专利名称：多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置及方法
技术领域：
本发明涉及测量技术领域，具体涉及到一种电致伸缩系数的测量技术。
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，其测量的相对误差可达1%。该方法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，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
为了解决现有各种压电晶体的电致伸缩系数的测量方法的测量精度不能够满足现有高精密测量领域的要求的问题，本发明提出了一种多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置及方法。本发明所述的多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置由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和第二平面反射镜之间反复折射多次，获得多束经薄玻璃板透射之后的光束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；薄玻璃板和第二平面反射镜之间的距离为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，该待测压电陶瓷管在电压的作用下产生轴向形变。采用上述多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置实现电致伸缩系数测量的方法为首先，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，两个平板之间等高，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，将用高压电源的两个电极输出端分别通过电极与待测压电陶瓷管的内表面和外表面相连接，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
权利要求
1.多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置，其特征在于，该装置由HO固体激光器 (2)、四分之一波片(12)、振镜(13)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS(Il)、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(5)组成；HO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(12)透射后入射至振镜 (13)的光接收面，经该振镜(13)反射的光束再次经四分之一波片(12)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)之间反复折射多次，获得多束经薄玻璃板(9)透射之后的光束通过会聚透镜(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)和第二平面反射镜(6)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)的内表面 (7-1)和外表面(7-2)分别通过电极(1)与高压电源的两个电压输出端连接，该待测压电陶瓷管(7)在电压的作用下产生轴向形变。
2.根据权利要求1所述的多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置，其特征在于， 所述距离d为20mm。
3.根据权利要求1所述的多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置，其特征在于， 所述振镜(13)为多普勒振镜，其振动方程和速度方程分别是x(t) =a(t2/2)和v(t) =at, a为振镜的振动加速度。
4.根据权利要求1所述的多光束激光外差法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)和控制电路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控制电路DSP。
5.采用权利要求1所述的多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置实现电致伸缩系数测量的方法，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，两个平板之间等高，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，将用高压电源的两个电极输出端分别通过电极与待测压电陶瓷管(7)的内表面和外表面相连接，并打开振镜(13)的驱动电源使振镜(13)开始振动；同时，打开HO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(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(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
6.根据权利要求5所述的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)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做进一步说明，该过程为经该偏振分束镜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) = E0exp (i ω0 ),式中Etl为常数，i表示虚数，Oci为激光角频率，该角频率为 ω0 = (1+at/c) / ω公式中ω是薄玻璃板(9)的入射光的频率，a为振镜(13)的振动加速度，c为光速； 则在t-1/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
全文摘要
多光束激光外差法测量电致伸缩系数的装置及方法，涉及测量技术领域，具体涉及到一种电致伸缩系数的测量技术。它解决了现有各种压电晶体的电致伸缩系数的测量方法的测量精度不能够满足现有高精密测量领域的要求的问题。本发明是基于激光外差技术和多普勒效应而设计的，所述装置在光路中利用振镜对不同时刻的入射光进行频率调制，得到了多光束激光外差信号，其信号频谱中同时包含多个频率值，每个频率值都包含待测参数信息，经过解调后可同时得到多个待测参数值，对得到的多个参数值加权平均，获得了高精度的待测参数。采用对锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷进行了仿真实验来验证本发明的方法，测量相对误差仅为0.98％。
文档编号G01N21/45GK102175647SQ20111002988
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者曲杨, 李彦超, 王春晖, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学