线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置及方法
【专利摘要】线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置及方法，属于光学测量【技术领域】。本发明为了解决压电陶瓷管在内外表面施加电压时产生的轴向长度变化量很微小，常规测量方法的测量结果精度低的问题。装置包括待测压电陶瓷管、线性调频激光器、第一平面反射镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、二维调整架、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；方法为使光电探测器开始接收光束信号，数字信号处理器连续采集光电探测器输出的电信号，并进行处理，根据频率与距离之间的关系获得薄玻璃板与第二平面反射镜之间的当前距离，再根据电致伸缩系数的公式，获得待测压电陶瓷管的电致伸缩系数。本发明用于测量电致伸缩系数。
【专利说明】线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置及方法，属于光学测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]具有压电效应的物体称为压电体，现已发现具有压电特性的多种物体，其中有单晶、多晶，如多晶陶瓷，及某些非晶固体，选用圆管形的压电陶瓷作为待测样品，其外形和结构如图5所示。它由锆钛酸铅PZT制成，圆管的内外表面镀银，作为电极，接上引出导线，就可对其施外加电压，实验表明，当在它的外表面加上电压，并且内表面接地时，圆管伸长，反之，加负电压时，圆管缩短。
[0006]用E表不圆管内外表面加上电压后,在内外表面间形成的径向电场的电场强度，用ε表示圆管轴向的应变，α表示压电陶瓷在准线性区域内的电致伸缩系数，则:
[0007]ε = a E ；
[0008]若圆管的长度为1，加在其内外表面的电压为U，加电压后的长度增量为Al，圆管的壁厚为Cltl (均以mm为单位)，则按上式有:
【权利要求】
1.一种线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置，它包括待测压电陶瓷管(I)，其特征在于，它还包括线性调频激光器(2)、第一平面反射镜(3)、薄玻璃板(4)、第二平面反射镜(5)、二维调整架(6)、会聚透镜(7)、光电探测器(8)和信号处理系统(9)， 第二平面反射镜(5)与待测压电陶瓷管(I)的一端粘接固定，待测压电陶瓷管(I)的另一端固定在二维调整架(6)上，待测压电陶瓷管(I)的另一端具有电源连接线，二维调整架(6)的位置为固定； 线性调频激光器(2)发射的线偏振光经过第一平面反射镜(3)反射后，斜入射到薄玻璃板(4)上，经薄玻璃板(4)透射的光被第二平面反射镜(5)反射后与经过薄玻璃板(4)前表面反射的光共同被会聚透镜(7)汇聚到光电探测器⑶的光敏面上，光电探测器⑶输出的电信号传送给信号处理系统(9)。
2.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置，其特征在于，信号处理系统(9)由滤波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模数转换器(9-3)和数字信号处理器(9-4)组成， 滤波器(9-1)用于接收光电探测器(8)输出的电信号，滤波器(9-1)输出滤波信号给前置放大器(9-2)，经前置放大器(9-2)放大的模拟信号传送给模数转换器(9-3)，经模数转换器(9-3)转换为数字信号后传送给数字信号处理器(9-4)。
3.根据权利要求1或2所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置，其特征在于，薄玻璃板(4)与第二平面反射镜(5)之间的初始距离为20.25mm。
4.根据权利要求3所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置，其特征在于，薄玻璃板(4)与第二平面反射镜(5)相互平行。
5.一种线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的方法，该方法基于权利要求4所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置实现，其特征在于，它获取电致伸缩系数的方法如下: 首先，将高压电源与待测压电陶瓷管(I)的电源连接线连接，调节高压电源的输出；同时，打开线性调频激光器(2)，使其发射线偏振光，并使光电探测器(8)开始接收光束信号，数字信号处理器(9-4)连续采集光电探测器(8)输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，根据频率与距离之间的关系:
f = Kd, 进而获得薄玻璃板(4)与第二平面反射镜(5)之间的当前距离d:
d = f/K, 式中f为外差信号的频率，K为比例系数； 由薄玻璃板(4)与第二平面反射镜(5)之间的当前距离d与薄玻璃板(4)与第二平面反射镜(5)之间的初始距离，获得距离变化量△(!，该距离变化量△(!的数值与待测压电陶瓷管(I)的长度变化量Al的数值相等， 再根据电致伸缩系数α的公式:
6.根据权利要求5所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的方法，其特征在于， 薄玻璃板(4)与第二平面反射镜(5)之间的距离变化量△(!的具体获得方法为:设定第一平面反射镜(3)的反射光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(4)，此时光电探测器(8)接收的光束信号的总光场ΕΣ (t)为:
Ee (t) = E1 (t) +E2 (t) +...+Em (t)，m 为大于 I 的正整数； 式中E1 (t)为t-L/c时刻到达薄玻璃板(4)前表面并被该前表面反射的反射光的光场，按以下公式获得:
7.根据权利要求6所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的方法，其特征在于，COS Θ的结果通过多光束激光外差二次谐波信号频谱中两个频谱曲线中心频率的比值ζ获得:
ζ = COS Θ。
【文档编号】G01N21/45GK103954591SQ201410206043
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】李彦超, 甄佳奇, 杨九如, 冉玲苓, 高扬, 杨瑞海, 杜军, 丁群, 王春晖, 马立峰, 于伟波 申请人:黑龙江大学