一种基于白光干涉标定PZT位移量的方法与流程

本发明涉及光干涉计量测试领域，具体涉及一种基于白光干涉标定PZT位移量的方法。

背景技术：

压电陶瓷(PZT)是一种能够将机械能与电能互相转化的信息功能陶瓷材料。当在PZT的极化方向上施加电场，PZT会在一定的方向上产生形变，这种形变可以是压力也可以是推力。当外加电场撤去时，在一定电压范围内，相应的形变也会恢复。PZT的应用非常广泛，包括声音转换器，超声波换能器，压电点火装置等。

PZT作为体积小、位移分辨率高的微位移器件，在拉伸光纤光栅、改变光纤光栅反射特性方面有重要作用。其中，PZT的动态位移曲线，即自身伸缩量随电压的变化关系尤为重要。但是，PZT的结构和工作机理复杂，使得它的位移量随电压的改变并不是严格意义上的线性关系，存在一定的蠕变、迟滞和非线性特性。因此，在使用前，必须对PZT的位移量进行严格标定。现有的方法有边缘追踪法、傅里叶变换标定法、多次迭代算法、重叠四步平均法等。这些方法计算量较大、要求高、很难实时标定，不能适应PZT在使用过程中因外界环境而造成的自身位移特性变化的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于白光干涉标定PZT位移量的方法，操作简单、实时性好、成本低。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于白光干涉标定PZT位移量的方法，步骤如下：

步骤一：搭建基于白光干涉标定PZT位移量的方法的实验装置：

将PZT和靠体均固定在刚性台面上，刚性台面设置在白光干涉仪的载物台上，PZT设置在靠体的一侧，且两者顶面构成台阶面；PZT电源引出端接0-200V的可调电源，白光干涉仪的物镜设置在台阶面的正上方；计算机与白光干涉仪连接。

步骤二：缓慢向下移动白光干涉仪的物镜，分别寻找靠体顶面和PZT顶面的最佳共焦面位置，进行测试参数设置。

步骤三：调节可调电源的电压，0-150V之间时，每隔15V测量台阶面的台阶高，所述PZT(2)位移量l_1Bi＝h_1Bi-h₀，i＝1,2,3…10，其中，h₀表示电压为0V时对应的台阶高，h_1Bi表示电压为15V倍数时对应的台阶高，i为测量间隔。

步骤四：在电压回程中，每隔15V，测量台阶面的台阶高，所述PZT位移量l′_1Bi′＝h′_1Bi′-h₀，i′＝9,8,7…1,0,其中，h′_1Bi′表示电压为15V倍数时对应的台阶高，i′为测量间隔。

所述靠体包括金属块和平板玻璃，金属块设置在平板玻璃上，平板玻璃设置在刚性台面上，保证PZT与金属块接触，两者顶面构成台阶面。

所述白光干涉仪采用10倍放大物镜，焦距为7.5mm。

上述步骤二中，将白光干涉仪的物镜先粗调至距离台阶面7.5mm处，调整视场的亮度；再进行微调，分别找到靠体顶面和PZT顶面的最佳共焦面位置，此时干涉条纹对比度最好，并记录此时两个位置的z轴坐标；在参数设置中进行扫描距离和回程距离的设置。

上述步骤三中，在台阶面上设定任意三组采样位置，缓慢调节可调电源的电压，从0V开始，每隔15V记录上述三组采样位置的台阶高；在每个采样电压处先停留若干秒，保证PZT形变完成，再记录台阶高。

在步骤三的电压上升过程中，对每个电压值处对应的三组采样位置的台阶高求均值，作为该电压值处的台阶高。

步骤四中，缓慢调节可调电源的电压，从150V开始，往0V调节，每隔15V记录上步骤三中的三组采样位置的台阶高；在每个采样电压处先停留若干秒，保证PZT形变完成，再记录台阶高。

上述任意一组位置均包括两个点，一个点在靠体顶面，另一个点在PZT顶面。

将步骤四电压下降过程中，对每个电压值处对应的三组采样位置的台阶高求均值，作为该电压值处的台阶高。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

(1)相对于重叠四步平均法，本发明标定时间短，操作简单，实时性好。

(2)相对于已有的标定方法，本发明成本低，计算量较小。

附图说明

图1为本发明基于白光干涉标定PZT位移量的方法的流程图。

图2为本发明实现基于白光干涉标定PZT位移量的方法的装置结构图。

图3为本发明实施例1中75V时对应的采样位置的台阶高采样图。

图4为本发明实施例1中测得的PZT伸长量与电压的动态曲线图。

图5为厂家提供的PZT伸长量与电压的动态曲线图。

具体实施方式

结合图1和图2，一种基于白光干涉标定PZT位移量的方法，步骤如下：

步骤一：搭建基于白光干涉标定PZT位移量的方法的实验装置：

将PZT 2和靠体4均固定在刚性台面3上，刚性台面3设置在白光干涉仪1的载物台8上，PZT 2设置在靠体4的一侧，且两者顶面构成台阶面6；PZT 2电源引出端接0-200V的可调电源7，白光干涉仪1的物镜设置在台阶面6的正上方；计算机5与白光干涉仪1连接。

步骤二：缓慢向下移动白光干涉仪1的物镜，分别寻找靠体4顶面和PZT 2顶面的最佳共焦面位置，进行测试参数设置，具体方法如下：

将白光干涉仪1的物镜先粗调至与台阶面6距离为7.5mm处，调整视场的亮度；再进行微调，分别找到靠体4顶面和PZT 2顶面的最佳共焦面位置，此时干涉条纹对比度最好，并记录此时两个位置的z轴坐标；在参数设置中进行扫描距离和回程距离的设置。

步骤三：调节可调电源7的电压，0-150V之间时，每隔15V测量台阶面6的台阶高，所述PZT 2位移量l_1Bi＝h_1Bi-h₀，i＝1,2,3…10，其中，h₀表示电压为0V时对应的台阶高，h_1Bi表示电压为15V倍数时对应的台阶高，i为测量间隔:

在台阶面6上设定任意三组采样位置，缓慢调节可调电源7的电压，从0V开始，每隔15V记录上述三组采样位置的台阶高；在每个采样电压处先停留若干秒，保证PZT 2形变完成，再记录台阶高。对每个电压值处对应的三组采样位置的台阶高求均值，作为该电压值处的台阶高。

上述任意一组位置均包括两个点，一个点在靠体4顶面，另一个点在PZT 2顶面。

步骤四：在电压回程中，每隔15V，测量台阶面(6)的台阶高，所述PZT位移量l′_1Bi′＝h′_1Bi′-h₀，i′＝9,8,7…1,0,其中，h′_1Bi′表示电压为15V倍数时对应的台阶高，i′为测量间隔。

缓慢调节可调电源7的电压，从150V开始，往0V调节，每隔15V记录上步骤三中的三组采样位置的台阶高；在每个采样电压处先停留若干秒，保证PZT2形变完成，再记录台阶高。在电压下降过程中，对每个电压值处对应的三组采样位置的台阶高求均值，作为该电压值处的台阶高。

所述靠体4包括金属块和平板玻璃，金属块设置在平板玻璃上，平板玻璃设置在刚性台面3上，保证PZT 2与金属块接触，两者顶面构成台阶面6。

所述白光干涉仪1采用10倍放大物镜，焦距为7.5mm。

PZT 2底部与刚性台面3粘接的胶水只起固定作用，要方便取下来；所述靠体4中金属块的顶面与接触面要足够平整光滑；PZT 2与靠体4中金属块的接触面保持一定应力贴合即可，即要保证PZT 2可以自由伸缩。

实施例1

本发明的步骤如下：

步骤一：搭建基于白光干涉标定PZT位移量的方法的实验装置：

将PZT 2和靠体4均固定在刚性台面3上，刚性台面3设置在白光干涉仪1的载物台8上，PZT 2设置在靠体4的一侧，且两者顶面构成台阶面6；PZT 2电源引出端接0-200V的可调电源7，白光干涉仪1的物镜设置在台阶面6的正上方；计算机5与白光干涉仪1连接。

步骤二：缓慢向下移动白光干涉仪1的物镜，分别寻找靠体4顶面和PZT 2顶面的最佳共焦面位置，进行测试参数设置，具体方法如下：

将白光干涉仪1的物镜先粗调至与台阶面6距离为7.5mm处，调整视场的亮度；再进行微调，分别找到靠体4顶面和PZT 2顶面的最佳共焦面位置，此时干涉条纹对比度最好，并记录此时两个位置的z轴坐标；在参数设置中进行扫描距离和回程距离的设置。

步骤三：调节可调电源7的电压，0-150V之间时，每隔15V测量台阶面6的台阶高，所述PZT 2位移量l_1Bi＝h_1Bi-h₀，i＝1,2,3…10，其中，h₀表示电压为0V时对应的台阶高，h_1Bi表示电压为15V倍数时对应的台阶高，i为测量间隔:

在台阶面6上设定任意三组采样位置，缓慢调节可调电源7的电压，从0V开始，每隔15V记录上述三组采样位置的台阶高；在每个采样电压处先停留若干秒，保证PZT 2形变完成，再记录台阶高。对每个电压值处对应的三组采样位置的台阶高求均值，作为该电压值处的台阶高。

上述任意一组位置均包括两个点，一个点在靠体4顶面，另一个点在PZT 2顶面。

步骤四：在电压回程中，每隔15V，测量台阶面(6)的台阶高，所述PZT位移量l′_1Bi′＝h′_1Bi′-h₀，i′＝9,8,7…1,0,其中，h′_1Bi′表示电压为15V倍数时对应的台阶高，i′为测量间隔：

缓慢调节可调电源7的电压，从150V开始，往0V调节，每隔15V记录上步骤三中的三组采样位置的台阶高；在每个采样电压处先停留20秒，保证PZT 2形变完成，再记录台阶高。在电压下降过程中，对每个电压值处对应的三组采样位置的台阶高求均值，作为该电压值处的台阶高。

所述靠体4包括金属块和平板玻璃，金属块设置在平板玻璃上，平板玻璃设置在刚性台面3上，保证PZT 2与金属块接触，两者顶面构成台阶面6。

所述白光干涉仪1采用10倍放大物镜，焦距为7.5mm。

PZT 2底部与刚性台面3粘接的胶水只起固定作用，要方便取下来；所述靠体4中金属块的顶面与接触面要足够平整光滑；PZT 2与靠体4中金属块的接触面保持一定应力贴合即可，即要保证PZT 2可以自由伸缩。

结合图3，z轴方向的坐标差值即是75V电压值处的一组台阶高。

根据得到的可调电源7的电压上升和回程中PZT 2的位移量，作出PZT 2的动态位移曲线图。

通过对比图4和图5上的特性曲线，可以看出：在PZT 2被施加正向不断增大的电压时，其位移量与电压的关系与厂家测试曲线吻合得不错。但是在电压逐渐降低的时候，PZT 2测试出来的曲线不能回到零点位置。分析其原因在于：在测量PZT 2位移量时，需要固定其位置，通过夹持，粘贴的方式使其保持轴向上的生长，不发生其他方向上的位移。由于PZT 2的伸长和缩短在两个端面上同时进行，所以，当PZT 2缩短时，由于夹持产生的摩擦力的影响，PZT 2可以看做是在刚性台面3上悬空了，因此测试得到的数据不能回归零点。可以理解的是，PZT 2在伸长时，由于其推力很大，PZT 2可以保持和刚性台面3的紧密贴合，故在电压逐渐上升的时候所标定的曲线比电压逐渐下降时所标定的曲线更准确。