多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法

日期:2019-03-02 15:12:00

专利名称:多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法
技术领域
本发明涉及一种测量电致伸缩系数的方法。
背景技术
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。但是现有的激光外差测量技术在测量电致伸缩系数存在的采集激光差频信号质量较低,信号处理的运算速度慢的问题。

发明内容
本发明为了解决现有采用激光外差测量技术在测量电致伸缩系数存在的采集激光差频信号质量较低,信号处理的运算速度慢的问题,而提出的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法。多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法,它是基于多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数实现的,所述系统由Htl 固体激光器、四分之一波片、振镜、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、会聚透镜、薄玻璃板、 第二平面反射镜、待测压电陶瓷管、二维调整架、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后表面和第二平面反射镜之间反复反射和透射出薄玻璃板多次,获得多束经薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光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;所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法由如下步骤实现首先,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 4. 25mm ;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振动;同时,打开Htl固体激光器;最后,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,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设用E表示待测压电陶瓷管内外表面加上电压后,在待测压电陶瓷管内外表面间形成的径向电场的电场强度,用ε表示待测压电陶瓷管轴向的应变,α表示待测压电陶瓷管在准线性区域内的电致伸缩系数,于是得到ε = α E公式 1按上式有
权利要求
1.多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法,它是基于多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数实现的,所述系统由Htl固体激光器O)、四分之一波片(1 、振镜(1 、第一平面反射镜C3)、偏振分束镜PBS (11)、会聚透镜(10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射镜(6)、待测压电陶瓷管(7)、二维调整架(8)、高压电源、光电探测器(4)和信号处理系统( 组成;Htl固体激光器(2)发出的线偏振光经第一平面反射镜(3)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(1 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) 后表面和第二平面反射镜(6)之间反复反射和透射出薄玻璃板多次,获得多束经薄玻璃板 (9)透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通过会聚透镜(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;其特征在于所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法由如下步骤实现首先,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4. 25mm ;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)开始振动;同时,打开Htl固体激光器(2)。最后,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,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)的电磁致伸缩系数设用E表示待测压电陶瓷管(7)内外表面加上电压后,在待测压电陶瓷管(7)内外表面间形成的径向电场的电场强度,用ε表示待测压电陶瓷管(7)轴向的应变,α表示待测压电陶瓷管(7)在准线性区域内的电致伸缩系数,于是得到ε公式中,Δ1是待测压电陶瓷管(7)在加电前后的长度增量,即等于第二平面反射镜 (6)和薄玻璃板(9)之间的距离变化量,1是待测压电陶瓷管(7)的未加电状态的原始长度;dQ是待测压电陶瓷管(7)的壁厚;所述信号处理系统( 根据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(9)之间的距离变化量的过程为由于激光在薄玻璃板(9)前表面的反射光与第二平面反射镜(6)入射面反射k次和 k+Ι次后的透射出玻璃前表面的光混频,产生两个幅度相差2 3个数量级的差频信号,所述方法的二次谐频差为检测到后表面k次反射的&与后表面k+2次反射后的Ek+2光混频所产生;不考虑薄玻璃板(9)自身厚度的情况下,当激光以入射角θ ^斜入射薄玻璃板(9)前表面时的入射光场为E (t) = EieXp(ico0t),振镜(13)的简谐振动方程为x(t) =x0cos( ct); 振镜(13)的速度方程为 ν(t) =-cocXoSin(coct),反射光的频率变为ω = 0^(1-2034^^(033)/c),上式中参数Coci为激光角频率,参数^为振镜(13)振动的振幅,参数ω。为振镜(13)的角频率,c为光速,t为时间; 则t-L/c时刻到达薄玻璃板(9)的反射光场为E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-L/c)) /c)公式 4(t-L/c) + ω 0x0cos (ω c (t_L/c)) /c]}式中,参数= r,r为薄玻璃板(9)的反射系数;L为振镜(13)到不计厚度薄玻璃板(9)前表面的距离屯为振幅常数;经薄玻璃板(9)透射的光在不同时刻被第二平面反射镜(6)后表面多次反射并多次透射出薄玻璃板(9)的前表面,其透射光的表达式分别写成如下形式 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]}公式 5Em (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,下标m取值为0,1,2,......,η为薄玻璃板(9)和第二平面反射镜(6)之间介质的折射率,Q1 = β2Γ",......, αω= ^1r" V-1, β为薄玻璃板(9)的透射系数,r"为第二平面反射镜(6)的反射系数,参数d为薄玻璃板(9)到第二平面反射镜(6)的距离, θ为入射光透过薄玻璃板(9)后的折射角, 光电探测器(4)接收到的总光场表示为E(t) = E0 (t)+E1U)+-+Em (t)公式 6则光电探测器(4)输出的光电流表示为/=|^1[去[£。(0+哉(0+".+&(0+"収。(0+哉(0+".+&(0+".]*论公式7其中,参数e为电子电量,参数Z为探测器表面介质的本征阻抗,参数η为量子效率, 参数S为探测器光敏面的面积,参数h为普朗克常数,参数ν为激光频率,*号表示复数共轭;整理得到激光外差二次谐波信号的中频电流为 h =^-Mt Σ (&(,)五+⑴玲公式 8ZnV 乙 s P=O J=P+2将公式4和公式5代入公式8,结果为1IF=jT-KY, TjOC^ai CO^--+ --^——公式 9hv Z Pi T^occcSnd cos θW0W2c X0 (L + 2pnd cos θ) ^ ]忽略1/c3的小项之后简化为τ ηβ π ^2^,Sndcosθωηω^xn 2<axn -Andwn cos(9N ;> ,、Iif = T--^oZ Σ aj+Paj cos(-2 o, + ^^-9——)公式 10hv Z Picc其中,参数P和j均为非负整数; 根据公式10,把激光外差二次谐波信号的频率记为 / = %nd cos θW0W2c x0 / (Inc2) = And cos θW0O^x0 / (nc2) = Kd 公式 11根据公式11得出,激光外差二次谐波信号的频率与薄玻璃板(9)和第二平面反射镜 (6)之间的距离d成正比,比例系数为 K = An cos θω0ω^χ0 / (ttc2)公式 12通过公式11测出薄玻璃板(9)和第二平面反射镜(6)之间的距离d,当d改变时, 根据公式11测出对应d的变化量Ad,得到Ad根据《 = ^,获得待测压电陶瓷管(7) 电致伸缩系数。
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二次谐波测量电致伸缩系数的方法,其特征在于待测压电陶瓷管(7)采用PZT压电陶瓷体制作。
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二次谐波测量电致伸缩系数的方法,其特征在于多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的系统中,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- 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)。
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量电致伸缩系数的方法,它涉及一种测量电致伸缩系数的方法。它为解决现有采用激光外差测量技术在测量电致伸缩系数存在的采集激光差频信号质量较低,信号处理的运算速度慢的问题而提出。第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行,振镜开始简谐振动;同时,打开H0固体激光器,调节高压电源的输出电压信号,同时信号处理系统连续采集并处理光电探测器输出的电信号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,得到待测压电陶瓷管的电磁致伸缩系数它具有采集的激光差频信号质量高和信号处理的运算速度快的优点。它可在相关激光测风雷达等领域广泛使用。
文档编号G01N21/45GK102253002SQ20111014515
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者李彦超, 王春晖 申请人:哈尔滨工业大学


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