一种压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置及方法。本发明所述的检测装置，主要包括迈克尔逊干涉仪、信号控制器、光电探测器和数据采集显示系统。本发明运用迈克尔逊干涉原理进行光路系统的结构设计，通过对压电陶瓷施加扫描电压，产生光程差并得到干涉条纹，利用光电探测器探测干涉光上某点的光强变化，通过数据采集显示系统得到电压-光强变化曲线来判断压电陶瓷的相对位置变化，从而判断压电陶瓷的动态频率响应特性。本发明在考察压电陶瓷动态频率响应方面提供了简单有效、测量精度高、具有通用性且易于使用的检测装置及方法。
【专利说明】—种压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密器件的位移频率响应检测领域，具体涉及一种压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]压电陶瓷具有响应快、精度高、适用频率范围宽、体积小、不吸潮、寿命长等优点，现已广泛应用于精密仪器、机械控制、微电子技术、生物工程、光学工程等领域。在一些动作速度快、位移精度高的使用场合，要求压电陶瓷有位移响应快、频率平坦的特点，因此需要测试压电陶瓷在不同电压、频率下的动态频率响应性质。现阶段，关于压电陶瓷动态频率响应的测试方法较少，运用的手段常为速度传感法、应变片反馈法。但运用这些手段的检测装置过于复杂且实现困难，测试精度不高，且对传感器响应速度要求苛刻，制造成本高。因此，如何能方便快捷且高精度的检测压电陶瓷动态频率响应成为一个亟待解决的问题。而利用光学干涉手段检测的方法简单、且通用性较强，易于在实验室中使用，可测量压电陶瓷在不同扫描波形频率下的动态响应，测量精度可达纳米级，适用于要求极高的光学谐振腔中。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置及方法，具有简单有效、测量精度高、具有通用性且易于使用的优点。
[0004]本发明的光学检测装置包括了迈克尔逊干涉仪、信号控制器、光电探测器和数据采集显示系统，其中所述迈克尔逊干涉仪双光束臂分别为参考臂和测量臂，待检测的压电陶瓷紧固于所述测量臂中的移动反光镜后，所述移动反光镜随所述压电陶瓷形变在光路方向发生位移；所述信号控制器向所述压电陶瓷施加扫描电压；所述迈克尔逊干涉仪干涉光出射至所述光电探测器；光电探测器探测干涉光选定点的光强并输出信号至所述数据采集显不系统。
[0005]优选的，所述迈克尔逊干涉仪包括单色光源、扩束镜组件、分光镜、参考反光镜和移动反光镜。更优选的，所述参考反光镜设置在所述参考臂中，所述移动反光镜设置在所述测量臂中。
[0006]优选的，所述干涉光出射光路依次设置偏转反光镜和小孔光阑，所述干涉光经小孔光阑后射入所述光电探测器。
[0007]优选的，所述信号控制器向压电陶瓷施加连续的扫描电压信号。
[0008]本发明的光学检测方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1:将迈克尔逊干涉仪中双干涉臂之一作为测量臂，所述测量臂中设置移动反光镜；将另一臂作为参考臂；
[0010]步骤2:将待检测压电陶瓷紧固于迈克尔逊干涉仪中的移动反光镜后，使移动反光镜可随所述压电陶瓷形变在光路方向上发生位移；
[0011]步骤3:向所述压电陶瓷施加扫描电压，使所述压电陶瓷随扫描电压发生形变；
[0012]步骤4:所述迈克尔逊干涉仪使用单色光源，选定输出的干涉条纹上的一点，探测并采集该点光强随所述扫描电压的变化；
[0013]步骤5:改变所述扫描电压的频率，得到不同扫描频率下的待检测压电陶瓷频率响应特性曲线。
[0014]优选的，所述参考臂与测量臂的长度均小于所述单色光源的相干长度。
[0015]优选的，所述迈克尔逊干涉仪输出的干涉光使用小孔光阑成像。
[0016]优选的，所述步骤3中向压电陶瓷两端分别施加扫描电压。
[0017]更优选的，所述压电陶瓷两端的扫描电压为不同波形。
[0018]根据上述检测方法，由迈克尔逊干涉仪的单色光源发出的单色光经过其扩束镜组件扩束后依次经过分光镜分为两束光，两路光束分别通过参考反光镜和移动反光镜反射并原路返回至分光镜，两束光的光程长度不同，即存在光程差Λχ，经由分光镜汇总形成干涉光。干涉光经过沿干涉光出射光路依次设置的偏转反光镜和小孔光阑射入光电探测器，形成明暗干涉条纹，所述明暗条纹满足公式Λχ = ηλ/2，其中η为整数，当η是偶数时为明条纹，η是奇数时为暗条纹；λ为所用单色光源的波长。光电探测器探测干涉条纹选定点上的光强变化，输出信号至数据采集显示系统，得到所述扫描电压信号下的压电陶瓷驱动电压-光强变化曲线。
[0019]本发明的有益效果是，提供了一种检测方法简单、通用性强，易于在实验室中使用的快速检测压电陶瓷动态频率响应的装置及方法。该装置和方法运用了迈克尔逊干涉原理进行光路系统的结构设计，具有结构简单，安装和使用方便，测量精度可达到纳米级别，结果直观可靠等优点，可适用于要求极高的光学谐振腔中。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置结构示意图；
[0021]图2是实施例中测得的压电陶瓷电压-光强变化曲线图；
[0022]其中:1-迈克尔逊干涉仪；101-单色光源；102_扩束镜组件；103_分光镜；111-参考臂；112-参考反光镜；121-测量臂；122_移动反光镜；131-偏转反光镜；132_小孔光阑；2_信号控制器；3_光电探测器；4_数据采集显示系统；5_压电陶瓷。
【具体实施方式】
[0023]本发明提供了一种采用光学手段检测压电陶瓷动态频率响应的检测装置和方法，下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0024]如图1所示，迈克尔逊干涉仪I的单色光源101发出的光依次通过扩束镜组件102和分光镜103，被分光镜分为两路光束，反射光束作为参考臂111，透射光束作为测量臂121 ;参考反光镜112设置在参考臂111中，移动反光镜122设置在测量臂121中；压电陶瓷5紧固于移动反光镜122之后,信号控制器2向压电陶瓷5施加扫描电压,移动反光镜122随压电陶瓷5形变在光路方向发生位移；迈克尔逊干涉仪I的干涉光经过偏转反光镜131和小孔光阑132出射至光电探测器3 ;光电探测器3探测干涉光选定点的光强并输出信号至数据采集显示系统4。
[0025]本实施例所用的单色光源101为红光，632.Snm ;压电陶瓷5以及信号控制器2由南京中科神光科技有限公司自制研发，其中，所述信号控制器2可以在压电陶瓷的两端添加不同频率的扫描电压；光电探测器3为PIN探测器；数据采集显示系统4为泰克MD04104B-6。
[0026]具体操作如下:
[0027](I)搭建如图1所示的光路系统图，依次将沿光路的光学元件摆放在固定位置。
[0028](2)通过调节参考反光镜112来调节光束臂长，使参考臂和测量臂尽量等臂，光束臂小于所用光源的相干长度，此处设定干涉臂长为L = 20mm ;使干涉光经过偏转反光镜131和小孔光阑132后可以在光电探测器3处形成稳定的干涉条纹。
[0029](3)设置信号控制器2，产生一个驱动扫描电压，电压波形为正弦电压，频率为100Hz，电压幅值为80V ;使得压电陶瓷5可以在设定的正弦电压扫描下发生微小位移，与压电陶瓷5相贴合的移动反光镜122也随之移动。
[0030](4)移动反光镜122发生微小位移后，使得光程差Λ X发生变化，引起光电探测器3处的光强发生变化，光电探测器3将光强度变化转换为电信号。
[0031](5)将光电探测器3的输出信号用电压探头连接在数据采集显示系统4的信号输入端，可以在数据采集显示系统4上实时观测压电陶瓷的动态响应。
[0032](6)通过数据采集显示系统4记录的不同扫描频率下的电压一光强变化可以检测压电陶瓷在不同频率下的动态响应。
[0033]测量得到的电压-光强变化曲线图如图2所示:
[0034]曲线I为正弦扫描电压曲线；
[0035]曲线2为测得的压电陶瓷响应曲线，其中波峰为明条纹，波谷为暗条纹；
[0036]图2中横坐标代表时间，每一间隔表示时间2ms ;纵坐标代表电压，但每一间隔所表示的电压幅值不定，视具体曲线而定。以本实施例的纵坐标为例，曲线I是每间隔代表20V，而曲线2是每间隔代表100mV。
[0037]从曲线I可以读出信号控制器2对压电陶瓷5施加的电压幅值为80V，频率为10Hz。
[0038]从曲线2可以读出压电陶瓷响应:相邻波峰-波峰的距离为Λχ= λ ;相邻波峰-波谷的距离为Λχ= λ/2 ;相邻波峰-波峰的时间为AT = 2/5ms ;相邻波峰-波谷的时间为ΔΤ = l/5ms。
[0039]从而可以求得速度、加速度等响应参数。还可以测试多个周期电压内相邻波峰-波峰或波峰-波谷的从而求得更精确的平均值。
[0040]以上内容仅仅是对本发明的【具体实施方式】所作的举例和说明，应该指明的是，依据本发明的构想对上述实施方式进行修改或补充或采用类似的方式替代，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置，其特征在于:包括迈克尔逊干涉仪、信号控制器、光电探测器和数据采集显示系统；其中所述迈克尔逊干涉仪双干涉臂分别为参考臂和测量臂，待检测的压电陶瓷紧固于所述测量臂中的移动反光镜后，所述移动反光镜随所述压电陶瓷形变在光路方向上发生位移；所述信号控制器向所述压电陶瓷施加扫描电压；所述迈克尔逊干涉仪干涉光出射至所述光电探测器；所述光电探测器探测干涉光选定点的光强并输出信号至所述数据采集显示系统。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置，其特征在于:所述迈克尔逊干涉仪包括单色光源、扩束镜组件、分光镜、参考反光镜和移动反光镜。
3.根据权利要求2所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置，其特征在于:所述参考反光镜设置在所述参考臂中，所述移动反光镜设置在所述测量臂中。
4.根据权利要求1所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置，其特征在于:所述干涉光出射光路依次设置偏转反光镜和小孔光阑，所述干涉光经小孔光阑后射入所述光电探测器。
5.根据权利要求1至4任一项所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测装置，其特征在于:所述信号控制器向压电陶瓷施加连续的扫描电压信号。
6.一种压电陶瓷动态频率响应的光学检测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:将迈克尔逊干涉仪中双干涉臂之一作为测量臂，所述测量臂中设置移动反光镜；将另一臂作为参考臂； 步骤2:将待检测压电陶瓷紧固于迈克尔逊干涉仪中的移动反光镜后，使移动反光镜可随所述压电陶瓷形变在光路方向上发生位移； 步骤3:向所述压电陶瓷施加扫描电压，使所述压电陶瓷随扫描电压发生形变； 步骤4:所述迈克尔逊干涉仪使用单色光源，选定输出的干涉条纹上的一点，探测并采集该点光强随所述扫描电压的变化； 步骤5:改变所述扫描电压的频率，得到不同扫描频率下的待检测压电陶瓷频率响应特性曲线。
7.根据权利要求6所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测方法，其特征在于:所述参考臂与测量臂的长度均小于所述单色光源的相干长度。
8.根据权利要求6所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测方法，其特征在于:所述迈克尔逊干涉仪输出的干涉光使用小孔光阑成像。
9.根据权利要求6至8任一项所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测方法，其特征在于:所述步骤3中向压电陶瓷两端分别施加扫描电压。
10.根据权利要求9所述的压电陶瓷动态频率响应的光学检测方法，其特征在于:所述压电陶瓷两端的扫描电压为不同波形。
【文档编号】G01R31/00GK104237696SQ201410505826
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】周军, 宋维尔, 吴佳滨, 卢栋, 丁建永 申请人:南京中科神光科技有限公司