CN102506685B - 基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法 - Google Patents

Abstract

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，其特征在于对压电陶瓷施加周期性三角波驱动电压，使其往返运动，在相反的运动方向上分别找出对应一定压电陶瓷长度的基准位置，并取得对应此基准位置的驱动电压，计算其平均值。可由所述平均值的变化乘以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计算出待测位移量。这种方法的优点在于可以有效改善压电陶瓷的迟滞和非线性，提高位移测量的精度；对压电陶瓷进行开环控制即可，没有增加系统复杂性和成本；便于与其它位移测量方法相结合，实现大量程高精度位移测量。

Description

基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法

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，

所述上升区和下降区的采样点数与采样间隔相等，

步骤(2.4)，在腔镜(1-5)的位移开始前，所述单片机(5)在所述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，从步骤(2.3)得到的结果中找到当所述水平偏振光转换电压值与所述垂直偏振光转换电压值相等时，分别对应的所述周期性三角波驱动电压上升区和下降区的电压值，分别用V1和V2表示，取其平均值为VA，

步骤(2.5)，在腔镜(1-5)的位移结束后，所述单片机(5)在所述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，从步骤(2.3)得到的结果中找到当所述水平偏振光转换电压值与所述垂直偏振光转换电压值相等时，分别对应的所述周期性三角波驱动电压上升区和下降区的电压值，分别用V3和V4表示，取其平均值为VB，

步骤(2.6)，VA和VB的差值(VA-VB)，乘以所述单片机(5)中预存的所述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，即可得位移S。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：实施例：激光测量技术与本发明的结合。

图2：实施例：位移测量信号；实心方形点代表水平偏振光光强，空心方形点代表垂直偏振光光强，实线代表压电陶瓷的驱动电压。

图3：实施例：实测的压电陶瓷电压-位移曲线；实心圆形点为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，空心圆形点为周期性三角波电压驱动下当驱动电压下降时的位移-驱动电压曲线。。

图4：实施例：平均的压电陶瓷电压-位移曲线；实心圆形点为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，空心圆形点为周期性三角波电压驱动下当驱动电压下降时的位移-驱动电压曲线，虚线为相反运动方向的驱动电压取平均值后的平均值曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实例结构如图1所示。图1中，(1)是半外腔式双频激光器，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，使激光器输出双频激光，偏振态相互垂直，可称为水平偏振光和垂直偏振光。(2)是偏振分光棱镜，将所述半外腔式双频激光器(1)所输出的双频激光分开。(3-1)为第一光电探测器，接收所述偏振分光棱镜(2)所分开的水平偏振光；(3-2)为第二光电探测器，接收所述偏振分光棱镜(2)所分开的垂直偏振光。(4)是双输入双输出的光电转换电路，(5)是单片机，(6)是压电陶瓷驱动器，(7)是压电陶瓷。

根据清华大学精密测试及仪器国家重点实验室的正交偏振激光理论，每当腔镜移动半个波长，激光器输出的光强将波动一个周期，水平偏振光和垂直偏振光的光强也分别波动一个周期，且这两路光之间有一定的相位差，如图2所示，实心方形点代表水平偏振光光强，空心方形点代表垂直偏振光光强，实线代表压电陶瓷的驱动电压。压电陶瓷在周期性三角波电压驱动下带动腔镜(1-5)沿激光轴向往返移动，即改变了激光器的腔长，激光器输出的两路正交偏振光也呈周期性波动。显而易见，根据整个周期的光强波动次数可以得到腔镜的位移，即光强波动整周期次数乘以二分之一波长。本发明提供的方法可以与上述激光位移测量技术结合，准确测量出不足整数周期的光强波动对应的位移，下面将结合激光测量技术对本发明作进一步说明。

将压电陶瓷(7)与激光器的腔镜(1-5)相连，给压电陶瓷(7)施以周期性三角波驱动电压，使腔镜(1-5)在激光器轴向往返运动，此时激光器腔长被调制。由于三角波电压的对称性，理想状况下，一个扫描周期内的光强信号关于三角波电压顶点对称，在腔镜(1-5)相反的运动方向上，总有一个位置，使双频激光的两频率对称于激光增益曲线的中心，此时两频率的激光光强相等，以下统一称该位置为等光强点。

实际上，压电陶瓷都存在一定的迟滞效应和非线性，如图3所示，实心圆形点为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，空心圆形点为周期性三角波电压驱动下当驱动电压下降时的位移-驱动电压曲线。在相反的运动方向上，相等的驱动电压所对应的压电陶瓷的位移有差别，导致在腔镜(1-5)相反的运动方向上，关于三角波电压顶点对称的等光强点对应的驱动电压有差别。因此，本发明的技术方案中，将对称的等光强点处的驱动电压取平均值，代表等该位置对应的压电陶瓷的驱动电压值。此外，只使用所述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，如图4所示，图中实心圆形点为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，空心圆形点为周期性三角波电压驱动下当驱动电压下降时的位移-驱动电压曲线，虚线为相反运动方向的驱动电压取平均值后的平均值曲线。对这三条曲线在图示区域进行分析可得，当驱动电压上升时的位移-驱动电压曲线和当驱动电压下降时的位移-驱动电压曲线的线性度分别为98.23％和97.64％，平均值曲线的线性度为99.07％。可见通过在相反的运动方向上，将对应一定压电陶瓷长度的基准位置的两个驱动电压进行平均后，消除了迟滞特性的影响，并且使得用于位移测量的位移-驱动电压曲线的线性度大大提高。

针对本实施例，本发明的位移测量方法步骤如下：

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，

所述上升区和下降区的采样点数与采样间隔相等，

步骤(2.4)，在腔镜(1-5)的位移开始前，所述单片机(5)在所述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，从步骤(2.3)得到的结果中找到当所述水平偏振光转换电压值与所述垂直偏振光转换电压值相等时，分别对应的所述周期性三角波驱动电压上升区和下降区的电压值，分别用V1和V2表示，取其平均值为VA，

步骤(2.5)，在腔镜(1-5)的位移结束后，所述单片机(5)在所述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，从步骤(2.3)得到的结果中找到当所述水平偏振光转换电压值与所述垂直偏振光转换电压值相等时，分别对应的所述周期性三角波驱动电压上升区和下降区的电压值，分别用V3和V4表示，取其平均值为VB，

步骤(2.6)，VA和VB的差值(VA-VB)，乘以所述单片机(5)中预存的所述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，即可得位移S。

压电陶瓷的伸缩范围有限，因此这种方法适合于小范围的位移测量。若要进行大范围测量时，可与其它测量方法相结合。在本实例中，可利用激光器的特性，完成整数个等光强点的位移计数；在不足整数个等光强点的范围内，利用本发明所述的基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法，实现小范围内的位移精测。将粗测和精测相结合，可实现大量程高精度的位移测量。

综上所述，基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法可以有效改善压电陶瓷的迟滞和非线性，提高位移测量的精度；对压电陶瓷进行开环控制即可，没有增加系统复杂性和成本；便于与其它位移测量方法相结合，实现大量程高精度位移测量。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于压电陶瓷开环调制的位移测量方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

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，

所述上升区和下降区的采样点数与采样间隔相等，

步骤(2.4)，在腔镜(1-5)的位移开始前，所述单片机(5)在所述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，从步骤(2.3)得到的结果中找到当所述水平偏振光转换电压值与所述垂直偏振光转换电压值相等时，分别对应的所述周期性三角波驱动电压上升区和下降区的电压值，分别用V1和V2表示，取其平均值为VA，

步骤(2.5)，在腔镜(1-5)的位移结束后，所述单片机(5)在所述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，从步骤(2.3)得到的结果中找到当所述水平偏振光转换电压值与所述垂直偏振光转换电压值相等时，分别对应的所述周期性三角波驱动电压上升区和下降区的电压值，分别用V3和V4表示，取其平均值为VB，

步骤(2.6)，VA和VB的差值(VA-VB)，乘以所述单片机(5)中预存的所述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，即可得位移S。

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