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

摘要

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。它解决了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。本发明装置由电极、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；方法为：使第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行，并且之间的距离d为20mm，打开振镜的驱动电源及打开H0固体激光器；信号处理系统对信号进行处理，最终获得待测压电陶瓷管的电磁致伸缩系数。本发明适用于电致伸缩系数的测量。

主权项

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方法，它基于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实现，该装置由电极(1)、H0固体激光器(2)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS(11)、四分之一波片(12)、振镜(13)、二维调整架(8)、待测压电陶瓷管(7)、第二平面反射镜(6)、薄玻璃板(9)、会聚透镜(10)、高压电源、光电探测器(4)和信号处理系统(5)组成，H0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)和第二平面反射镜(6)之间反复反射多次，获得多束经薄玻璃板(9)的多束透射光束，所述多束透射光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光束一起通过会聚透镜(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；其特征在于该方法的过程为：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20mm；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)开始做简谐振动；同时，打开H0固体激光器(2)；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(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Δd，所述距离变化量Δd等于待测压电陶瓷管(7)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(7)的电致伸缩系数： α = ΔLd 0 LU , 其中，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)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Δd的过程为：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)＝Elexp(iω0t)，式中El为常数，i表示虚数，ω0为激光角频率；振镜(13)的振动方程为：x(t)＝x0cos(ωct)，振镜(13)的速度方程为：v(t)＝‑ωcx0sin(ωct)，式中x0为多普勒振镜振动的振幅，ωc为多普勒振镜的角频率，c为光速，t为时间，由于振镜(13)的振动，薄玻璃板(9)的反射光的频率为：ω＝ω0(1‑2ωcx0 sin(ωct)/c)，则在t‑l/c时刻到达薄玻璃板(9)表面并被该表面反射的反射光的光场为：E0(t)＝α0El exp{i[ω0(1‑2ωcx0 sin(ωc(t‑l/c))/c)(t‑l/c)+ω0x0 cos(ωc(t‑l/c))/c]}式中α0＝r，r为光从周围介质射入待测薄玻璃板(9)前表面的反射系数，l为振镜(13)到薄玻璃板(9)之间的距离；经薄玻璃板(9)透射的光在不同时刻被第二平面反射镜(6)连续反射m次，获得透过薄玻璃板(9)的m束透射光的光场分别为：El(t)＝α1Elexp{i[ω0(1‑2ωcx0 sin(ωc(t‑(L+2nd cosθ)/c))/c)(t‑(L+2nd cosθ)/c)+ω0x0 cos(ωc(t‑(L+2nd cosθ)/c))/c]}E2(t)＝α2El exp{i[ω0(1‑2ωcx0 sin(ωc(t‑(L+4nd cosθ)/c))/c)(t‑(L+4nd cosθ)/c)+ω0x0 cos(ωc(t‑(L+4nd cosθ)/c))/c]}E3(t)＝α3El exp{i[ω0(1‑2ωcx0 sin(ωc(t‑(L+6nd cosθ)/c))/c)(t‑(L+6nd cosθ)/c)+ω0x0 cos(ωc(t‑(L+6nd cosθ)/c))/c]}，●●●Em(t)＝αmEl exp{i[ω0(1‑2ωcx0 sin(ωc(t‑(L+2mnd cosθ)/c))/c)(t‑(L+2mnd cosθ)/c)+ω0x0 cos(ωc(t‑(L+2mnd cosθ)/c))/c]}其中，参数α1＝β2r′，......，αm＝β2r′mrm‑1，r为薄玻璃板(9)的反射系数，β为薄玻璃板(9)的透射系数，r′为平面反射镜(6)的反射系数，d为检测过程中薄玻璃板(9)的后表面和第二平面反射镜(6)的反射面之间的距离，θ为光束透过薄玻璃板(9)时的折射角，m为正整数，n为第二平面反射镜(6)与薄玻璃板(9)之间介质的折射率；光电探测器(4)接收到的总光场为：E(t)＝E0(t)+E1(t)+E2(t)+…+Em(t)，则光电探测器(4)输出的光电流为： I = ηe hv 1 Z ∫∫ s 1 2 [ E 0 ( t ) + E 1 ( t ) + E 2 ( t ) + · · · + E m ( t ) ] [ E 0 ( t ) + E 1 ( t ) + E 2 ( t ) + · · · + E m ( t ) ] * ds = ηe 2 hv 1 Z ∫ ∫ s [ Σ j = 1 m E j 2 ( t ) + Σ p = 1 m - 1 Σ j = 1 m - p ( E j ( t ) E j + p * ( t ) + E j * ( t ) E j + p ( t ) ) ] ds 其中，e为电子电量，η为量子效率，h为普朗克常数，v为激光频率，Z为光电探测器(4)表面介质的本征阻抗，S为光电探测器(4)光敏面的面积，*号表示复数共轭；对上式进行整理获得中频电流为： I IF = ηe 2 hv 1 Z ∫ ∫ s Σ p = 1 m - 1 Σ j = 0 m - p ( E j ( t ) E j + p * ( t ) + E j * ( t ) E j + p ( t ) ) ds , 将所有光场的公式代入上式，获得计算结果为： I IF = ηe hv π Z E 0 2 Σ p = 1 m - 1 Σ j = 0 m - p α j + p α j cos [ 4 pnd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 c 2 t + 2 ω 0 x 0 c - 2 pnd ω 0 cos θ c - 4 pnd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 ( l + 2 pnd cos θ ) c 3 , 忽略1/c3的小项之后上式简化为： I IF = ηe hv π Z E 0 2 Σ p = 1 m - 1 Σ j = 0 m - p α j + p α j cos [ 4 pnd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 c 2 t + 2 ω 0 x 0 c - 2 pnd ω 0 cos θ c ] , 式中p和j为正整数；根据上式，将干涉信号的频率记为： f p = 4 pnd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 / ( 2 π c 2 ) = 2 pnd cos θ ω 0 ω c 2 x 0 / ( π c 2 ) = K p d , 式中K为比例系数， K p = 2 pn ω 0 ω c 2 x 0 cos θ / ( π c 2 ) , 则第二平面反射镜(6)与薄玻璃板(9)之间的距离d为：d＝fp/Kp，所述距离d与第二平面反射镜(6)与薄玻璃板(9)之间的原始距离d之差即为第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量Δd。