多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的方法，涉及一种测量电致伸缩系数的方法。它解决现有采用多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法由于激光差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致的测量精度较低的问题。它通过在光路中引入振镜，使不同时刻入射的光信号附加了一个光频，这样经过薄玻璃板前表面的反射光和平面反射镜多次反射而透射出薄玻璃板的光在满足干涉的条件下，产生多光束激光外差二次谐波信号，从而将待测信息成功地调制在中频外差二次谐波信号的频率差中。本发明专利技术可以在相干激光测风雷达等工程设计领域中广泛使用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种测量电致伸缩系数的方法。
技术介绍
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
，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。但，现有采用多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法由于激光信号差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致测量精度较低。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有采用多光束激光外差测量电致伸缩系数的方法由于激光差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致的测量精度较低的问题，从而提供一种。光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的方法，它是基于多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的系统实现的，所述系统由Htl固体激光器、四分之一波片、振镜、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、会聚透镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、待测压电陶瓷管、二维调整架、高压电源、光电探测器和信号处理系统组成；Htl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后表面和第二平面反射镜之间反复反射和透射出薄玻璃板多次，获得多束经薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光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，该待测压电陶瓷管在电压的作用下产生轴向形变；由以下步骤实现首先，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 4. 25mm ；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振动；同时，打开Htl固体激光器。最后，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，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 权利要求1.，它是基于多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的系统实现的，所述系统由Htl固体激光器(2)、四分之一波片 (12)、振镜(13)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS(Il)、会聚透镜(10)、薄玻璃板(9)、 第二平面反射镜(6)、待测压电陶瓷管(7)、二维调整架(8)、高压电源、光电探测器(4)和信号处理系统(5)组成；Htl固体激光器(2)发出的线偏振光经第一平面反射镜(3)反射之后入射至偏振分束镜PBS (11)，经该偏振分束镜PBS (11)反射后的光束经四分之一波片(12)透射后入射至振镜(13)的光接收面，经该振镜(13)反射的光束再次经四分之一波片(12)透射后发送至偏振分束镜PBS (11)，经该偏振分束镜PBS (11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9)，经该薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射镜(6)，该光束在相互平行的薄玻璃板(9) 后表面和第二平面反射镜(6)之间反复反射和透射出薄玻璃板多次，获得多束经薄玻璃板 (9)透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通过会聚透镜(10)汇聚至光电探测器(4)的光敏面上，所述光电探测器(4)输出电信号给信号处理系统(5)；薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)的反射面之间的距离为d;所述第二平面反射镜(6)的背面中心与待测压电陶瓷管(7)的一端固定连接，该待测压电陶瓷管(7)的另一端固定在二维调整架(8)上，所述待测压电陶瓷管(7)的中心轴线与所述第二平面反射镜(6)的反射面相垂直；所述待测压电陶瓷管(7)的内表面(7-1)和外表面(7-2)分别通过电极(1)与高压电源的两个电压输出端连接；其特征是由以下步骤实现 首先，通过调整二维调整架(8)，使与待测压电陶瓷管(7)固定连接的第二平面反射镜 (6)的反射面与薄玻璃板(9)相互平行，并使第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9) 之间的距离d为4. 25mm ；然后，采用高压电源为待测压电陶瓷管(7)提供驱动电压，并打开振镜(13)的驱动电源使振镜(13)开始振动；同时，打开Htl固体激光器(2)。最后，调节所述高压电源的输出电压信号U，同时信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)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(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量，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(7)的电磁致伸缩系数2.根据权利要求1所述的，其特征在于待测压电陶瓷管(7)采用PZT压电陶瓷体制作。3.根据权利要求1所述的，其特征在于多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的系统中，信号处理系统(5)由滤波电路(5-1)、前置放大电路(5-2)、模数转换电路(A/D)和数字信号处理器DSP组成，所述滤波电路(5-1)对接收到的光电探测器(4)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大电路 (5-2)，经所述前置放大电路(5-2)放大之后的信号输出给模数转换电路(A/D)，所述模数转换电路(A/D)将转换后的信号发送给数字信号处理器(DSP本文档来自技高网...
【技术保护点】
板后折射角，忽略薄玻璃板（９）的厚度，因此入射角近似等于光经薄玻璃板后的折射角：＊＊＊从而获得薄玻璃板（９）和第二平面反射镜（６）之间距离变化量Δｄ的值，由于Δｄ＝ΔＬ，从而获得任意入射角情况下待测压电陶瓷管（７）的电致伸缩系数。电探测器（４）输出的光电流表达式经傅里叶变换之后的多光束激光外差二次谐波信号频谱图中，获得斜入射时多光束激光外差二次谐波信号频谱的中心频率和正入射时理论曲线的中心频率的数值，这样，就能够得到的两个中心频率的比值：ζ＝ｃｏｓθθ为激光经薄玻璃的公式代入上式，计算积分结果为：＊＊＊忽略１／ｃ３的小项之后简化为：＊＊＊ｐ和ｊ为正整数；则干涉信号的频率记为：ｆ＝８ａｎｄｃｏｓθω０／（２πｃ２）＝４ａｎｄｃｏｓθω０／（πｃ２）＝Ｋｄ则比例系数为：Ｋ＝４ａｎｃｏｓθω０／（πｃ２）光ｔ）＋Ｅ２（ｔ）＋…＋Ｅｍ（ｔ）则光电探测器（４）输出的光电流为：＊＊＊其中，ｅ为电子电量，Ｚ为探测器表面介质的本征阻抗，η为量子效率，Ｓ为探测器光敏面的面积，ｈ为普朗克常数，ｖ为激光频率；整理获得二次谐波信号的中频电流为：＊＊＊将所有光场玻璃板（５）时的透射率为β’；ｍ为正整数，ｎ为薄玻璃板（９）与平面反射镜（６）之间介质的折射率，θ为光透过薄玻璃板后表面时的折射角，由于忽略了薄玻璃板的厚度这里不考虑后表面的反射率和透射率；光电探测器（４）接收到的总光场为：Ｅ（ｔ）＝Ｅ１（ｒ，α２＝ββ’ｒ’，．．．，αｍ＝ββ’ｒ’（２ｍ－３），ｒ为光从周围介质射入薄玻璃板（９）时的反射率，β为光从周围介质射入薄玻璃板（９）时的透射率，ｒ’为第二平面反射镜（６）的反射率，薄玻璃板（５）和第二平面反射镜（６）之间反射光射出薄面并被该表面反射的反射光的光场为：＊＊＊公式中，ｌ表示振镜（１３）的光接收面到薄玻璃板（９）前表面之间的距离，而经薄玻璃板透射的光在不同时刻被第二平面反射镜（６）的ｍ－１次反射，共获得薄玻璃板的ｍ－１束透射光的光场分别为：＊＊＊其中，α１＝ｘ（ｔ）＝ａ（ｔ２／２）和振镜（１３）的速度方程：ｖ（ｔ）＝ａｔ获得振镜（１３）的反射光的频率：ω＝ω０（１＋ａｔ／ｃ）式中Ｅ０为常数，ｉ表示虚数，ω０为激光角频率，ａ为振镜（１３）的振动加速度，ｃ为光速；则在ｔ－ｌ／ｃ时刻到达薄玻璃板前表进行处理，进而获得第二平面反射镜（６）和薄玻璃板（９）之间的距离变化量的过程为：根据经该偏振分束镜ＰＢＳ（１１）透射后的光束斜入射至薄玻璃板（９）的入射角为θ０，此时的入射光场为：Ｅ（ｔ）＝Ｅ０ｅｘｐ（ｉω０ｔ）以及振镜（１３）的振动方程：电前后的长度增量，即等于第二平面反射镜（６）和薄玻璃板（９）之间的距离变化量，Ｌ是待测压电陶瓷管（７）的未加电状态的原始长度；ｄ０是待测压电陶瓷管（７）的壁厚；所述信号处理系统（５）根据连续采集光电探测器（４）输出的电信号，并对采集到的信号）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（６）和薄玻璃板后表面（９）之间的距离变化量，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（７）的电磁致伸缩系数：＊＊＊公式中，ΔＬ是待测压电陶瓷管（７）在加ｄ为４．２５ｍｍ；然后，采用高压电源为待测压电陶瓷管（７）提供驱动电压，并打开振镜（１３）的驱动电源使振镜（１３）开始振动；同时，打开Ｈ０固体激光器（２）。最后，调节所述高压电源的输出电压信号Ｕ，同时信号处理系统（５）连续采集光电探测器（４多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的方法由以下步骤实现：首先，通过调整二维调整架（８），使与待测压电陶瓷管（７）固定连接的第二平面反射镜（６）的反射面与薄玻璃板（９）相互平行，并使第二平面反射镜（６）的反射面与薄玻璃板（９）之间的距离瓷管（７）的另一端固定在二维调整架（８）上，所述待测压电陶瓷管（７）的中心轴线与所述第二平面反射镜（６）的反射面相垂直；所述待测压电陶瓷管（７）的内表面（７－１）和外表面（７－２）分别通过电极（１）与高压电源的两个电压输出端连接；其特征是：０）汇聚至光电探测器（４）的光敏面上，所述光电探测器（４）输出电信号给信号处理系统（５）；薄玻璃板（９）后表面和第二平面反射镜（６）的反射面之间的距离为ｄ；所述第二平面反射镜（６）的背面中心与待测压电陶瓷管（７）的一端固定连接，该待测压电陶），经该薄玻璃板（９）透射之后的光束入射至第二平面反射镜（６），该光束在相互平行的薄玻璃板（９）后表面和第二平面反射镜（６）之间反复反射和透射出薄玻璃板多次，获得多束经薄玻璃板（９）透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通过会聚透镜（１振分束镜ＰＢＳ（１１）反射后的光束经四分之一波片（１２）透射后入射至振镜（１３）的光接收面，经该振镜（１３）反射的光束再次经四分之一波片（１２）透射后发送至偏振分束镜ＰＢ...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李彦超，王春晖，高龙，曲杨，张峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93
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