線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法
【專利摘要】線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法，屬于光學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明為了解決壓電陶瓷管在內(nèi)外表面施加電壓時(shí)產(chǎn)生的軸向長度變化量很微小，常規(guī)測量方法的測量結(jié)果精度低的問題。裝置包括待測壓電陶瓷管、線性調(diào)頻激光器、第一平面反射鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、二維調(diào)整架、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統(tǒng)；方法為使光電探測器開始接收光束信號，數(shù)字信號處理器連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與距離之間的關(guān)系獲得薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當(dāng)前距離，再根據(jù)電致伸縮系數(shù)的公式，獲得待測壓電陶瓷管的電致伸縮系數(shù)。本發(fā)明用于測量電致伸縮系數(shù)。
【專利說明】線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法，屬于光學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在所有涉及自動控制的機(jī)電系統(tǒng)和器件中，驅(qū)動器常被認(rèn)為是限制其性能和壽命的最為關(guān)鍵的因素之一，而在眾多的驅(qū)動器類型中，壓電/電致伸縮驅(qū)動器因其響應(yīng)快、承載力高、能耗低和價(jià)格低等特點(diǎn)而備受關(guān)注。目前，壓電/電致伸縮驅(qū)動器已成功地應(yīng)用在激光器諧振腔、精密定位、精密加工、智能結(jié)構(gòu)、生物工程、航空航天、電子通訊、汽車工業(yè)、機(jī)器人關(guān)節(jié)、醫(yī)療器械等眾多【技術(shù)領(lǐng)域】，并正在形成一個潛力巨大的產(chǎn)業(yè)。因此，對于壓電/電致伸縮新材料、新工藝及驅(qū)動器新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已受到日益廣泛的重視。在自然界中，大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，然而大多數(shù)晶體的壓電效應(yīng)很微弱，沒有實(shí)用價(jià)值。石英是晶體中性能良好的壓電材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工制造的壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛PZT等多晶壓電材料相繼問世，且應(yīng)用越來越廣泛。
[0003]壓電晶體的電致伸縮系數(shù)反映了材料本身的屬性，測量材料的電致伸縮系數(shù)，不僅對新材料的研制具有重要意義，而且也是選用材料的重要指標(biāo)之一。目前，測定電致伸縮系數(shù)的方法主要有激光干涉法、光杠桿法、電容法、電渦流法]和數(shù)字散斑相關(guān)法]等。但是每種方法都存在自身的缺點(diǎn)，因此精度無法再提高，不能夠滿足目前高精度測量的要求。
[0004]在光學(xué)測量法中，激光外差測量技術(shù)由于具有高的空間和時(shí)間分辨率、測量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測量技術(shù)繼承了激光外差技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前超高精度測量方法之一。該方法已成為現(xiàn)代超精密檢測及測量儀器的標(biāo)志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測量、檢測、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。
[0005]具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)具有壓電特性的多種物體，其中有單晶、多晶，如多晶陶瓷，及某些非晶固體，選用圓管形的壓電陶瓷作為待測樣品，其外形和結(jié)構(gòu)如圖5所示。它由鋯鈦酸鉛PZT制成，圓管的內(nèi)外表面鍍銀，作為電極，接上引出導(dǎo)線，就可對其施外加電壓，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)在它的外表面加上電壓，并且內(nèi)表面接地時(shí)，圓管伸長，反之，加負(fù)電壓時(shí)，圓管縮短。
[0006]用E表不圓管內(nèi)外表面加上電壓后,在內(nèi)外表面間形成的徑向電場的電場強(qiáng)度，用ε表示圓管軸向的應(yīng)變，α表示壓電陶瓷在準(zhǔn)線性區(qū)域內(nèi)的電致伸縮系數(shù)，則:
[0007]ε = a E ；
[0008]若圓管的長度為1，加在其內(nèi)外表面的電壓為U，加電壓后的長度增量為Al，圓管的壁厚為Cltl (均以mm為單位)，則按上式有:
【權(quán)利要求】
1.一種線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置，它包括待測壓電陶瓷管(I)，其特征在于，它還包括線性調(diào)頻激光器(2)、第一平面反射鏡(3)、薄玻璃板(4)、第二平面反射鏡(5)、二維調(diào)整架(6)、會聚透鏡(7)、光電探測器(8)和信號處理系統(tǒng)(9)， 第二平面反射鏡(5)與待測壓電陶瓷管(I)的一端粘接固定，待測壓電陶瓷管(I)的另一端固定在二維調(diào)整架(6)上，待測壓電陶瓷管(I)的另一端具有電源連接線，二維調(diào)整架(6)的位置為固定； 線性調(diào)頻激光器(2)發(fā)射的線偏振光經(jīng)過第一平面反射鏡(3)反射后，斜入射到薄玻璃板(4)上，經(jīng)薄玻璃板(4)透射的光被第二平面反射鏡(5)反射后與經(jīng)過薄玻璃板(4)前表面反射的光共同被會聚透鏡(7)匯聚到光電探測器⑶的光敏面上，光電探測器⑶輸出的電信號傳送給信號處理系統(tǒng)(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，信號處理系統(tǒng)(9)由濾波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9-3)和數(shù)字信號處理器(9-4)組成， 濾波器(9-1)用于接收光電探測器(8)輸出的電信號，濾波器(9-1)輸出濾波信號給前置放大器(9-2)，經(jīng)前置放大器(9-2)放大的模擬信號傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9-3)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9-3)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給數(shù)字信號處理器(9-4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的初始距離為20.25mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)相互平行。
5.一種線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的方法，該方法基于權(quán)利要求4所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在于，它獲取電致伸縮系數(shù)的方法如下: 首先，將高壓電源與待測壓電陶瓷管(I)的電源連接線連接，調(diào)節(jié)高壓電源的輸出；同時(shí)，打開線性調(diào)頻激光器(2)，使其發(fā)射線偏振光，并使光電探測器(8)開始接收光束信號，數(shù)字信號處理器(9-4)連續(xù)采集光電探測器(8)輸出的電信號，并對采集到的差頻信號進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與距離之間的關(guān)系:
f = Kd, 進(jìn)而獲得薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當(dāng)前距離d:
d = f/K, 式中f為外差信號的頻率，K為比例系數(shù)； 由薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當(dāng)前距離d與薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的初始距離，獲得距離變化量△(!，該距離變化量△(!的數(shù)值與待測壓電陶瓷管(I)的長度變化量Al的數(shù)值相等， 再根據(jù)電致伸縮系數(shù)α的公式:

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于， 薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的距離變化量△(!的具體獲得方法為:設(shè)定第一平面反射鏡(3)的反射光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(4)，此時(shí)光電探測器(8)接收的光束信號的總光場ΕΣ (t)為:
Ee (t) = E1 (t) +E2 (t) +...+Em (t)，m 為大于 I 的正整數(shù)； 式中E1 (t)為t-L/c時(shí)刻到達(dá)薄玻璃板(4)前表面并被該前表面反射的反射光的光場，按以下公式獲得:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量電致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，COS Θ的結(jié)果通過多光束激光外差二次諧波信號頻譜中兩個頻譜曲線中心頻率的比值ζ獲得:
ζ = COS Θ。
【文檔編號】G01N21/45GK103954591SQ201410206043
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】李彥超, 甄佳奇, 楊九如, 冉玲苓, 高揚(yáng), 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 于偉波 申請人:黑龍江大學(xué)