CN107167250A - 一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
采用RHVD系列压电陶瓷驱动电源，通过并口控制方式与控制主机连接，以动态链接库编程技术控制主机将综合控制第一电压信号实时输入到驱动电压源。
本发明的有益效果是：本发明针对迈克尔逊干涉仪测量精度不高的问题，通过引入具有放大功能的光路放大装置，实现微小位移测量精度的进一步提高。可将迈克尔逊干涉仪的测量精度提高500倍，实现纳米级位移的测量。
对于相同的纳米级测量精度，有效降低仪器成本。
本发明可根据不同的放大需求来调节放大倍数，实现精度可调的微位移检测。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的光路放大装置结构示意图；
图3为放大倍数与入射角及动定镜夹角的关系图；
图4为压电陶瓷控制原理框图；
图5为压电陶瓷控制方法工作流程图。
其中1为半导体稳频激光器，2为分束立方体，3为参考镜，4为定镜，5为动镜，6为压电陶瓷，7为光电二极管，8为精密旋转台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。此处所描述的实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，选用半导体稳频激光器1输出632.8nm的红光通过分束立方体2分成两束，其中一束入射到参考镜3上返回，另一束入射到光路放大装置的定镜4和动镜5，经多次反射后返回，两束光在分束立方体2汇合，形成光干涉，实时检测压电陶瓷的位移。如图2中所示，动镜与定镜皆为表面镀银膜反射率大于99.6％的平面镜，两反射镜夹角为α。光束以入射角β射入定镜，则入射光的入射角每经过一次反射再次射入定镜时的入射角将减小2α。当β/α＝N，且N为奇数时，入射光经过N次反射后垂直入射到动镜，再经过N次反射原路返回。将压电陶瓷垂直粘贴在动镜上，保持定镜稳定，当压电陶瓷受到电压驱动产生纳米级微小位移d时，将对迈克尔逊干涉仪光路的光程差产生数倍于d甚至数百倍于d的影响。对光路放大装置进行数学分析，以压电陶瓷的位移d，光源射入定镜的入射角β，动镜与定镜夹角α为变量，根据数学公式得到每次反射造成的光程变化S为：
式中α为动镜与定镜的夹角，根据公式β/α＝N可知β的大小由α决定，最小为3α，最大不超过90°。i为每次入射到镜面的入射角，第一次入射到镜面的入射角为β，入射角每经过一次反射再次射入定镜时的入射角将减小2α，第二次的入射角为β-2α，以此类推。
以上光程变化量的函数，可得到不同β和α下的光程变化量S与压电陶瓷位移d的倍数关系，可以得到不同入射角与动镜定镜夹角条件下，该装置对压电陶瓷微小位移的放大倍数S/d。图3给出了不同β和α下，随着反射次数的不同，光程变化与位移比值的变化情况。虚线标出了放大倍数为100倍时对应的光入射角和动镜、定镜夹角。当α＝0.5°，β＝80.5°时放大倍率为560倍。通过观测迈克尔逊干涉仪干涉条纹的变化次数，得到光程差的变化量除以放大倍数即可得到压电陶瓷产生的位移量。
光电转换装置通过由光电二极管构建的比较电路将干涉条纹的明暗变化转换为第二电压信号的变化，再通过放大电路和滤波电路，输出第二电压信号。数据采集模块与控制主机通信，通过对采集的第二电压信号的处理，得到压电陶瓷的位移量。
压电陶瓷控制采用逆补偿控制与基于遗传算法的PID控制相结合的复合控制方式。根据所选用压电陶瓷的迟滞特性曲线，采用椭圆极坐标方式对迟滞特性进行建模：对输入的第一电压信号及采集到的压电陶瓷位移第二电压信号进行归一化处理，以椭圆极坐标方式对其进行拟合，得到压电陶瓷迟滞环的上升下降曲线，进而建立压电陶瓷的迟滞逆模型。根据迟滞逆模型输入期望位移得到控制电压U2。
本实施方式的反馈控制为基于遗传算法的PID控制。PID控制器的参数整定采用遗传算法，适应度函数应与目标函数相关，此次设计所选取的适应度函数为位移误差积分的倒数。
通过编程选出最优的PID参数后，将误差作为PID控制器输入信号，即可得到补偿电压U1，继而得到综合控制电压U。其控制电压流程图如图5所示，首先建立压电陶瓷迟滞逆模型，由期望位移得到控制电压U2，进而驱动压电陶瓷产生位移；根据系统反馈回的实际位移计算出位移误差，通过闭环PID控制器，得出综合控制电压，驱动压电陶瓷使其位移更加接近或达到期望位移。
Claims (2)
1.一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置，其特征在于：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。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置，其特征在于：控制主机控制旋转台转动使定镜和动镜成合适的角度，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。
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