多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法

日期:2019-03-02 15:11:00

专利名称:多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法,属于微位移检测技术领域。
背景技术
在所有涉及自动控制的机电系统和器件中,驱动器常被认为是限制其性能和寿命的最为关键的因素之一,而在众多的驱动器类型中,压电/电致伸缩驱动器因其响应快、承载力高、能耗低和价格低等特点而备受关注。目前,压电/电致伸缩驱动器已成功地应用在激光器谐振腔、精密定位、精密加工、智能结构、生物工程、航空航天、电子通讯、汽车工业、 机器人关节、医疗器械等众多技术领域,并正在形成一个潜力巨大的产业。因此,对于压电/ 电致伸缩新材料、新工艺及驱动器新技术的开发与应用已受到日益广泛的重视。在自然界中,大多数晶体都具有压电效应,然而大多数晶体的压电效应很微弱,没有实用价值。石英是晶体中性能良好的压电材料。随着科学技术的发展,人工制造的压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等多晶压电材料相继问世,且应用越来越广泛。压电晶体的电致伸缩系数反映了材料本身的属性,测量材料的电致伸缩系数,不仅对新材料的研制具有重要意义,而且也是选用材料的重要指标之一。目前,测定电致伸缩系数的方法主要有激光干涉法、光杠杆法、电容法、电涡流法和数字散斑相关法等。但是每种方法都存在自身的缺点,因此精度无法再提高,不能够满足目前高精度测量的要求。而在光学测量法中,激光外差测量技术由于具有高的空间和时间分辨率、测量速度快、精度高、线性度好、抗干扰能力强、动态响应快、重复性好和测量范围大等优点而备受国内外学者关注,激光外差测量技术继承了激光外差技术和多普勒技术的诸多优点,是目前超高精度测量方法之一。该方法已成为现代超精密检测及测量仪器的标志性技术之一, 广泛应用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统等。传统的外差干涉均为双光束干涉,外差信号频谱只含单一频率信息,解调后得到单一的待测参数值。

发明内容
本发明的目的是解决传统的外差干涉测电致伸缩系数的技术由于其外差信号频谱只含单一频率信息,而使测量精度低的问题,提供一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法。本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置,该装置由电极、Htl固体激光器、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、四分之一波片、振镜、二维调整架、待测压电陶瓷管、第二平面反射镜、薄玻璃板、会聚透镜、高压电源、光电探测器和信号处理系统组成,Htl固体激光器发出的线偏振光经第一平面反射镜反射之后入射至偏振分束镜PBS,经该偏振分束镜PBS反射后的光束经四分之一波片透射后入射至振镜的光接收面, 经该振镜反射的光束再次经四分之一波片透射后发送至偏振分束镜PBS,经该偏振分束镜 PBS透射后的光束入射至薄玻璃板,经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第二平面反射镜, 该光束在相互平行的薄玻璃板和第二平面反射镜之间反复反射多次,获得多束经薄玻璃板的多束透射光束,所述多束透射光束和薄玻璃板前表面的反射光束一起通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上,所述光电探测器输出电信号给信号处理系统;薄玻璃板后表面和第二平面反射镜的反射面之间的距离为d ;所述第二平面反射镜的背面中心与待测压电陶瓷管的一端固定连接,该待测压电陶瓷管的另一端固定在二维调整架上,所述待测压电陶瓷管的中心轴线与所述第二平面反射镜的反射面相垂直;所述待测压电陶瓷管的内表面和外表面分别通过电极与高压电源的两个电压输出端连接。本发明所述基于上述装置的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法,该方法的过程为首先,通过调整二维调整架,使与待测压电陶瓷管固定连接的第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行,并使第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板之间的距离d为 20mm ;然后,采用高压电源为待测压电陶瓷管提供驱动电压,并打开振镜的驱动电源使振镜开始做简谐振动;同时,打开Htl固体激光器;开始测量,在测量过程中,调节所述高压电源的输出电压信号U,同时信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号,并对采集到的信号进行处理,进而获得第二平面反射镜和薄玻璃板后表面之间的距离变化量△(!,所述距离变化量△(!等于待测压电陶瓷管在加电前后的长度变化量AL,根据该距离变化量和此时高压电源输出的电压信号获得待测压电陶瓷管的电磁致伸缩系数
ALdiiOC =-
LU其中,L是待测压电陶瓷管的未加电状态的原始长度;Cltl是待测压电陶瓷管的壁厚。所述信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号,并对采集到的信号进行处理,进而获得第二平面反射镜和薄玻璃板后表面之间的距离变化量Ad的过程为振分束镜PBS透射后的光束斜入射至薄玻璃板的入射角为θ 0,此时的入射光场为E(t) = EpxpCi co0t),式中&为常数,i表示虚数,Coci为激光角频率;振镜的振动方程为x(t) = X0Cos ( ω ct),振镜的速度方程为ν (t) = -cocX(|Sin (ω ct),式中^为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间,由于振镜的振动,薄玻璃板的反射光的频率为
ω = ω0(1-2 cocx0sin(ωct)/c),则在tl/c时刻到达薄玻璃板表面并被该表面反射的反射光的光场为E0 (t) = α 0Ειθχρ {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c)(t-1/c) + ω 0x0cos ( ω c (t_l/c)) /c]}式中C^ = r,r为光从周围介质射入待测薄玻璃板前表面的反射系数,1为振镜到薄玻璃板之间的距离;经薄玻璃板透射的光在不同时刻被第二平面反射镜连续反射m次,获得透过薄玻璃板的m束透射光的光场分别为
权利要求
1.一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置,其特征在于 该装置由电极(1)、氏固体激光器O)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS(Il)、四分之一波片(1 、振镜(1 、二维调整架(8)、待测压电陶瓷管(7)、第二平面反射镜(6)、薄玻璃板 (9)、会聚透镜(10)、高压电源、光电探测器(4)和信号处理系统(5)组成,Htl固体激光器( 发出的线偏振光经第一平面反射镜C3)反射之后入射至偏振分束镜 PBS (11),经该偏振分束镜PBS (11)反射后的光束经四分之一波片(1 透射后入射至振镜 (13)的光接收面,经该振镜(1 反射的光束再次经四分之一波片(1 透射后发送至偏振分束镜PBS (11),经该偏振分束镜PBS (11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9),经该薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射镜(6),该光束在相互平行的薄玻璃板(9)和第二平面反射镜(6)之间反复反射多次,获得多束经薄玻璃板(9)的多束透射光束,所述多束透射光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光束一起通过会聚透镜(10)汇聚至光电探测器 (4)的光敏面上,所述光电探测器(4)输出电信号给信号处理系统(5);薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)的反射面之间的距离为d;所述第二平面反射镜(6)的背面中心与待测压电陶瓷管(7)的一端固定连接,该待测压电陶瓷管(7)的另一端固定在二维调整架(8)上,所述待测压电陶瓷管(7)的中心轴线与所述第二平面反射镜(6)的反射面相垂直;所述待测压电陶瓷管(7)的内表面(7-1)和外表面(7- 分别通过电极(1)与高压电源的两个电压输出端连接。
2.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置,其特征在于所述距离为d为20mm。
3.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置,其特征在于所述待测压电陶瓷管(7)由锆钛酸铅制成,并且该待测压电陶瓷管(7) 的内外表面分别镀银。
4.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置,其特征在于所述振镜(1 为多普勒振镜,多普勒振镜的简谐振动方程和速度方程分别是 χ (t) = X0Cos (ω ct)和 ν (t) = - ω cx0sin (ω ct),式中^为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置,其特征在于所述信号处理系统(5)由滤波电路(5-1)、前置放大电路(5-2)、 模数转换电路(A/D)和数字信号处理器(DSP)组成,所述滤波电路(5-1)对接收到的光电探测器(4)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大电路(5-2),经所述前置放大电路 (5-2)放大之后的信号输出给模数转换电路(A/D),所述模数转换电路(A/D)将转换后的信号发送给数字信号处理器(DSP)。
6.采用权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法,其特征在于该方法的过程为首先,通过调整二维调整架(8),使与待测压电陶瓷管(7)固定连接的第二平面反射镜 (6)的反射面与薄玻璃板(9)相互平行,并使第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9) 之间的距离d为20mm ;然后,采用高压电源为待测压电陶瓷管(7)提供驱动电压,并打开振镜(1 的驱动电源使振镜(13)开始做简谐振动;同时,打开Htl固体激光器O);开始测量,在测量过程中,调节所述高压电源的输出电压信号U,同时信号处理系统( 连续采集光电探测器(4)输出的电信号,并对采集到的信号进行处理,进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9) 之间的距离变化量Ad,所述距离变化量Ad等于待测压电陶瓷管(7)在加电前后的长度变化量AL,根据该距离变化量和此时高压电源输出的电压信号获得待测压电陶瓷管(7)的电磁致伸缩系数ALdii a=-LU其中,L是待测压电陶瓷管(7)的未加电状态的原始长度;Cltl是待测压电陶瓷管(7)的壁厚。
7.根据权利要求6所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法,其特征在于,所述信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号,并对采集到的信号进行处理,进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量Ad的过程为振分束镜PBS(Il)透射后的光束斜入射至薄玻璃板(9)的入射角为θ ^,此时的入射光场为E (t) = Exexp (i ω 0t),式中&为常数,i表示虚数,Qtl为激光角频率; 振镜(13)的振动方程为χ (t) = X0Cos ( ω ct),振镜(13)的速度方程为 v(t) = -cocx0sin(coct),式中^为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间, 由于振镜(13)的振动,薄玻璃板(9)的反射光的频率为 ω = ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω ct) /c),则在t-1/c时刻到达薄玻璃板(9)表面并被该表面反射的反射光的光场为 E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c) (t-l/c) + ω 0x0cos (ω c (t_l/c)) /c]}式中C^ = r,r为光从周围介质射入待测薄玻璃板(9)前表面的反射系数,1为振镜 (13)到薄玻璃板(9)之间的距离;经薄玻璃板(9)透射的光在不同时刻被第二平面反射镜(6)连续反射m次,获得透过薄玻璃板(9)的m束透射光的光场分别为E1 (t) = α AexpU [ω0(1-2 cocx0sin(ωc(t_(L+2ndcos θ )/c))/c) (t- (L+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+2ndcos θ )/c)) /c]} E2 (t) = α 2E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+4ndcos θ ) /c)) /c) (t- (L+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+4ndcos θ )/c)) /c]} E3 (t) = α 3E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+6ndcos θ ) /c)) /c) (t- (L+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+6ndcos θ ) /c)) /c]},Em (t) = α ,J1E1Gxp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+2mndcos θ ) /c)) /c) (t- (L+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+2mndcos θ ) /c)) /c]}其中,参数Q1=Mr",......, αω= β2Γ" V1—1,!·为薄玻璃板(9)的反射系数,β为薄玻璃板(9)的透射系数,r"为平面反射镜(6)的反射系数,d为检测过程中薄玻璃板 (9)的后表面和第二平面反射镜(6)的反射面之间的距离,θ为光束透过薄玻璃板(9)时的折射角,m为正整数,η为第二平面反射镜(6)与薄玻璃板(9)之间介质的折射率; 光电探测器(4)接收到的总光场为 E (t) = E0 (t) +E1 (t) +E2 (t) +··· +Em (t), 则光电探测器⑷输出的光电流为
8.根据权利要求7所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法,其特征在于,当所述高压电源的输出电压信号U持续不变时,多次测量并获得多个二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量Ad,然后对多个距离变化量Ad 加权平均,获得最终的距离变化量Ad。
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法,属于微位移检测技术领域。它解决了传统的外差干涉测电致伸缩系数的技术由于其外差信号频谱只含单一频率信息,而使测量精度低的问题。本发明装置由电极、H0固体激光器、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、四分之一波片、振镜、二维调整架、待测压电陶瓷管、第二平面反射镜、薄玻璃板、会聚透镜、高压电源、光电探测器和信号处理系统组成;方法为使第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行,并且之间的距离d为20mm,打开振镜的驱动电源及打开H0固体激光器;信号处理系统对信号进行处理,最终获得待测压电陶瓷管的电磁致伸缩系数。本发明适用于电致伸缩系数的测量。
文档编号G01B7/02GK102323497SQ20111014507
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者丛海芳, 曲杨, 李彦超, 王春晖, 邵文冕, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学


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