[发明专利]基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，在机械力作用下产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在材料表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应；相反，给压电材料施加电压时，材料会产生几何形变，这种现象被称为逆压电效应。由于电源技术的发展，逆压电效应被广泛应用，在电子技术、光学、超声、精密机械、工业控制等领域发挥着重要作用。

压电陶瓷是一种理想的微系统驱动元件，驱动电压低、体积小、寿命长。在理想条件下，压电陶瓷的位移量与驱动电压之间呈线性关系。但是实际上，它存在迟滞、位移非线性和蠕变等不足。压电陶瓷的迟滞和非线性是压电陶瓷固有的特性，其主要特征是：系统下一时刻的输出不仅取决于当前时刻的输入和输出，还取决于输入的历史状态。压电陶瓷在较大电场作用下还会出现比较明显的蠕变现象，即在一定驱动电压下，位移达到一定值后随时间缓慢变化，在一定时间后达到稳定值。因此，对实际使用带来不便的，主要是压电陶瓷的迟滞和非线性。

为了克服迟滞和非线性的不利影响，常常对压电陶瓷进行闭环自动控制，根据不同压电陶瓷的材料特性，发展出多种控制算法。闭环控制虽然有效改善了迟滞和非线性，但是带来动态特性下降、系统复杂、成本上升等新问题。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种简单的位移测量方法，在开环驱动的情况下，有效改善压电陶瓷的迟滞和非线性，将其应用于位移测量领域，与其他位移测量方法有效结合，提高位移测量精度。

本发明所采用的基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法，其技术方案是，该方法包括以下步骤：

步骤(1)，搭建一个作位移测量用的基于压电陶瓷开环调制的位移测量系统，含有作位移测量用的半外腔式双频激光器(1)、偏振分光棱镜(2)、第一光电探测器(3-1)，第二光电探测器(3-2)、双输入双输出的光电转换电路(4)、单片机(5)、压电陶瓷驱动器(6)以及压电陶瓷(7)，其中：

半外腔式双频激光器(1)，含有：输出镜(1-1)，增益管(1-2)，镀有双层增透膜的增透窗片(1-3)，双折射晶体(1-4)，以及作位移测量用的腔镜(1-5)，其中：

输出镜(1-1)，与所述增益管(1-2)相连，

增透窗片(1-3)，与所述增益管(1-2)的另一端相连，

双折射晶体(1-4)，位于所述增益管(1-2)和所述腔镜(1-5)之间，

偏振分光棱镜(2)，将所述半外腔式双频激光器(1)所输出的双频激光分开，

第一光电探测器(3-1)，接收所述偏振分光棱镜(2)所分开的水平偏振光，

第二光电探测器(3-2)，接收所述偏振分光棱镜(2)所分开的垂直偏振光，

双输入双输出的光电转换电路(4)，设有所述水平偏振光信号输入端和所述垂直偏振光信号输入端，水平偏振光转换电压输出端和所述垂直偏振光转换电压输出端，

单片机(5)设有：所述压电陶瓷(7)在产品出厂时测定的在周期性三角波电压驱动下当驱动电压上升时的位移-驱动电压曲线以及当驱动电压下降时的位移-驱动电压曲线的平均值曲线中接近线性的中段区域的斜率α，还设有：该单片机(5)向所述压电陶瓷驱动器(6)输出的数字形式的周期性三角波驱动电压，

压电陶瓷驱动器(6)向所述压电陶瓷(7)施加数模转换及功率放大后的所述周期性三角波驱动电压，

步骤(2)，依次按以下步骤测量腔镜(1-5)的位移，

步骤(2.1)，开启所述半外腔式双频激光器(1)，

步骤(2.2)，所述单片机(5)通过所述压电陶瓷驱动器(6)对所述压电陶瓷(7)施加所述周期性三角波驱动电压后，该压电陶瓷(7)带动所述腔镜(1-5)沿所述半外腔式双频激光器(1)的轴向往返运动，在所述周期性三角波驱动电压上升区和下降区产生的位移大小相等方向相反，

步骤(2.3)，所述单片机(5)分别测定：

在上升区内，在各采样点上，分别测量所述水平偏振光转换电压值与所述周期性三角波驱动电压值之间的对应曲线关系，及所述垂直偏振光转换电压值与所述周期性三角波驱动电压值之间的对应曲线关系，

在下降区内，在各采样点上，分别测量所述水平偏振光转换电压值与所述周期性三角波驱动电压值之间的对应曲线关系，及所述垂直偏振光转换电压值与所述周期性三角波驱动电压值之间的对应曲线关系，