一種壓電陶瓷微位移光幹涉檢測控制裝置的製作方法
2024-03-04 19:43:15
本發明屬於精密位移測量與控制領域，涉及了一種壓電陶瓷微位移光幹涉檢測控制裝置。
技術背景
納米技術是在20世紀80年代末發展起來的高新科學技術。壓電陶瓷作為納米技術中常見的納米級驅動器件，因其小體積、低功耗、高靈敏度等優點，而被廣泛應用於微機械、納米光學、精密儀器製造以及微電子技術等高精尖領域。由於壓電陶瓷具有很高的靈敏度，形變量可達納米級，故而作為致動器被普遍應用於精密雷射領域中雷射腔或幹涉儀的腔長調節。由於壓電陶瓷微位移量在納米到微米量級，必須使用納米級的高精度位移測量儀進行檢測。
常用的微位移檢測設備主要有電容測微儀、電感測微儀、雷射幹涉儀等。電感測微儀和電容測微儀測量速度快、精度高，但容易引入外界幹擾，處理電路複雜，且價格昂貴。雷射幹涉測量技術具有非接觸測量、解析度高等特點，且其抗幹擾能力尤為突出，從而得到廣泛應用。麥可遜幹涉儀是一種應用非常廣泛的雷射幹涉測量設備，但由於光學原理限制，測量精度只能達到二分之一測試波長。通過對麥可遜幹涉法的進一步改進，引入幹涉條紋細分、電子倍頻等技術，可使測量精度達到十分之一測試波長。但仍達不到壓電陶瓷納米級位移檢測的需求。
技術實現要素：
本發明的目的是針對壓電陶瓷的非線性特性，提出一種高精度微位移檢測系統。針對麥可遜幹涉儀測量精度不高的問題，通過引入具有光路放大功能的光路放大裝置，實現位移測量精度的進一步提高。
本發明所採用的技術方案是：一種壓電陶瓷微位移光幹涉檢測控制裝置，包括半導體穩頻雷射器、分束立方體、光路放大裝置、光電轉換裝置、數據採集模塊、控制主機；光路放大裝置包括背部粘貼有壓電陶瓷的動鏡、安裝在旋轉臺上的定鏡、參考鏡，旋轉臺用於改變定鏡和動鏡間的夾角；光電轉換裝置包括光電二極體以及相應的放大電路、濾波電路，用於將幹涉條紋的明暗變化轉換為第二電壓信號的變化；數據採集模塊為基於fpga的數據採集系統，對光電轉換裝置得到的第二電壓信號進行採樣，通過採樣第二電壓數據的變化幅度反映幹涉條紋移動數目，並將其反饋給控制主機。
控制主機控制旋轉臺轉動使定鏡和動鏡成合適的角度(動鏡定鏡的夾角選擇是根據該裝置所需的放大倍數來選擇的。本裝置可根據不同的放大倍數來選擇相應的夾角。)，然後半導體穩頻雷射器向分束立方體發出雷射，由半導體穩頻雷射器發出的雷射經過分束立方體被分成兩束，一束經過參考鏡後返回，另一束經過光路放大裝置後返回，兩束返回的雷射在分束立方體處重新相遇，發生幹涉；光電轉換裝置檢測幹涉條紋的明暗變化並轉換為第二電壓信號的變化供數據採集模塊進行採樣，數據採集模塊將採樣的第二電壓數據反饋給控制主機；控制主機向壓電陶瓷發出第一電壓信號驅動壓電陶瓷產生位移，從而使進入光路放大裝置中的光束的光程發生變化，進而使幹涉條紋進行移動，控制主機通過記錄的第二電壓信號獲得壓電陶瓷的位移情況，進而向壓電陶瓷發出第一電壓的補償電壓，對壓電陶瓷進行控制。
控制主機發出第一電壓信號，使光路放大裝置中的動鏡的位置發生變化，利用光路放大裝置將微小位移轉化為數倍於它的光程，達到工作波長的一半，使麥可遜幹涉儀能夠探測出其位移變化信息。由光電轉換裝置將包含位移信息的幹涉條紋轉換為具體的第二電壓信號，通過數據採集模塊反饋給控制主機。控制主機接受反饋信號，分析位移變化，並結合位移發出校正後的第一電壓信號。
控制主機進一步接收幹涉條紋移動數目，通過基於遺傳算法的pid控制器將幹涉條紋數目包含的位移與目標位移比較，以位移誤差為輸入，輸出補償電壓，結合前饋補償電壓，得到複合控制電壓，驅動壓電陶瓷達到目標位移。
採用rhvd系列壓電陶瓷驅動電源，通過並口控制方式與控制主機連接，以動態連結庫編程技術控制主機將綜合控制第一電壓信號實時輸入到驅動電壓源。
本發明的有益效果是：本發明針對麥可遜幹涉儀測量精度不高的問題，通過引入具有放大功能的光路放大裝置，實現微小位移測量精度的進一步提高。可將麥可遜幹涉儀的測量精度提高500倍，實現納米級位移的測量。
對於相同的納米級測量精度，有效降低儀器成本。
本發明可根據不同的放大需求來調節放大倍數，實現精度可調的微位移檢測。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構示意圖；
圖2為本發明的光路放大裝置結構示意圖；
圖3為放大倍數與入射角及動定鏡夾角的關係圖；
圖4為壓電陶瓷控制原理框圖；
圖5為壓電陶瓷控制方法工作流程圖。
其中1為半導體穩頻雷射器，2為分束立方體，3為參考鏡，4為定鏡，5為動鏡，6為壓電陶瓷，7為光電二極體，8為精密旋轉臺。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明做進一步說明。此處所描述的實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1所示，選用半導體穩頻雷射器1輸出632.8nm的紅光通過分束立方體2分成兩束，其中一束入射到參考鏡3上返回，另一束入射到光路放大裝置的定鏡4和動鏡5，經多次反射後返回，兩束光在分束立方體2匯合，形成光幹涉，實時檢測壓電陶瓷的位移。如圖2中所示，動鏡與定鏡皆為表面鍍銀膜反射率大於99.6％的平面鏡，兩反射鏡夾角為α。光束以入射角β射入定鏡，則入射光的入射角每經過一次反射再次射入定鏡時的入射角將減小2α。當β/α＝n，且n為奇數時，入射光經過n次反射後垂直入射到動鏡，再經過n次反射原路返回。將壓電陶瓷垂直粘貼在動鏡上，保持定鏡穩定，當壓電陶瓷受到電壓驅動產生納米級微小位移d時，將對麥可遜幹涉儀光路的光程差產生數倍於d甚至數百倍於d的影響。對光路放大裝置進行數學分析，以壓電陶瓷的位移d，光源射入定鏡的入射角β，動鏡與定鏡夾角α為變量，根據數學公式得到每次反射造成的光程變化s為：
式中α為動鏡與定鏡的夾角，根據公式β/α＝n可知β的大小由α決定，最小為3α，最大不超過90°。i為每次入射到鏡面的入射角，第一次入射到鏡面的入射角為β，入射角每經過一次反射再次射入定鏡時的入射角將減小2α，第二次的入射角為β-2α，以此類推。
以上光程變化量的函數，可得到不同β和α下的光程變化量s與壓電陶瓷位移d的倍數關係，可以得到不同入射角與動鏡定鏡夾角條件下，該裝置對壓電陶瓷微小位移的放大倍數s/d。圖3給出了不同β和α下，隨著反射次數的不同，光程變化與位移比值的變化情況。虛線標出了放大倍數為100倍時對應的光入射角和動鏡、定鏡夾角。當α＝0.5°，β＝80.5°時放大倍率為560倍。通過觀測麥可遜幹涉儀幹涉條紋的變化次數，得到光程差的變化量除以放大倍數即可得到壓電陶瓷產生的位移量。
光電轉換裝置通過由光電二極體構建的比較電路將幹涉條紋的明暗變化轉換為第二電壓信號的變化，再通過放大電路和濾波電路，輸出第二電壓信號。數據採集模塊與控制主機通信，通過對採集的第二電壓信號的處理，得到壓電陶瓷的位移量。
壓電陶瓷控制採用逆補償控制與基於遺傳算法的pid控制相結合的複合控制方式。根據所選用壓電陶瓷的遲滯特性曲線，採用橢圓極坐標方式對遲滯特性進行建模：對輸入的第一電壓信號及採集到的壓電陶瓷位移第二電壓信號進行歸一化處理，以橢圓極坐標方式對其進行擬合，得到壓電陶瓷遲滯環的上升下降曲線，進而建立壓電陶瓷的遲滯逆模型。根據遲滯逆模型輸入期望位移得到控制電壓u2。
本實施方式的反饋控制為基於遺傳算法的pid控制。pid控制器的參數整定採用遺傳算法，適應度函數應與目標函數相關，此次設計所選取的適應度函數為位移誤差積分的倒數。
通過編程選出最優的pid參數後，將誤差作為pid控制器輸入信號，即可得到補償電壓u1，繼而得到綜合控制電壓u。其控制電壓流程圖如圖5所示，首先建立壓電陶瓷遲滯逆模型，由期望位移得到控制電壓u2，進而驅動壓電陶瓷產生位移；根據系統反饋回的實際位移計算出位移誤差，通過閉環pid控制器，得出綜合控制電壓，驅動壓電陶瓷使其位移更加接近或達到期望位移。