多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置及方法
2023-07-27 22:08:51 1
專利名稱：多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及測量技術領域，具體涉及到一種電致伸縮係數的測量技術。
背景技術：
在所有涉及自動控制的機電系統和器件中，驅動器常被認為是限制其性能和壽命的最為關鍵的因素之一，而在眾多的驅動器類型中，壓電/電致伸縮驅動器因其響應快、承載力高、能耗低和價格低等特點而備受關注。目前，壓電/電致伸縮驅動器已成功地應用在雷射器諧振腔、精密定位、精密加工、智能結構、生物工程、航空航天、電子通訊、汽車工業、 機器人關節、醫療器械等眾多技術領域，並正在形成一個潛力巨大的產業。因此，對於壓電/ 電致伸縮新材料、新工藝及驅動器新技術的開發與應用已受到日益廣泛的重視。在自然界中，大多數晶體都具有壓電效應，然而大多數晶體的壓電效應很微弱，沒有實用價值。石英是晶體中性能良好的壓電材料。隨著科學技術的發展，人工製造的壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT)等多晶壓電材料相繼問世，且應用越來越廣泛。壓電晶體的電致伸縮係數反映了材料本身的屬性，測量材料的電致伸縮係數，不僅對新材料的研製具有重要意義，而且也是選用材料的重要指標之一。目前，測定電致伸縮係數的方法主要有雷射幹涉法、光槓桿法、電容法、電渦流法和數字散斑相關法等。但是每種方法都存在自身的缺點，因此精度無法再提高，不能夠滿足目前高精度測量的要求。而在光學測量法中，雷射外差測量技術備受國內外學者關注，雷射外差測量技術繼承了雷射外差技術和都卜勒技術的諸多優點，是目前超高精度測量方法之一，其測量的相對誤差可達1%。該方法具有高的空間和時間解析度、測量速度快、精度高、線性度好、抗幹擾能力強、動態響應快、重複性好和測量範圍大等優點，已成為現代超精密檢測及測量儀器的標誌性技術之一，廣泛應用於超精密測量、檢測、加工設備、雷射雷達系統等。傳統的外差幹涉均為雙光束幹涉，外差信號頻譜只含單一頻率信息，解調後得到單一的待測參數值。
發明內容
為了解決現有各種壓電晶體的電致伸縮係數的測量方法的測量精度不能夠滿足現有高精密測量領域的要求的問題，本發明提出了一種多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置及方法。本發明所述的多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置由Htl固體雷射器、四分之一波片、振鏡、第一平面反射鏡、偏振分束鏡PBS、會聚透鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、 待測壓電陶瓷管、二維調整架、高壓電源、光電探測器和信號處理系統組成；Htl固體雷射器發出的線偏振光經第一平面反射鏡反射之後入射至偏振分束鏡 PBS，經該偏振分束鏡PBS反射後的光束經四分之一波片透射後入射至振鏡的光接收面， 經該振鏡反射的光束再次經四分之一波片透射後發送至偏振分束鏡PBS，經該偏振分束鏡 PBS透射後的光束入射至薄玻璃板，經該薄玻璃板透射之後的光束入射至第二平面反射鏡，該光束在相互平行的薄玻璃板和第二平面反射鏡之間反覆折射多次，獲得多束經薄玻璃板透射之後的光束通過會聚透鏡匯聚至光電探測器的光敏面上，所述光電探測器輸出電信號給信號處理系統；薄玻璃板和第二平面反射鏡之間的距離為d ；所述第二平面反射鏡的背面中心與待測壓電陶瓷管的一端固定連接，該待測壓電陶瓷管的另一端固定在二維調整架上，所述待測壓電陶瓷管的內表面和外表面分別通過電極與高壓電源的兩個電壓輸出端連接，該待測壓電陶瓷管在電壓的作用下產生軸向形變。採用上述多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置實現電致伸縮係數測量的方法為首先，通過調整二維調整架，使與待測壓電陶瓷管固定連接的第二平面反射鏡的反射面與薄玻璃板相互平行，兩個平板之間等高，並使第二平面反射鏡的反射面與薄玻璃板之間的距離d為20mm ；然後，將用高壓電源的兩個電極輸出端分別通過電極與待測壓電陶瓷管的內表面和外表面相連接，並打開振鏡的驅動電源使振鏡開始振動；同時，打開Htl固體雷射器，最後，調節所述高壓電源的輸出電壓信號U,同時信號處理系統連續採集光電探測器輸出的電信號，並對採集到的信號進行處理，進而獲得第二平面反射鏡和薄玻璃板之間的距離變化量，根據該距離變化量和此時高壓電源輸出的電壓信號獲得待測壓電陶瓷管的電磁致伸縮係數
權利要求
1.多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置，其特徵在於，該裝置由HO固體雷射器 (2)、四分之一波片(12)、振鏡(13)、第一平面反射鏡(3)、偏振分束鏡PBS(Il)、會聚透鏡 (10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射鏡(6)、待測壓電陶瓷管(7)、二維調整架(8)、高壓電源、 光電探測器(4)和信號處理系統(5)組成；HO固體雷射器(2)發出的線偏振光經第一平面反射鏡(3)反射之後入射至偏振分束鏡 PBS (11)，經該偏振分束鏡PBS (11)反射後的光束經四分之一波片(12)透射後入射至振鏡 (13)的光接收面，經該振鏡(13)反射的光束再次經四分之一波片(12)透射後發送至偏振分束鏡PBS (11)，經該偏振分束鏡PBS (11)透射後的光束入射至薄玻璃板(9)，經該薄玻璃板(9)透射之後的光束入射至第二平面反射鏡(6)，該光束在相互平行的薄玻璃板(9)和第二平面反射鏡(6)之間反覆折射多次，獲得多束經薄玻璃板(9)透射之後的光束通過會聚透鏡(10)匯聚至光電探測器(4)的光敏面上，所述光電探測器(4)輸出電信號給信號處理系統(5)；薄玻璃板(9)和第二平面反射鏡(6)之間的距離為d ；所述第二平面反射鏡(6)的背面中心與待測壓電陶瓷管(7)的一端固定連接，該待測壓電陶瓷管(7)的另一端固定在二維調整架(8)上，所述待測壓電陶瓷管(7)的內表面 (7-1)和外表面(7-2)分別通過電極(1)與高壓電源的兩個電壓輸出端連接，該待測壓電陶瓷管(7)在電壓的作用下產生軸向形變。
2.根據權利要求1所述的多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置，其特徵在於， 所述距離d為20mm。
3.根據權利要求1所述的多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置，其特徵在於， 所述振鏡(13)為都卜勒振鏡，其振動方程和速度方程分別是x(t) =a(t2/2)和v(t) =at, a為振鏡的振動加速度。
4.根據權利要求1所述的多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置，其特徵在於， 所述信號處理系統(5)由濾波電路(5-1)、前置放大電路(5-2)、模數轉換電路(A/D)和控制電路DSP組成，所述濾波電路(5-1)對接收到的光電探測器(4)輸出的電信號進行濾波之後發送給前置放大電路(5-2)，經所述前置放大電路(5-2)放大之後的信號輸出給模數轉換電路(A/D)，所述模數轉換電路(A/D)將轉換後的信號發送給控制電路DSP。
5.採用權利要求1所述的多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置實現電致伸縮係數測量的方法，其特徵在於該方法的過程為首先，通過調整二維調整架(8)，使與待測壓電陶瓷管(7)固定連接的第二平面反射鏡 (6)的反射面與薄玻璃板(9)相互平行，兩個平板之間等高，並使第二平面反射鏡(6)的反射面與薄玻璃板(9)之間的距離d為20mm ；然後，將用高壓電源的兩個電極輸出端分別通過電極與待測壓電陶瓷管(7)的內表面和外表面相連接，並打開振鏡(13)的驅動電源使振鏡(13)開始振動；同時，打開HO固體雷射器(2),最後，調節所述高壓電源的輸出電壓信號U，同時信號處理系統(5)連續採集光電探測器(4)輸出的電信號，並對採集到的信號進行處理，進而獲得第二平面反射鏡(6)和薄玻璃板(9)之間的距離變化量，根據該距離變化量和此時高壓電源輸出的電壓信號獲得待測壓電陶瓷管(7)的電磁致伸縮係數
6.根據權利要求5所述的測量電致伸縮係數的方法，其特徵在於，所述信號處理系統 (5)根據連續採集光電探測器(4)輸出的電信號，並對採集到的信號進行處理，進而獲得第二平面反射鏡(6)和薄玻璃板(9)之間的距離變化量的過程做進一步說明，該過程為經該偏振分束鏡PBS(Il)透射後的光束斜入射至薄玻璃板(9)的入射角為θ ^，此時的入射光場為E(t) = E0exp (i ω0 ),式中Etl為常數，i表示虛數，Oci為雷射角頻率，該角頻率為 ω0 = (1+at/c) / ω公式中ω是薄玻璃板(9)的入射光的頻率，a為振鏡(13)的振動加速度，c為光速； 則在t-1/c時刻到達薄玻璃板表面並被該表面反射的反射光的光場為
全文摘要
多光束雷射外差法測量電致伸縮係數的裝置及方法，涉及測量技術領域，具體涉及到一種電致伸縮係數的測量技術。它解決了現有各種壓電晶體的電致伸縮係數的測量方法的測量精度不能夠滿足現有高精密測量領域的要求的問題。本發明是基於雷射外差技術和都卜勒效應而設計的，所述裝置在光路中利用振鏡對不同時刻的入射光進行頻率調製，得到了多光束雷射外差信號，其信號頻譜中同時包含多個頻率值，每個頻率值都包含待測參數信息，經過解調後可同時得到多個待測參數值，對得到的多個參數值加權平均，獲得了高精度的待測參數。採用對鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷進行了仿真實驗來驗證本發明的方法，測量相對誤差僅為0.98％。
文檔編號G01N21/45GK102175647SQ20111002988
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月27日 優先權日2011年1月27日
發明者曲楊, 李彥超, 王春暉, 高龍 申請人:哈爾濱工業大學