[发明专利]线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置及方法，属于光学测量技术领域。

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。

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。

具有压电效应的物体称为压电体，现已发现具有压电特性的多种物体，其中有单晶、多晶，如多晶陶瓷，及某些非晶固体，选用圆管形的压电陶瓷作为待测样品，其外形和结构如图5所示。它由锆钛酸铅PZT制成，圆管的内外表面镀银，作为电极，接上引出导线，就可对其施外加电压，实验表明，当在它的外表面加上电压，并且内表面接地时，圆管伸长，反之，加负电压时，圆管缩短。

用E表示圆管内外表面加上电压后，在内外表面间形成的径向电场的电场强度，用ε表示圆管轴向的应变，α表示压电陶瓷在准线性区域内的电致伸缩系数，则：

ε＝αE；

若圆管的长度为l，加在其内外表面的电压为U，加电压后的长度增量为Δl，圆管的壁厚为d₀(均以mm为单位)，则按上式有：

Δll=αUd0,]]>

对上式变形可以得到：

α=Δld0lU;]]>

在电致伸缩系数α的表达式中，d₀和l可以用游标卡尺直接测量，电压U可以由数字电压表读出，由于所加的电压变化时，圆管的变化量Δl很小，无法用常规的长度测量方法解决，所以需要采用高精度的测量法来测量电致伸缩系数这一微小量。

发明内容

本发明目的是为了解决压电陶瓷管在内外表面施加电压时产生的轴向长度变化量很微小，常规测量方法的测量结果精度低的问题，提供了一种线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置及方法。

本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量电致伸缩系数的装置，它包括待测压电陶瓷管，它还包括线性调频激光器、第一平面反射镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、二维调整架、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统，

第二平面反射镜与待测压电陶瓷管的一端粘接固定，待测压电陶瓷管的另一端固定在二维调整架上，待测压电陶瓷管的另一端具有电源连接线，二维调整架的位置为固定；