[发明专利]一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置

说明书

本发明属于精密位移测量与控制领域，涉及了一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置。一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置，包括半导体稳频激光器、分束立方体、光路放大装置、光电转换装置、数据采集模块、控制主机。控制主机发出第一电压信号，使光路放大装置中的动镜与定镜之间的相对位置发生变化，利用光路放大装置将微小位移转化为数倍于它的光程，使迈克尔逊干涉装置测量精度达到纳米级。

技术领域

本发明属于精密位移测量与控制领域，涉及了一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置。

技术背景

纳米技术是在20世纪80年代末发展起来的高新科学技术。压电陶瓷作为纳米技术中常见的纳米级驱动器件，因其小体积、低功耗、高灵敏度等优点，而被广泛应用于微机械、纳米光学、精密仪器制造以及微电子技术等高精尖领域。由于压电陶瓷具有很高的灵敏度，形变量可达纳米级，故而作为致动器被普遍应用于精密激光领域中激光腔或干涉仪的腔长调节。由于压电陶瓷微位移量在纳米到微米量级，必须使用纳米级的高精度位移测量仪进行检测。

常用的微位移检测设备主要有电容测微仪、电感测微仪、激光干涉仪等。电感测微仪和电容测微仪测量速度快、精度高，但容易引入外界干扰，处理电路复杂，且价格昂贵。激光干涉测量技术具有非接触测量、分辨率高等特点，且其抗干扰能力尤为突出，从而得到广泛应用。迈克尔逊干涉仪是一种应用非常广泛的激光干涉测量设备，但由于光学原理限制，测量精度只能达到二分之一测试波长。通过对迈克尔逊干涉法的进一步改进，引入干涉条纹细分、电子倍频等技术，可使测量精度达到十分之一测试波长。但仍达不到压电陶瓷纳米级位移检测的需求。

发明内容

本发明的目的是针对压电陶瓷的非线性特性，提出一种高精度微位移检测系统。针对迈克尔逊干涉仪测量精度不高的问题，通过引入具有光路放大功能的光路放大装置，实现位移测量精度的进一步提高。

本发明所采用的技术方案是：一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置，包括半导体稳频激光器、分束立方体、光路放大装置、光电转换装置、数据采集模块、控制主机；光路放大装置包括背部粘贴有压电陶瓷的动镜、安装在旋转台上的定镜、参考镜，旋转台用于改变定镜和动镜间的夹角；光电转换装置包括光电二极管以及相应的放大电路、滤波电路，用于将干涉条纹的明暗变化转换为第二电压信号的变化；数据采集模块为基于FPGA的数据采集系统，对光电转换装置得到的第二电压信号进行采样，通过采样第二电压数据的变化幅度反映干涉条纹移动数目，并将其反馈给控制主机。

控制主机控制旋转台转动使定镜和动镜成合适的角度(动镜定镜的夹角选择是根据该装置所需的放大倍数来选择的。本装置可根据不同的放大倍数来选择相应的夹角。)，然后半导体稳频激光器向分束立方体发出激光，由半导体稳频激光器发出的激光经过分束立方体被分成两束，一束经过参考镜后返回，另一束经过光路放大装置后返回，两束返回的激光在分束立方体处重新相遇，发生干涉；光电转换装置检测干涉条纹的明暗变化并转换为第二电压信号的变化供数据采集模块进行采样，数据采集模块将采样的第二电压数据反馈给控制主机；控制主机向压电陶瓷发出第一电压信号驱动压电陶瓷产生位移，从而使进入光路放大装置中的光束的光程发生变化，进而使干涉条纹进行移动，控制主机通过记录的第二电压信号获得压电陶瓷的位移情况，进而向压电陶瓷发出第一电压的补偿电压，对压电陶瓷进行控制。

控制主机发出第一电压信号，使光路放大装置中的动镜的位置发生变化，利用光路放大装置将微小位移转化为数倍于它的光程，达到工作波长的一半，使迈克尔逊干涉仪能够探测出其位移变化信息。由光电转换装置将包含位移信息的干涉条纹转换为具体的第二电压信号，通过数据采集模块反馈给控制主机。控制主机接受反馈信号，分析位移变化，并结合位移发出校正后的第一电压信号。

控制主机进一步接收干涉条纹移动数目，通过基于遗传算法的PID控制器将干涉条纹数目包含的位移与目标位移比较，以位移误差为输入，输出补偿电压，结合前馈补偿电压，得到复合控制电压，驱动压电陶瓷达到目标位移。