一种微振镜的反馈系统及方法与流程

本发明属于微光机电(MOEMS)领域，具体涉及一种微扭转镜的位置检测系统及方法。

背景技术：

谐振式微振镜与传统光束偏转元件相比，具有尺寸小、重量轻、惯性小、功耗低、响应快、易集成等优点，在激光扫描领域有广泛的应用。

谐振式微振镜的振动幅值与相位会随驱动电压、环境温度、湿度、大气压力等的变化而变化，为了保证微扭转镜始终可以稳定工作，需要对扫描镜的振动情况进行实时检测。目前常用的检测方式有光电检测、电容检测、压阻检测等方法。其中光电检测方法系统封装工艺复杂，封装体积大；电容检测的信号微弱，信噪比低；压阻检测需要在微振镜上集成压阻模块，制作工艺复杂。

微振镜工作时，镜面快速转动，其附近的空气受到挤压或摩擦产生声音。该声音的频率与微振镜工作频率一致，声音幅值与振镜工作幅值成正比，声音与微振镜工作状态之间有相位差。这样，可以利用麦克风获取声音信息，并计算出微振镜的运动信息。

2009年，美国德州仪器公司公开了一个利用麦克风反馈的专利，但没有提到如何用麦克风的信息来计算微振镜的运动信息。

鉴于以上技术问题，实有必要提供一种微扭转镜的声音检测方法，以解决以上技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种微振镜的反馈系统及方法，通过声音计算振镜的运动信息。

本发明采用以下技术方案：

一种微振镜的反馈系统，通过采集麦克风的声音信号，得到微振镜运动的幅值和相位；具体方法如下：

(1)根据微振镜的幅值θ_m与测量的声音幅值A_s之间的线性关系θ_m＝A_s·k，标定比例k；

(2)根据公式θ_m＝A_s·k计算微振镜的幅值；

(3)根据标定系数和b，其中，为微振镜的运动相位与测量的声音相位之差，ω为微振镜的振动频率；

(4)根据公式计算微振镜的运动相位。

步骤(3)中，微振镜的运动相位与测量的声音相位之差包括两部分，一是微振镜运动相位与产生声音的相位之间的差值另一个是因声音传播产生的相位差值

当仅有一个麦克风时，微振镜的运动相位与测量的声音相位之差根据公式通过对微振镜和麦克风进行一次相位差与频率的线性关系标定而确定系数和b，其中，ω为振镜振动的频率。

当有两个麦克风时，微振镜运动相位与产生声音的相位之间的差值根据公式标定，其中，ω为振镜振动的频率；两个麦克风的声音传播产生的相位差值分别根据公式和标定，其中，l₁和l₂分别为微振镜与两个麦克风之间的距离，和分别为两个麦克风接收的声音相位。

当有两个麦克风时，分别对两个麦克风产生的声音幅值与振镜的幅值进行标定，计算时，以两次计算结果的平均作为最终幅值。

一种微振镜的反馈系统，包括微振镜、麦克风、微振镜驱动系统，以及麦克风检测系统，其中，微振镜和麦克风的感测区域的中心距离小于10mm。

所述麦克风的感测区域直接与微振镜的可动区域相邻。

所述麦克风的采样频率大于微振镜振动频率的10倍。

当有两个麦克风时，两个麦克风之间的距离小于5mm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明首先通过麦克风采集振镜振动时的声音信息，然后通过声音与振镜运动之间的关系计算出振镜的运动信息，检测方法简单，且准确度较高。

【附图说明】

图1：单麦克风检测系统图。

图2：单麦克风最近距离检测位置图。

图3：双麦克风去噪检测系统图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明做详细阐述：

实施例1

在本实施例中，仅采用一个麦克风，实现微振镜振动幅值和相位的计算。

请参阅图1所示，该系统100主要包括微振镜102，麦克风104，微振镜驱动系统106，麦克风检测系统108。

其中微振镜102和麦克风104的感测区域104-a距离应尽量靠近，中心距L小于10mm，也可如图2所示，麦克风的检测点直接与微振镜的可动区域相邻。

微振镜驱动系统106是用来产生驱动微振镜102的驱动信号，从而驱动微振镜102工作。

麦克风检测系统108是用来接收麦克风的数据，并对数据进行处理，得到信号的幅值、相位。

麦克风有模拟输出和数学输出两类。对于模拟输出，可以对模拟输出的信号进行模拟数字转换。对于数字输出，可以直接读取。但均要确保采样率大于微振镜振动频率的10倍，来保证后期处理的准确性。对于数据可以用快速傅里叶变换或拟合等方法，求出当前信号的幅值和相位。声音的频率与微振镜的频率一致，而微振镜的频率一般与驱动信号频率呈倍数关系，是已知量。

但要从声音的幅值和相位，得到微振镜的运动状态，应在系统装配完成之后对系统进行一次标定，标定两者的幅值关系和相位关系。

声音的幅值与微振镜的运动幅值成正比，应当标定出两者之间的系数。由于声音传播过程中会衰减，故应在微振镜与麦克风装配完成后标定。

微振镜的运动的相位与麦克风接收的声音相位之间的差是两个部分的和，一是发出的声音与微振镜运动之前的相位差，另一个是声音传播带来的相位差。所以也应该在装配完成后标定。相位差与微振镜的频率和呈近似线性关系，应当标定该线性关系的斜率和截距。

根据这两个关系，便可以从声音的幅值和相位得到微振镜的幅值和相位，即有了微振镜的位置信息。

具体方法如下：

幅值：

微振镜的幅值θ_m与测量的声音幅值A_s是线性关系θ_m＝A_s·k，在这个线性关系中，声音幅值A_s是可以直接测得的，而比例k会随着麦克风放置的方向、与微振镜之间的距离变化而变化。因此，在检测系统使用之前，需要标定比例k，即：首先测得一组数据θ_m-A_s，然后改变振镜的驱动参数，再次测得一组数据θ_m-A_s，如此反复几次，最后采用最小二乘法拟合出比例k。

经过标定的比例k就可以在反馈系统中使用声音的幅值A_s与比例k的乘积得到微振镜的幅值θ_m。

相位：

微振镜的运动相位与测量的声音相位有一个差值因此，只要得知微振镜的运动相位与测量的声音相位之间的差值即可计算出微振镜的运动相位

这个差值是两部分的和，一是微振镜运动相位与产生声音的相位之间的差值，另一个是因声音传播产生的相位差值。这两个差值均与微振镜运动频率ω大致成线性关系。因为声音传播产生的相位差与微振镜和麦克风之间的距离有关，所以最优的方法是：对装配完毕的微振镜和麦克风进行一次相位差与频率的线性关系标定(方法同幅值中比例k的标定，即测得一组相位差与频率，改变驱动参数，再次测得相位差与频率，如此反复，最后用最小二乘法拟合系数和b)，得到相关方程中的系数和b。

标定完成后，在反馈系统中，通过测量的声音相位微振镜运动频率ω、标定的参数和b，便可得到微振镜的运动相位

实施例2

在本实施例中，采用两个麦克风，实现更精准的微振镜振动幅值和相位的计算。

请参阅图3所示，该系统200主要包括微振镜102，第一麦克风104，第二麦克风204，微振镜驱动系统106，麦克风检测系统108。

其中微振镜102和第一麦克风104的感测区域104-a距离应尽量靠近，中心距L小于10mm，第二麦克风204的感测区域204-a与微振镜102的距离L₂与第一麦克风104的距离L相比应大一些，但差值应小于5mm。

微振镜驱动系统106是用来产生驱动微振镜102的驱动信号，从而驱动微振镜202工作。

麦克风检测系统108是用来接收两个麦克风的数据，并对数据进行处理，得到信号的幅值、相位。

麦克风有模拟输出和数学输出两类。对于模拟输出，可以对模拟输出的信号进行模拟数字转换。对于数字输出，可以直接读取。但均要确保采样率大于微振镜振动频率的10倍，来保证后期处理的准确性。

第一麦克风和第二麦克风放置的距离不同，其接收到的微振镜发出声音的幅值和相位不同。但对于外界噪声来说，两个麦克风接收到的信号基本一致，可以利用这种差异进行去噪处理，提高麦克风信号的信噪比。具体做法是：对采集到的第一麦克风的声音信号做傅里叶变换，然后将微振镜工作频率对应的值置为0，然后再做反傅里叶变换得到新数据，再拿采集到的第一麦克风的声音信号减去新数据，得到去噪后的声音信号。同样的做法，可以得到去噪的第二麦克风数据。

所述的声音信号指一些列对应时刻采集的声音的压力大小所构成的数据。

振镜幅值的具体计算如下：

微振镜的幅值θ_m与测量的声音幅值A_s是线性关系θ_m＝A_s·k。双麦克风系统中，对于第一麦克风，存在幅值关系θ_m＝A_s1·k₁；对于第二麦克风，存在幅值关系θ_m＝A_s2·k₂。比例k₁和k₂会随着麦克风放置的方向、与微振镜之间的距离变化而变化。装配完成后应当对比例k₁和k₂进行一次标定(标定方法同实施例1)。

在反馈系统中，可以采用第一麦克风的幅值关系计算微振镜的幅值，也可以采用第二麦克风的幅值关系计算微振镜的幅值，也可以用两次计算结果的平均做为最终幅值：θ_m＝(A_s1·k₁₊A_s2·k₂)/2。离微振镜的距离越小，检测到的声音幅值越大，最优地，应该采用离微振镜更近的第一麦克风的幅值关系计算微振镜的幅值。

振镜相位的计算方法：

微振镜的运动相位与麦克风接收的声音相位有一个差值这个差值是两部分的和，一是微振镜运动相位与产生声音的相位之间的差值另一个是因声音传播产生的相位差值

声音传播产生的相位差值也会随着声速的变化而变化，以单麦克风的形式无法消除温度变化带来的误差。以双麦克风之间距离和接收到的声音相位，可以计算出因声音传播产生的相位差值从而消除温度变化带来的误差。声音传播带来的相位差可以用公式计算：其中l是麦克风距离振镜的距离，f为声音频率，s为声速。通过测试两个不同的距离l时的相位差，可以计算出的大小。

声音传播产生的相位差与距离l成正比，通过测量微振镜与两个麦克风之间的距离l₁和l₂，以及两个麦克风接收的声音相位和可以计算出从微振镜到第一麦克风之间的声音传播相位差值微振镜到第二麦克风之间的声音传播相位差值

与微振镜运动频率ω大致成线性关系。这个线性关系应当在装配完成后标定，得到线性关系通过多次获得ω和最后通过最小二乘法即可得到系数k_c和b_c。

在计算相位时，可以以第一麦克风为基准计算振镜相位也可以以第二麦克风为基准计算振镜相位也可以以两者的结果求平均离微振镜的距离越小，检测到的声音信号越好，最优地，应该采用离微振镜更近的第一麦克风的幅值关系计算微振镜的相位。