印刷电路板 (PCB) 的振动测量

使用扫描式测振仪进行全场 Out-of-plane 测量

测量任务

本次测量旨在呈现已装配汽车电路板整个表面的离面振动特性在受控激励下的表现。扫描范围不再局限于单个测点，而是覆盖整个电路板表面，从而确定垂直于表面的振动幅值在电路板级和元器件级的最大位置。由此得到的工作变形振型（ODS）可显示哪些区域和元器件承受的动态载荷最高。

1 测量装置

将电路板固定在电动振动台上。扫描测振仪安装在被测件上方的便携式铝型材框架上，并垂直对准电路板表面。该配置可为离面振动测量提供最佳测量角度。

Optomet 扫描测振仪将测振仪、数据采集、信号发生器和相机集成于一体。本次测量无需任何额外的外部硬件。振动台的激励信号由集成式信号发生器直接生成。

2 在 SMART Lab 中定义测点

软件 SMART Lab通过集成相机显示被测件的实时图像。测量区域和扫描网格可直接在该相机图像上定义。借助区域选择、网格生成器以及按元器件分配功能，可以精确布置测点——从覆盖整块电路板的稀疏网格，到单个元器件上的密集网格。

两幅图以略有不同的视角展示了电路板的元器件装配面。左图用于定义测量区域和 Boundary 工具，右图则显示已完成的测点网格。SMART Lab 支持多个图层，因此可在同一项目中管理不同的测量区域，例如覆盖整块电路板的稀疏网格以及单个元器件上的密集网格。

3 配置测量参数

在 Acquisition 模块中设置测振仪参数。本次 PCB 测量的上限频率为 100 kHz，足以捕捉电路板的基本共振（通常低于 5 kHz）以及频率更高的元器件模态。凭借超过 1300 万条 FFT 谱线和 6.4 mHz 的频率分辨率，即使频率非常接近的模态也能清晰分离。

4 自动扫描

定义好扫描网格和设置后，测振仪会自动扫描所有预设测点。激光束逐点移动，必要时重新对焦，记录振动信号，然后移至下一位置。整个扫描过程无需人工干预。

测量全程以非接触方式进行。电路板上无需安装传感器，无需布线，也不会给结构增加额外质量。测量结果能够真实反映组件的振动特性。

5 可视化与分析

扫描完成后，SMART Lab 可在 Analysis 选项卡中提供多种可视化方式。振动数据既可显示为叠加在相机图像上的彩色编码点，也可显示为插值色彩图或带动画变形效果的线框模型。阻尼信息也可纳入可视化结果。

色彩图可直观呈现电路板的整体模态：本例显示了一个高阶振型，多个显著的幅值极大值分布在电路板上。这些极大值与元器件位置之间的关系直接影响可靠性评估——靠近振动极大值区域的元器件承受的动态载荷最高。

6 元器件细节分析与视频导出

除整体视图外，SMART Lab 还支持放大查看单个元器件，以呈现其局部振型。内置视频录制功能可生成振动数据动画的 4K 视频，包括让虚拟相机沿电路板表面移动的跟踪镜头，非常适合用于演示和报告。

细节视图展示了每个元器件对激励的响应。在这一特写视图中，各个电解电容器呈现出不同的振动模式——有些发生横向倾斜，有些则出现垂直位移。只有扫描式测振仪具备的空间分辨率才能呈现如此丰富的细节，而传统加速度传感器测量无法捕捉这些信息。

3D振动分析（SMART 3D-Scan）

真实测量数据，而非仿真 – 图中展示的是使用SMART 3D-Scan对已装配电路板进行的真实3D振动测量。测量数据可直接投影到电路板的3D模型上，从而一目了然地识别受影响的元器件和区域。

三台同步的SMART Scan+测振仪从不同角度同时进行测量。

软件根据三个速度分量计算每个测量点在X、Y和Z方向上的完整运动。SMART Lab中的测量工作流程与1D测量基本相同：在3D模型或相机图像上定义测量点、自动扫描并将结果可视化。关键区别不在于流程，而在于测量结果所揭示的信息。

热膨胀：同一套系统，不同的测量任务

除了振动分析，同一台SMART 3D-Scan测振仪还可测量电路板及其元器件的热膨胀。FR4基板、铜走线、焊点和壳体材料的热膨胀系数各不相同，在温度变化时会产生局部变形，进而可能导致疲劳损伤。

对于温度循环测试（TCT – Temperature Cycling Test）和热机械可靠性评估，热膨胀 3D 测量可提供空间层面的实证数据，而使用应变片只能在少数位置获得这些数据——以非接触方式实现全场测量。

使用 SMART 3D-Fiber 进行 3D 单点测量

并非每项 PCB 分析都需要全场扫描网格。在电子控制单元（ECU）振动台测试、单个组件鉴定或批量检测中的指定测点监测中，只需测量一个点——但需覆盖三个空间方向。

SMART 3D-Fiber 正可满足这一需求：三束激光聚焦于同一表面测点，采集完整的 3D 振动运动。紧凑型 Fiber Head 特别适合安装空间受限的应用——例如直接测量外壳内部的电路板。

X、Y 和 Z 方向的速度分量可直接通过数字和模拟输出获取。SMART 3D-Fiber 既可通过 SMART Lab 操作，也可直接通过外部 DAQ 系统运行——集成到现有试验台时无需专有软件。

不同测量任务应选择哪种系统？

本报告介绍的三种测量方案均采用 Optomet 激光多普勒测振技术和 SMART Lab 软件。系统的选择取决于所需的信息：

四种系统的基本测量流程大致相同。具体选择取决于测量任务：全场或单点、1D 或 3D，也可两者兼得，因为 SMART 系统可灵活组合并逐步扩展。

总结

本应用报告介绍了使用 Optomet 激光多普勒测振仪对已装配印刷电路板进行振动分析的三种测量方法。.

全场 Out-of-plane 测量： 单台扫描式测振仪可测量垂直于电路板表面的振动分量。从系统搭建到元器件细节分析，六个步骤展示了完整的工作流程。测量结果可识别空间振动热点、呈现电路板层面的振型，并揭示各个元器件的振动特性。

3D 振动分析： 三台同步的 SMART Scan+ 测振仪可采集 X、Y 和 Z 方向的完整运动信息，从而呈现 Out-of-plane 测量无法检测到的横向运动、倾斜运动和耦合模态。同一系统还可测量热膨胀，这对于评估热机械可靠性至关重要。

3D 单点测量： SMART 3D-Fiber 可在指定测量点提供完整的 3D 振动信息。紧凑型 Fiber Head 适用于控制单元的振动台测试、元器件鉴定，以及集成到现有试验台中。

这三种方法都能为空间维度上的针对性设计决策提供实测依据，包括调整元器件布局、局部加固、优化安装条件，或利用实测结果验证 FEM。