一種測量壓電陶瓷微小位移的裝置的製作方法

2024-03-04 18:56:15

本實用新型涉及位移測量領域，尤其涉及一種測量壓電陶瓷微小位移的裝置。

背景技術：

CCD：Charge-coupled Device，電荷耦合元件。

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬於無機非金屬材料，壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉換成電信號，可用於聲吶系統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等等。壓電陶瓷經過電壓驅動後，會發生微小位移，為了檢測壓電陶瓷的性能，通常需要檢測在不同電壓情況下，壓電陶瓷所產生的微位移大小，傳統的壓電陶瓷位移測量方法有機械測量法、電渦流位移計法，其中，機械測量法在測量位移時相對誤差比較大、操作複雜，而電渦流位移計測量法受電磁幹擾影響比較大。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本實用新型的目的是提供一種方便操作、誤差小的測量壓電陶瓷微小位移的裝置。

本實用新型所採用的技術方案是：一種測量壓電陶瓷微小位移的裝置，包括計算機、數據採集卡、電壓放大器、壓電陶瓷和相移幹涉裝置，所述相移幹涉裝置包括光探測器，所述計算機的輸出端連接數據採集卡的輸入端，用以控制數據採集卡輸出電壓，所述數據採集卡的輸出端連接電壓放大器的輸入端，所述電壓放大器的輸出端連接壓電陶瓷的輸入端，所述壓電陶瓷與相移幹涉裝置相連，所述光探測器用於採集因壓電陶瓷位移產生的相移幹涉條紋，所述光探測器的輸出端連接計算機的輸入端以將採集的相移幹涉條紋傳給計算機處理。

優選的，所述光探測器是CCD圖像傳感器。

優選的，所述相移幹涉裝置是麥可遜幹涉裝置。

優選的，所述相移幹涉裝置還可以是馬赫曾德幹涉裝置。

作為上述方案的進一步改進，所述相移幹涉裝置還包括雷射器、偏振片、分光稜鏡、反射鏡和球面透鏡，所述反射鏡包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述分光稜鏡包括第一分光稜鏡和第二分光稜鏡，所述雷射器雷射輸出方向依次同軸放置有偏振片、第一分光稜鏡，所述第一分光稜鏡將雷射分成物光和參考光，所述第一反射鏡沿參考光方向放置、且與參考光方向成45度角，所述第二反射鏡沿物光方向放置、且與物光方向成45度角，所述第二反射鏡上物光的反射方向上依次同軸放置球面透鏡、第二分光稜鏡和CCD圖像傳感器，所述參考光通過第一反射鏡反射到達第二分光稜鏡、再通過第二分光稜鏡反射到達CCD圖像傳感器，所述物光通過第二反射鏡反射到達球面透鏡、再通過球面透鏡和第二分光稜鏡到達CCD圖像傳感器，所述物光和所述參考光形成幹涉條紋，所述CCD圖像傳感器接收所述物光和所述參考光形成的幹涉條紋。

作為上述方案的進一步改進，所述壓電陶瓷具有磁性底座，所述第一反射鏡安裝在壓電陶瓷的磁性底座上。

本實用新型的有益效果是：

一種測量壓電陶瓷微小位移的裝置，運用相移幹涉原理進行光路系統的結構設計，通過相移幹涉裝置採集相移幹涉圖數據傳給計算機處理得到壓電陶瓷微小位移，結構簡單、安裝和使用方便，測量精度高。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步說明：

圖1是本實用新型具體實施例結構示意圖；

圖2是本實用新型相移幹涉裝置結構示意圖；

圖3是本實用新型具體實施例CCD圖像傳感器採集的相移幹涉條紋圖；

圖4(a)是本實用新型具體實施例相移幹涉條紋圖中心圓光強數據分布圖；

圖4(b)是本實用新型具體實施例壓電陶瓷產生位移的運動軌跡圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

圖1是本實用新型具體實施例結構示意圖，如圖1所示，一種測量壓電陶瓷微小位移的裝置，包括計算機、數據採集卡、電壓放大器、壓電陶瓷和相移幹涉裝置，計算機的輸出端連接數據採集卡的輸入端，計算機通過控制數據採集卡輸出一個電壓，數據採集卡的輸出端連接電壓放大器的輸入端，電壓放大器的輸出端連接壓電陶瓷的輸入端，壓電陶瓷與相移幹涉裝置相連，相移幹涉裝置包括有光探測器，光探測器用於採集壓電陶瓷位移產生的相移條紋圖，光探測器的輸出端連接計算機的輸入端，用於將採集到的相移條紋圖傳給計算機處理，計算機通過幹涉圖數據處理計算得到壓電陶瓷微小位移，本實施例優選光探測器是CCD圖像傳感器。

圖2是本實用新型相移幹涉裝置結構示意圖，如圖2所示，相移幹涉裝置包括雷射器1、偏振片2、分光稜鏡、反射鏡、球面透鏡5和光探測器6，其中，分光稜鏡包括第一分光稜鏡31和第二分光稜鏡32，反射鏡包括第一反射鏡41和第二反射鏡42，優選的，光探測器6是CCD圖像傳感器6，雷射器1雷射輸出方向依次同軸放置有偏振片2、第一分光稜鏡31，雷射通過第一分光稜鏡31時，第一分光稜鏡31將雷射分成物光和參考光，第一反射鏡41沿參考光方向放置、且與參考光方向成45度角，第二反射鏡42沿物光方向放置、且與物光方向成45度角，第二反射鏡42上物光的反射方向上依次同軸放置球面透鏡5、第二分光稜鏡32和CCD圖像傳感器6，參考光通過第一反射鏡41反射到達第二分光稜鏡32，再通過第二分光稜鏡32反射到達CCD圖像傳感器6，物光通過第二反射鏡42反射到達球面透鏡5、再通過球面透鏡5和第二分光稜鏡到達CCD圖像傳感器6，物光和參考光在CCD圖像傳感器6上形成幹涉，CCD圖像傳感器6採集幹涉條紋圖。壓電陶瓷具有磁性底座，將第一反射鏡41安裝在壓電陶瓷的磁性底座上，壓電陶瓷經一個外部驅動電壓後，會產生微小位移，使第一反射鏡41產生微小位移，該微小位移會在幹涉圖中引入相移。

本實施例優選的，計算機通過控制數據採集卡輸出範圍在0V至5V內的線性電壓，顯然的，也可以是非線性電壓，然後通過電壓放大器將電壓放大以驅動壓電陶瓷的運動，本實施例優選電壓放大器為40倍電壓放大器，壓電陶瓷位移使得相移幹涉裝置中的光路產生相移，CCD圖像傳感器採集相移幹涉圖像傳給計算機處理。

將採集的相移幹涉圖中幹涉圖之間的相移量提取，然後將相移量轉化成位移，其計算如下:

在相移幹涉測量中，如果相移幹涉圖序列的數量為K，每一幅相移幹涉圖的像素數為L＝M×N，把第k幅相移幹涉圖的光強表示為一個1×L矩陣：

公式(1)中，l＝1,2,…L，表示像素點的位置。al和bl分別表示第l個像素點的背景強度和調製振幅，是該點的被測相位。k＝1,2,…K，表示序列相移幹涉圖的順序，θk是第k幅幹涉圖的相移量。

圖3是本實用新型具體實施例CCD圖像傳感器採集的相移幹涉條紋圖，如圖3所示，提取相移幹涉條紋圖中中心圓區域不足一個條紋的數據，即圖中黑色方框內選擇的幹涉圖數據，設該數據共包括T個像素點，並對T個像素點的光強數據作求和處理，即：

Sk的分布圖如附圖4(a)所示，圖4(a)是本實用新型具體實施例相移幹涉條紋圖中心圓光強數據分布圖，對於一組相移幹涉圖，如果Sk的最大值和最小值分別為Smax和Smin，相移幹涉圖的相移量θk可由下式得到：

圖4(b)是本實用新型具體實施例壓電陶瓷產生位移的運動軌跡圖，圖中dk表示位移量，壓電陶瓷所產生的位移可表示為：

公式(4)中，λ為雷射波長。

一種測量壓電陶瓷微小位移的裝置，運用相移幹涉原理進行光路系統的結構設計，通過相移幹涉裝置採集相移幹涉圖數據傳給計算機處理得到壓電陶瓷微小位移，結構簡單、安裝和使用方便，測量精度高。

以上是對本實用新型的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。