線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法
【專利摘要】線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法，涉及超精密測量領域。它為了解決現(xiàn)有測定電致伸縮系數(shù)的方法測量精度低的問題。本發(fā)明的調整架用于固定待測壓電體，二號平面反射鏡用于固定在待測壓電體的一個端面，薄玻璃板與二號平面反射鏡平行設置；線性調頻激光器發(fā)出的激光入射至薄玻璃板的表面，經所述薄玻璃板透射后的激光入射至二號平面反射鏡，經所述薄玻璃板反射后的激光通過會聚透鏡聚焦到光電探測器的光敏面上。本發(fā)明將待測壓電體長度變化量調制在中頻外差信號的頻率差中，通過測量該頻率差即可同時得到多個待測壓電體長度變化量，測量誤差僅為0.04％。本發(fā)明適用于超精密測量、檢測、加工設備、激光雷達系統(tǒng)等。
【專利說明】線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超精密測量領域。
【背景技術】
[0002]在所有涉及自動控制的機電系統(tǒng)和器件中，驅動器常被認為是限制其性能和壽命的最為關鍵的因素之一，而在眾多的驅動器類型中，壓電/電致伸縮驅動器因其響應快、承載力高、能耗低和價格低等特點而備受關注。目前，壓電/電致伸縮驅動器已成功地應用在激光器諧振腔、精密定位、精密加工、智能結構、生物工程、航空航天、電子通訊、汽車工業(yè)、機器人關節(jié)、醫(yī)療器械等眾多【技術領域】，并正在形成一個潛力巨大的產業(yè)。因此，對于壓電/電致伸縮新材料、新工藝及驅動器新技術的開發(fā)與應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，然而大多數(shù)晶體的壓電效應很微弱，沒有實用價值。石英是晶體中性能良好的壓電材料。隨著科學技術的發(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)字散斑相關法等。但是每種方法都存在自身的缺點，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]而在光學測量法中，激光外差測量技術具有高的空間和時間分辨率、測量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強、動態(tài)響應快、重復性好和測量范圍大等優(yōu)點而備受國內外學者關注，激光外差測量技術繼承了激光外差技術和多普勒技術的諸多優(yōu)點，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志性技術之一，廣泛應用于超精密測量、檢測、加工設備、激光雷達系統(tǒng)等。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有測定電致伸縮系數(shù)的方法測量精度低的問題，提供一種線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及方法。
[0006]本發(fā)明所述的線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置包括線性調頻激光器、光電探測器、會聚透鏡、薄玻璃板、二號平面反射鏡和調整架；
[0007]調整架用于固定待測壓電體，二號平面反射鏡用于固定在待測壓電體的一個端面，該端面與待測壓電體通電后的電場方向平行，薄玻璃板與所述的二號平面反射鏡平行設置；
[0008]線性調頻激光器發(fā)出的激光入射至薄玻璃板的表面，經所述薄玻璃板透射后的激光入射至二號平面反射鏡，并在二號平面反射鏡與薄玻璃板之間多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經薄玻璃板透射之后通過會聚透鏡聚焦到光電探測器的光敏面上。
[0009]所述裝置還包括信號處理系統(tǒng)，所述信號處理系統(tǒng)的探測信號輸入端連接光電探測器的探測信號輸出端，所述信號處理系統(tǒng)包括濾波器、前置放大器、A/D轉換器和DSP，所述濾波器的信號輸入端為所述信號處理系統(tǒng)的探測信號輸入端，所述濾波器的信號輸出端連接前置放大器的信號輸入端，所述前置放大器的信號輸出端連接A/D轉換器的模擬信號輸入端，所述A/D轉換器數(shù)字信號輸出端連接DSP的信號輸入端。
[0010]基于上述裝置的線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的方法包括以下步驟:
[0011]步驟一、測量高壓電源輸出的電壓值U和光電探測器輸出的電信號的頻率波峰至fp，P為正整數(shù)；
[0012]步驟二、計算薄玻璃板與二號平面反射鏡的間距
【權利要求】
1.線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于:它包括線性調頻激光器(1)、光電探測器(3)、會聚透鏡(4)、薄玻璃板(5)、二號平面反射鏡(6)和調整架(8)； 調整架(8)用 于固定待測壓電體(7)，二號平面反射鏡(6)用于固定在待測壓電體(7)的一個端面，該端面與待測壓電體(7)通電后的電場方向平行，薄玻璃板(5)與所述的二號平面反射鏡(6)平行設置； 線性調頻激光器(I)發(fā)出的激光入射至薄玻璃板(5)的表面，經所述薄玻璃板(5)透射后的激光入射至二號平面反射鏡(6)，并在二號平面反射鏡(6)與薄玻璃板(5)之間多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經薄玻璃板(5)透射之后通過會聚透鏡(4)聚焦到光電探測器(3)的光敏面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于:它還包括信號處理系統(tǒng)(2)，所述信號處理系統(tǒng)(2)的探測信號輸入端連接光電探測器(3)的探測信號輸出端，所述信號處理系統(tǒng)(2)包括濾波器(2-1)、前置放大器(2-2)、A/D轉換器(2-3)和DSP (2-4)，所述濾波器(2_1)的信號輸入端為所述信號處理系統(tǒng)(2)的探測信號輸入端，所述濾波器(2-1)的信號輸出端連接前置放大器(2-2)的信號輸入端，所述前置放大器(2-2)的信號輸出端連接A/D轉換器(2-3)的模擬信號輸入端，所述A/D轉換器(2-3)數(shù)字信號輸出端連接DSP(2-4)的信號輸入端。
3.根據(jù)權利要求1所述的線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于:它還包括一號平面反射鏡(10)，線性調頻激光器(I)發(fā)出的激光經所述一號平面反射鏡(10)反射后入射至薄玻璃板(5)的表面。
4.根據(jù)權利要求1所述的線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于:所述的線性調頻激光器(I)發(fā)出的線性調頻激光為線偏振光，波長為1.55μπι，其調頻周期T = Ims,調頻帶寬Λ F = 5GHzo
5.根據(jù)權利要求1所述的線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于:所述的薄玻璃板(5)與二號平面反射鏡(6)的距離為30mm。
6.基于權利要求1的線性調頻多光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟一、測量高壓電源輸出的電壓值U和光電探測器(3)輸出的電信號的頻率波峰至fp，P為正整數(shù)； 步驟二、計算薄玻璃板(5)與二號平面反射鏡(6)的間距d，J =丄JQ) =奮，其中，欠=CO^ ； P人.</qKC 步驟三、采用與步驟一和步驟二同樣的方法，計算U = O時，薄玻璃板(5)與二號平面反射鏡(6)的間距d0 ；

AU) 步驟四、根據(jù)公式《 = i計算待測壓電體(7)的電致伸縮系數(shù)a ,Al=Ad =d0_d ； 其中，D為待測壓電體(7)的厚度，I為待測壓電體(7)未通電時的長度，該長度方向即為待測壓電體(7)通電后的伸縮方向，Λ I為通電后I的增量，Θ為入射光透射出薄玻璃板(5)后的折射角，k為調頻帶寬的變化率，c為光速，η為薄玻璃板(5)與二號平面反射鏡(6)之間介質的 折射率。
【文檔編號】G01B11/16GK103940365SQ201410206104
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權日:2014年5月15日
【發(fā)明者】李彥超, 楊九如, 冉玲苓, 高揚, 柳春郁, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 于偉波 申請人:黑龍江大學