏡和麥克風(fēng)的感測區(qū)域的中心距離小于10mm。

所述麥克風(fēng)的感測區(qū)域直接與微振鏡的可動區(qū)域相鄰。

所述麥克風(fēng)的采樣頻率大于微振鏡振動頻率的10倍。

當(dāng)有兩個麥克風(fēng)時，兩個麥克風(fēng)之間的距離小于5mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明首先通過麥克風(fēng)采集振鏡振動時的聲音信息，然后通過聲音與振鏡運動之間的關(guān)系計算出振鏡的運動信息，檢測方法簡單，且準(zhǔn)確度較高。

【附圖說明】

圖1：單麥克風(fēng)檢測系統(tǒng)圖。

圖2：單麥克風(fēng)最近距離檢測位置圖。

圖3：雙麥克風(fēng)去噪檢測系統(tǒng)圖。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細(xì)闡述：

實施例1

在本實施例中，僅采用一個麥克風(fēng)，實現(xiàn)微振鏡振動幅值和相位的計算。

請參閱圖1所示，該系統(tǒng)100主要包括微振鏡102，麥克風(fēng)104，微振鏡驅(qū)動系統(tǒng)106，麥克風(fēng)檢測系統(tǒng)108。

其中微振鏡102和麥克風(fēng)104的感測區(qū)域104-a距離應(yīng)盡量靠近，中心距L小于10mm，也可如圖2所示，麥克風(fēng)的檢測點直接與微振鏡的可動區(qū)域相鄰。

微振鏡驅(qū)動系統(tǒng)106是用來產(chǎn)生驅(qū)動微振鏡102的驅(qū)動信號，從而驅(qū)動微振鏡102工作。

麥克風(fēng)檢測系統(tǒng)108是用來接收麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到信號的幅值、相位。

麥克風(fēng)有模擬輸出和數(shù)學(xué)輸出兩類。對于模擬輸出，可以對模擬輸出的信號進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。對于數(shù)字輸出，可以直接讀取。但均要確保采樣率大于微振鏡振動頻率的10倍，來保證后期處理的準(zhǔn)確性。對于數(shù)據(jù)可以用快速傅里葉變換或擬合等方法，求出當(dāng)前信號的幅值和相位。聲音的頻率與微振鏡的頻率一致，而微振鏡的頻率一般與驅(qū)動信號頻率呈倍數(shù)關(guān)系，是已知量。

但要從聲音的幅值和相位，得到微振鏡的運動狀態(tài)，應(yīng)在系統(tǒng)裝配完成之后對系統(tǒng)進(jìn)行一次標(biāo)定，標(biāo)定兩者的幅值關(guān)系和相位關(guān)系。

聲音的幅值與微振鏡的運動幅值成正比，應(yīng)當(dāng)標(biāo)定出兩者之間的系數(shù)。由于聲音傳播過程中會衰減，故應(yīng)在微振鏡與麥克風(fēng)裝配完成后標(biāo)定。

微振鏡的運動的相位與麥克風(fēng)接收的聲音相位之間的差是兩個部分的和，一是發(fā)出的聲音與微振鏡運動之前的相位差，另一個是聲音傳播帶來的相位差。所以也應(yīng)該在裝配完成后標(biāo)定。相位差與微振鏡的頻率和呈近似線性關(guān)系，應(yīng)當(dāng)標(biāo)定該線性關(guān)系的斜率和截距。

根據(jù)這兩個關(guān)系，便可以從聲音的幅值和相位得到微振鏡的幅值和相位，即有了微振鏡的位置信息。

具體方法如下：

幅值：

微振鏡的幅值θ_m與測量的聲音幅值A(chǔ)_s是線性關(guān)系θ_m＝A_s·k，在這個線性關(guān)系中，聲音幅值A(chǔ)_s是可以直接測得的，而比例k會隨著麥克風(fēng)放置的方向、與微振鏡之間的距離變化而變化。因此，在檢測系統(tǒng)使用之前，需要標(biāo)定比例k，即：首先測得一組數(shù)據(jù)θ_m-A_s，然后改變振鏡的驅(qū)動參數(shù)，再次測得一組數(shù)據(jù)θ_m-A_s，如此反復(fù)幾次，最后采用最小二乘法擬合出比例k。

經(jīng)過標(biāo)定的比例k就可以在反饋系統(tǒng)中使用聲音的幅值A(chǔ)_s與比例k的乘積得到微振鏡的幅值θ_m。

相位：

微振鏡的運動相位與測量的聲音相位有一個差值因此，只要得知微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之間的差值即可計算出微振鏡的運動相位

這個差值是兩部分的和，一是微振鏡運動相位與產(chǎn)生聲音的相位之間的差值，另一個是因聲音傳播產(chǎn)生的相位差值。這兩個差值均與微振鏡運動頻率ω大致成線性關(guān)系。因為聲音傳播產(chǎn)生的相位差與微振鏡和麥克風(fēng)之間的距離有關(guān)，所以最優(yōu)的方法是：對裝配完畢的微振鏡和麥克風(fēng)進(jìn)行一次相位差與頻率的線性關(guān)系標(biāo)定(方法同幅值中比例k的標(biāo)定，即測得一組相位差與頻率，改變驅(qū)動參數(shù)，再次測得相位差與頻率，如此反復(fù)，最后用最小二乘法擬合系數(shù)和b)，得到相關(guān)方程中的系數(shù)和b。

標(biāo)定完成后，在反饋系統(tǒng)中，通過測量的聲音相位微振鏡運動頻率ω、標(biāo)定的參數(shù)和b，便可得到微振鏡的運動相位

實施例2

在本實施例中，采用兩個麥克風(fēng)，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的微振鏡振動幅值和相位的計算。

請參閱圖3所示，該系統(tǒng)200主要包括微振鏡102，第一麥克風(fēng)104，第二麥克風(fēng)204，微振鏡驅(qū)動系統(tǒng)106，麥克風(fēng)檢測系統(tǒng)108。

其中微振鏡102和第一麥克風(fēng)104的感測區(qū)域104-a距離應(yīng)盡量靠近，中心距L小于10mm，第二麥克風(fēng)204的感測區(qū)域204-a與微振鏡102的距離L₂與第一麥克風(fēng)104的距離L相比應(yīng)大一些，但差值應(yīng)小于5mm。

微振鏡驅(qū)動系統(tǒng)106是用來產(chǎn)生驅(qū)動微振鏡102的驅(qū)動信號，從而驅(qū)動微振鏡202工作。

麥克風(fēng)檢測系統(tǒng)108是用來接收兩個麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到信號的幅值、相位。

麥克風(fēng)有模擬輸出和數(shù)學(xué)輸出兩類。對于模擬輸出，可以對模擬輸出的信號進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。對于數(shù)字輸出，可以直接讀取。但均要確保采樣率大于微振鏡振動頻率的10倍，來保證后期處理的準(zhǔn)確性。

第一麥克風(fēng)和第二麥克風(fēng)放置的距離不同，其接收到的微振鏡發(fā)出聲音的幅值和相位不同。但對于外界噪聲來說，兩個麥克風(fēng)接收到的信號基本一致，可以利用這種差異進(jìn)行去噪處理，提高麥克風(fēng)信號的信噪比。具體做法是：對采集到的第一麥克風(fēng)的聲音信號做傅里葉變換，然后將微振鏡工作頻率對應(yīng)的值置為0，然后再做反傅里葉變換得到新數(shù)據(jù)，再拿采集到的第一麥克風(fēng)的聲音信號減去新數(shù)據(jù)，得到去噪后的聲音信號。同樣的做法，可以得到去噪的第二麥克風(fēng)數(shù)據(jù)。

所述的聲音信號指一些列對應(yīng)時刻采集的聲音的壓力大小所構(gòu)成的數(shù)據(jù)。

振鏡幅值的具體計算如下：

微振鏡的幅值θ_m與測量的聲音幅值A(chǔ)_s是線性關(guān)系θ_m＝A_s·k。雙麥克風(fēng)系統(tǒng)中，對于第一麥克風(fēng)，存在幅值關(guān)系θ_m＝A_s1·k₁；對于第二麥克風(fēng)，存在幅值關(guān)系θ_m＝A_s2·k₂。比例k₁和k₂會隨著麥克風(fēng)放置的方向、與微振鏡之間的距離變化而變化。裝配完成后應(yīng)當(dāng)對比例k₁和k₂進(jìn)行一次標(biāo)定(標(biāo)定方法同實施例1)。

在反饋系統(tǒng)中，可以采用第一麥克風(fēng)的幅值關(guān)系計算微振鏡的幅值，也可以采用第二麥克風(fēng)的幅值關(guān)系計算微振鏡的幅值，也可以用兩次計算結(jié)果的平均做為最終幅值：θ_m＝(A_s1·k₁₊A_s2·k₂)/2。離微振鏡的距離越小，檢測到的聲音幅值越大，最優(yōu)地，應(yīng)該采用離微振鏡更近的第一麥克風(fēng)的幅值關(guān)系計算微振鏡的幅值。

振鏡相位的計算方法：

微振鏡的運動相位與麥克風(fēng)接收的聲音相位有一個差值這個差值是兩部分的和，一是微振鏡運動相位與產(chǎn)生聲音的相位之間的差值另一個是因聲音傳播產(chǎn)生的相位差值

聲音傳播產(chǎn)生的相位差值也會隨著聲速的變化而變化，以單麥克風(fēng)的形式無法消除溫度變化帶來的誤差。以雙麥克風(fēng)之間距離和接收到的聲音相位，可以計算出因聲音傳播產(chǎn)生的相位差值從而消除溫度變化帶來的誤差。聲音傳播帶來的相位差可以用公式計算：其中l(wèi)是麥克風(fēng)距離振鏡的距離，f為聲音頻率，s為聲速。通過測試兩個不同的距離l時的相位差，可以計算出的大小。

聲音傳播產(chǎn)生的相位差與距離l成正比，通過測量微振鏡與兩個麥克風(fēng)之間的距離l₁和l₂，以及兩個麥克風(fēng)接收的聲音相位和可以計算出從微振鏡到第一麥克風(fēng)之間的聲音傳播相位差值微振鏡到第二麥克風(fēng)之間的聲音傳播相位差值

與微振鏡運動頻率ω大致成線性關(guān)系。這個線性關(guān)系應(yīng)當(dāng)在裝配完成后標(biāo)定，得到線性關(guān)系通過多次獲得ω和最后通過最小二乘法即可得到系數(shù)k_c和b_c。

在計算相位時，可以以第一麥克風(fēng)為基準(zhǔn)計算振鏡相位也可以以第二麥克風(fēng)為基準(zhǔn)計算振鏡相位也可以以兩者的結(jié)果求平均離微振鏡的距離越小，檢測到的聲音信號越好，最優(yōu)地，應(yīng)該采用離微振鏡更近的第一麥克風(fēng)的幅值關(guān)系計算微振鏡的相位。