線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置及方法
2024-01-28 22:17:15
線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置及方法
【專利摘要】線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置及方法，屬於光學測量【技術領域】。本發明為了解決壓電陶瓷管在內外表面施加電壓時產生的軸向長度變化量很微小，常規測量方法的測量結果精度低的問題。裝置包括待測壓電陶瓷管、線性調頻雷射器、第一平面反射鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、二維調整架、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統；方法為使光電探測器開始接收光束信號，數位訊號處理器連續採集光電探測器輸出的電信號，並進行處理，根據頻率與距離之間的關係獲得薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當前距離，再根據電致伸縮係數的公式，獲得待測壓電陶瓷管的電致伸縮係數。本發明用於測量電致伸縮係數。
【專利說明】線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置及方法，屬於光學測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]在光學測量法中，雷射外差測量技術由於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而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的諸多優點，是目前超高精度測量方法之一。該方法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。
[0005]具有壓電效應的物體稱為壓電體，現已發現具有壓電特性的多種物體，其中有單晶、多晶，如多晶陶瓷，及某些非晶固體，選用圓管形的壓電陶瓷作為待測樣品，其外形和結構如圖5所示。它由鋯鈦酸鉛PZT製成，圓管的內外表面鍍銀，作為電極，接上引出導線，就可對其施外加電壓，實驗表明，當在它的外表面加上電壓，並且內表面接地時，圓管伸長，反之，加負電壓時，圓管縮短。
[0006]用E表不圓管內外表面加上電壓後,在內外表面間形成的徑向電場的電場強度，用ε表示圓管軸向的應變，α表示壓電陶瓷在準線性區域內的電致伸縮係數，則:
[0007]ε = a E ；
[0008]若圓管的長度為1，加在其內外表面的電壓為U，加電壓後的長度增量為Al，圓管的壁厚為Cltl (均以mm為單位)，則按上式有:
【權利要求】
1.一種線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置，它包括待測壓電陶瓷管(I)，其特徵在於，它還包括線性調頻雷射器(2)、第一平面反射鏡(3)、薄玻璃板(4)、第二平面反射鏡(5)、二維調整架(6)、會聚透鏡(7)、光電探測器(8)和信號處理系統(9)， 第二平面反射鏡(5)與待測壓電陶瓷管(I)的一端粘接固定，待測壓電陶瓷管(I)的另一端固定在二維調整架(6)上，待測壓電陶瓷管(I)的另一端具有電源連接線，二維調整架(6)的位置為固定； 線性調頻雷射器(2)發射的線偏振光經過第一平面反射鏡(3)反射後，斜入射到薄玻璃板(4)上，經薄玻璃板(4)透射的光被第二平面反射鏡(5)反射後與經過薄玻璃板(4)前表面反射的光共同被會聚透鏡(7)匯聚到光電探測器⑶的光敏面上，光電探測器⑶輸出的電信號傳送給信號處理系統(9)。
2.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置，其特徵在於，信號處理系統(9)由濾波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模數轉換器(9-3)和數位訊號處理器(9-4)組成， 濾波器(9-1)用於接收光電探測器(8)輸出的電信號，濾波器(9-1)輸出濾波信號給前置放大器(9-2)，經前置放大器(9-2)放大的模擬信號傳送給模數轉換器(9-3)，經模數轉換器(9-3)轉換為數位訊號後傳送給數位訊號處理器(9-4)。
3.根據權利要求1或2所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置，其特徵在於，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的初始距離為20.25mm。
4.根據權利要求3所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置，其特徵在於，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)相互平行。
5.一種線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的方法，該方法基於權利要求4所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的裝置實現，其特徵在於，它獲取電致伸縮係數的方法如下: 首先，將高壓電源與待測壓電陶瓷管(I)的電源連接線連接，調節高壓電源的輸出；同時，打開線性調頻雷射器(2)，使其發射線偏振光，並使光電探測器(8)開始接收光束信號，數位訊號處理器(9-4)連續採集光電探測器(8)輸出的電信號，並對採集到的差頻信號進行處理，根據頻率與距離之間的關係:
f = Kd, 進而獲得薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當前距離d:
d = f/K, 式中f為外差信號的頻率，K為比例係數； 由薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當前距離d與薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的初始距離，獲得距離變化量△(!，該距離變化量△(!的數值與待測壓電陶瓷管(I)的長度變化量Al的數值相等， 再根據電致伸縮係數α的公式:
6.根據權利要求5所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的方法，其特徵在於， 薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的距離變化量△(!的具體獲得方法為:設定第一平面反射鏡(3)的反射光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(4)，此時光電探測器(8)接收的光束信號的總光場ΕΣ (t)為:
Ee (t) = E1 (t) +E2 (t) +...+Em (t)，m 為大於 I 的正整數； 式中E1 (t)為t-L/c時刻到達薄玻璃板(4)前表面並被該前表面反射的反射光的光場，按以下公式獲得:
7.根據權利要求6所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量電致伸縮係數的方法，其特徵在於，COS Θ的結果通過多光束雷射外差二次諧波信號頻譜中兩個頻譜曲線中心頻率的比值ζ獲得:
ζ = COS Θ。
【文檔編號】G01N21/45GK103954591SQ201410206043
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】李彥超, 甄佳奇, 楊九如, 冉玲苓, 高揚, 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 於偉波 申請人:黑龍江大學