線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及其方法
【專利摘要】線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及其方法，屬于電致伸縮系數(shù)測量領(lǐng)域。為了解決目前測電致伸縮系數(shù)的方法精度不高的問題。它線性調(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)；對被測壓電陶瓷管加電壓，光電探測器開始接收光束信號，信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的光電流，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，獲得被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)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于電致伸縮系數(shù)測量領(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、能耗低和價格低等特點而備受關(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，沒有實用價值。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，因此精度無法再提高，不能夠滿足目前高精度測量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決目前測電致伸縮系數(shù)的方法精度不高的問題，本發(fā)明提供一種線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置及其方法。
[0005]本發(fā)明的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，
[0006]所述裝置包括線性調(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)；
[0007]線性調(diào)頻激光器發(fā)出的激光入射至第一平面反射鏡，經(jīng)第一平面反射鏡反射至薄玻璃板，并經(jīng)薄玻璃板分成一號反射光和折射光；所述折射光入射至第二平面反射鏡的一個面，經(jīng)所述第二平面反射鏡的一個面反射后的光與一號反射光均入射至?xí)弁哥R，經(jīng)會聚透鏡會聚至光電探測器的光信號接收端，光電探測器的光電流信號輸出端與信號處理系統(tǒng)的光電流信號輸入端連接；
[0008]所述薄玻璃板和第二平面反射鏡平行且等高；
[0009]被測壓電陶瓷管的一端與二維調(diào)整架5固定連接，被測壓電陶瓷管的另一端與第二平面反射鏡的另一個面固定連接。
[0010]基于所述的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置的測量方法，它包括如下步驟:
[0011]步驟一:設(shè)置薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的初始距離d，對固定在二維調(diào)整架，對被測壓電陶瓷管的外表面加電壓U，被測壓電陶瓷管的壁厚為a，被測壓電陶瓷管的初始長度為I ;
[0012]步驟二:信號處理系統(tǒng)獲得不同時刻的被測壓電陶瓷管的變化量Λ I值，所述Al等于薄玻璃板和第二平面反射鏡之間的距離變化量Ad，將獲得的不同時刻的Al值進(jìn)行加權(quán)平均求得被測壓電陶瓷管的平均變化量Δ?,求得被測壓電陶瓷管電致伸縮系數(shù)
【權(quán)利要求】
1.線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征是在于，所述裝置包括線性調(diào)頻激光器(1)、第一平面反射鏡(2)、薄玻璃板(3)、第二平面反射鏡(4)、二維調(diào)整架(5)、會聚透鏡(6)、光電探測器(7)和信號處理系統(tǒng)； 線性調(diào)頻激光器(1)發(fā)出的激光入射至第一平面反射鏡(2)，經(jīng)第一平面反射鏡(2)反射至薄玻璃板(3)，并經(jīng)薄玻璃板(3)分成一號反射光和折射光；所述折射光入射至第二平面反射鏡(4)的一個面，經(jīng)所述第二平面反射鏡(4)的一個面反射后的光與一號反射光均入射至?xí)弁哥R(6)，經(jīng)會聚透鏡(6)會聚至光電探測器(7)的光信號接收端，光電探測器(7)的光電流信號輸出端與信號處理系統(tǒng)的光電流信號輸入端連接； 所述薄玻璃板(3)和第二平面反射鏡(4)平行且等高； 被測壓電陶瓷管(12)的一端與二維調(diào)整架(5)固定連接，被測壓電陶瓷管(12)的另一端與第二平面反射鏡(4)的另一個面固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，所述信號處理系統(tǒng)包括濾波器(8)、前置放大器(9)、A/D轉(zhuǎn)換器(10)和DSP處理器(11); 光電探測器(7)的光電流輸出端與低通濾波器(8)的光電流輸入端連接，低通濾波器(8)的濾波信號輸出端與前置放大器(9)的濾波信號輸入端連接，前置放大器(9)的放大信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(10)的放大信號輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器(10)的數(shù)字信號輸出端與DSP處理器(11)的數(shù)字信號輸入端連接。
3.基于權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置的測量方法，其特征在于，它包括如下步驟: 步驟一:設(shè)置薄玻璃板(3)與第二平面反射鏡(4)之間的初始距離d，對固定在二維調(diào)整架(5)，對被測壓電陶瓷管(12)的外表面加電壓U，被測壓電陶瓷管(12)的壁厚為a，被測壓電陶瓷管(12)的初始長度為1 ; 步驟二:信號處理系統(tǒng)獲得不同時刻的被測壓電陶瓷管(12)的變化量Al值，所述Al等于薄玻璃板(3)和第二平面反射鏡(4)之間的距離變化量Λ d，將獲得的不同時刻的Λ 1值進(jìn)行加權(quán)平均求得被測壓電陶瓷管(12)的平均變化量Al，求得被測壓電陶瓷管(12)電致伸縮系數(shù)α 信號處理系統(tǒng)獲得當(dāng)前時刻的△ 1值的方法: 對光電探測器(7)輸出的光電流進(jìn)行處理后，獲得外差信號的中頻電流11f為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于線性調(diào)頻雙光束激光外差測量電致伸縮系數(shù)的裝置的測量方法，其特征在于，獲得外差信號的中頻電流Iif的方法為: 在不考慮薄玻璃板自身厚度的情況下，在t-L/c時刻到達(dá)薄玻璃板(3)的前表面的反射光場為:
【文檔編號】G01R29/22GK103969514SQ201410205960
【公開日】2014年8月6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, 韓雪冰, 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)