[发明专利]多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法，属于微位移检测技术领域。

背景技术

在所有涉及自动控制的机电系统和器件中，驱动器常被认为是限制其性能和寿命的最为关键的因素之一，而在众多的驱动器类型中，压电/电致伸缩驱动器因其响应快、承载力高、能耗低和价格低等特点而备受关注。目前，压电/电致伸缩驱动器已成功地应用在激光器谐振腔、精密定位、精密加工、智能结构、生物工程、航空航天、电子通讯、汽车工业、机器人关节、医疗器械等众多技术领域，并正在形成一个潜力巨大的产业。因此，对于压电/电致伸缩新材料、新工艺及驱动器新技术的开发与应用已受到日益广泛的重视。在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应很微弱，没有实用价值。石英是晶体中性能良好的压电材料。随着科学技术的发展，人工制造的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等多晶压电材料相继问世，且应用越来越广泛。

压电晶体的电致伸缩系数反映了材料本身的属性，测量材料的电致伸缩系数，不仅对新材料的研制具有重要意义，而且也是选用材料的重要指标之一。目前，测定电致伸缩系数的方法主要有激光干涉法、光杠杆法、电容法、电涡流法和数字散斑相关法等。但是每种方法都存在自身的缺点，因此精度无法再提高，不能够满足目前高精度测量的要求。

而在光学测量法中，激光外差测量技术由于具有高的空间和时间分辨率、测量速度快、精度高、线性度好、抗干扰能力强、动态响应快、重复性好和测量范围大等优点而备受国内外学者关注，激光外差测量技术继承了激光外差技术和多普勒技术的诸多优点，是目前超高精度测量方法之一。该方法已成为现代超精密检测及测量仪器的标志性技术之一，广泛应用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统等。

传统的外差干涉均为双光束干涉，外差信号频谱只含单一频率信息，解调后得到单一的待测参数值。

发明内容

本发明的目的是解决传统的外差干涉测电致伸缩系数的技术由于其外差信号频谱只含单一频率信息，而使测量精度低的问题，提供一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置及方法。

本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的装置，该装置由电极、H₀固体激光器、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、四分之一波片、振镜、二维调整架、待测压电陶瓷管、第二平面反射镜、薄玻璃板、会聚透镜、高压电源、光电探测器和信号处理系统组成，

H₀固体激光器发出的线偏振光经第一平面反射镜反射之后入射至偏振分束镜PBS，经该偏振分束镜PBS反射后的光束经四分之一波片透射后入射至振镜的光接收面，经该振镜反射的光束再次经四分之一波片透射后发送至偏振分束镜PBS，经该偏振分束镜PBS透射后的光束入射至薄玻璃板，经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第二平面反射镜，该光束在相互平行的薄玻璃板和第二平面反射镜之间反复反射多次，获得多束经薄玻璃板的多束透射光束，所述多束透射光束和薄玻璃板前表面的反射光束一起通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上，所述光电探测器输出电信号给信号处理系统；薄玻璃板后表面和第二平面反射镜的反射面之间的距离为d；

所述第二平面反射镜的背面中心与待测压电陶瓷管的一端固定连接，该待测压电陶瓷管的另一端固定在二维调整架上，所述待测压电陶瓷管的中心轴线与所述第二平面反射镜的反射面相垂直；所述待测压电陶瓷管的内表面和外表面分别通过电极与高压电源的两个电压输出端连接。

本发明所述基于上述装置的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法，该方法的过程为：

首先，通过调整二维调整架，使与待测压电陶瓷管固定连接的第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行，并使第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板之间的距离d为20mm；

然后，采用高压电源为待测压电陶瓷管提供驱动电压，并打开振镜的驱动电源使振镜开始做简谐振动；同时，打开H₀固体激光器；开始测量，在测量过程中，调节所述高压电源的输出电压信号U，同时信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜和薄玻璃板后表面之间的距离变化量Δd，所述距离变化量Δd等于待测压电陶瓷管在加电前后的长度变化量ΔL，根据该距离变化量和此时高压电源输出的电压信号获得待测压电陶瓷管的电磁致伸缩系数：