CN113432541B - 一种压电陶瓷微位移的测量方法、系统、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷微位移的测量方法、系统、装置及计算机可读存储介质，属于微位移测量领域，测量方法包括第一光谱图生成步骤，控制激光器发射预设波长为λ的激光，得到激光通过准直透镜后形成的第一光信号，进而得到第一光谱图；第二光谱图生成步骤，控制激光器发射预设波长为λ的激光，控制压电陶瓷发生位移，得到通过准直透镜后形成的第二光信号，进而得到第二光谱图；激光频率变化量获取步骤，对第一光谱图和第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量；位移变化量获取步骤，将激光频率变化量代入方程组，通过求解计算得到压电陶瓷的位移变化量。本发明具有便于对压电陶瓷的位移变化量进行测量的效果。

Description

一种压电陶瓷微位移的测量方法、系统、装置及计算机可读存 储介质

技术领域

本发明涉及微位移测量领域，尤其是涉及一种压电陶瓷微位移的测量方法、系统、装置及计算机可读存储介质。

背景技术

压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能相互转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，具有响应速度快、重复性好以及使用寿命长等特点，被广泛应用于精密测量、医疗器械、精密控制以及微制动等领域。

由于压电陶瓷在经过电压驱动后会发生微小形变，又叫微位移，通过对压电陶瓷施加不同的驱动电压，即可产生不同的位移量。在激光气体分析仪领域，利用压电陶瓷的这一特性，通过合理的结构设计，能够达到消除光学噪声的目的。

目前，由于制备工艺及成分比例的差异导致不同压电陶瓷所产生的最大行程不同，而对不同压电陶瓷的微位移测量是评价压电陶瓷性能的重要手段之一。常见的压电陶瓷位移测量方法有机械测量法、电涡流位移计法和激光干涉仪法等，其中，机械测量法结构简单，方便操作，但测量精度较差；电涡流位移计法测量虽然精度较高，但容易受到电磁干扰；激光干涉仪法则一般采用迈克尔逊干涉仪，虽然测量精度高，且不易受外界环境干扰，但结构复杂，操作难度较大。

针对上述中的相关技术，发明人认为由于在激光气体分析仪领域所用的压电陶瓷一般多为低电压驱动，产品结构尺寸相对较小，相关技术中的测量方法不便于对压电陶瓷的位移变化量进行测量。

发明内容

为了便于对压电陶瓷的位移变化量进行测量，本发明提供了一种压电陶瓷微位移的测量方法、系统、装置及计算机可读存储介质。

第一方面，本发明提供的一种压电陶瓷微位移的测量方法采用如下的技术方案：

一种压电陶瓷微位移的测量方法，所述测量方法包括，

第一光谱图生成步骤，控制激光器发射预设波长为λ的激光，得到所述激光通过准直透镜后形成的第一光信号，并将所述第一光信号光电转换后得到的第一电信号进行信号处理，得到第一光谱图；

第二光谱图生成步骤，控制激光器发射预设波长为λ的激光，控制压电陶瓷发生位移，得到通过所述准直透镜后形成的第二光信号，并将所述第二光信号光电转换后得到的第二电信号进行信号处理，得到第二光谱图；

激光频率变化量获取步骤，对所述第一光谱图和第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量为：δμ＝x·FSR，其中，FSR为频率周期，x为同一波峰或波谷的位移量与频率周期FSR的比值；以及，

位移变化量获取步骤，将所述激光频率变化量δμ＝x·FSR代入关系式(1)、(2)、(3)组合的方程组，通过求解计算得到所述位移变化量为：δL＝x·λ/2；所述关系式包括：

FSR＝c/2nL (1)，

δL/L＝δμ/μ (2)，

μ＝c/λ (3)；

其中，c为光速，n为空气折射率，L为激光器的保护窗口片与准直透镜表面的距离，μ为激光频率，λ为激光的预设波长；

其中，所述压电陶瓷固定连接在激光器上远离激光器的保护窗口片的一侧，所述准直透镜设置在激光器远离压电陶瓷的一侧，且所述准直透镜与激光器的保护窗口片间隔一定的距离L。

通过采用上述技术方案，在进行测量时，将压电陶瓷固定连接在激光器上远离激光器的保护窗口片的一侧，在激光器远离压电陶瓷的一侧设置准直透镜，再控制激光器发射预设波长为λ的激光，激光在激光器的保护窗口片与准直透镜之间来回反射，经过准直透镜准直后，得到第一光信号，根据第一光信号得到第一光谱图；在生成第一光谱图后，控制压电陶瓷发生位移，进而驱使激光器位移，位移后的激光器发射的激光在激光器的保护窗口片与准直透镜之间来回反射，再经过准直透镜准直后，得到第二光信号，根据第二光信号即可得到第二光谱图；将第一光谱图与第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量δμ，将激光频率变化量δμ代入方程组，进而求解计算得到位移变化量δL；整个测量过程操作方便，结构简单，利用光干涉谱线的相移与激光器的位移关系得到压电陶瓷的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷位移变化量的测量。

可选的，将第一电信号和第二电信号进行信号处理的具体方法包括，

将所述第一电信号根据公式y＝ax+b进行线性拟合，得到线性拟合后的第一电信号，将所述第一电信号对应减去所述线性拟合后的第一电信号，得到生成第一光谱图的光干涉信号；

将所述第二电信号根据公式y＝ax+b进行线性拟合，得到线性拟合后的第二电信号，将所述第二电信号对应减去所述线性拟合后的第二电信号，得到生成第二光谱图的光干涉信号。

通过采用上述技术方案，便于根据第一电信号得到第一光谱图，根据第二电信号得到第二光谱图，从而便于观测光干涉谱线的相移。

可选的，所述第一光谱图生成步骤之后还包括，

发送所述第一光谱图至第一显示模块以对第一光谱图进行显示。

通过采用上述技术方案，在得到第一光谱图后，将第一光谱图发送至第一显示模块进行显示，从而便于工作人员对相移前的激光干涉信号进行观测。

可选的，所述第二光谱图生成步骤之后还包括，

发送所述第二光谱图至第二显示模块以对第二光谱图进行显示。

通过采用上述技术方案，在得到第二光谱图后，将第二光谱图发送至第二显示模块进行显示，从而便于工作人员对相移后的激光干涉信号进行观测。

可选的，所述控制激光器发射预设波长为λ的激光的具体方法包括，

生成激光发射控制信号并发送至激光器驱动模块；所述激光发射控制信号用于控制所述激光器驱动模块生成温度控制信号和激光发射驱动信号；其中，所述温度控制信号用于控制所述激光器发射激光的预设波长，所述激光发射驱动信号用于驱动所述激光器发射激光。

通过采用上述技术方案，通过激光发射控制信号控制激光器驱动模块驱动激光器发射激光，从而达到了自动控制的效果；利用温度控制信号控制激光器发射激光的波长，使得激光器可根据预先设置的激光波长进行发射，从而便于计算出压电陶瓷的位移变化量。

可选的，控制压电陶瓷发生位移的具体方法包括，

生成压电陶瓷驱动控制信号并发送至压电陶瓷驱动模块；其中，所述压电陶瓷驱动控制信号用于控制压电陶瓷驱动模块驱动压电陶瓷发生位移。

通过采用上述技术方案，利用压电陶瓷驱动控制信号，便于控制压电陶瓷驱动模块驱动压电陶瓷发生位移，从而达到了自动控制的效果。

第二方面，本申请提供一种压电陶瓷微位移的光学测量系统，采用如下的技术方案：

一种压电陶瓷微位移的光学测量系统，所述光学测量系统包括，

第一光谱图生成模块，用于控制激光器发射预设波长为λ的激光，得到所述激光通过准直透镜后形成的第一光信号，并将所述第一光信号光电转换后得到的第一电信号进行信号处理，得到第一光谱图；

第二光谱图生成模块，用于控制激光器发射预设波长为λ的激光，控制压电陶瓷发生位移，得到通过所述准直透镜后形成的第二光信号，并将所述第二光信号光电转换后得到的第二电信号进行信号处理，得到第二光谱图；

激光频率变化量获取模块，用于对所述第一光谱图和第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量为：δμ＝x·FSR，其中，FSR为频率周期，x为同一波峰或波谷的位移量与频率周期FSR的比值；以及，

位移变化量获取模块，用于将所述激光频率变化量δμ＝x·FSR代入关系式(1)、(2)、(3)组合的方程组，通过求解计算得到所述位移变化量为：δL＝x·λ/2；所述关系式包括：

FSR＝c/2nL (1)，

δL/L＝δμ/μ (2)，

μ＝c/λ (3)；

其中，c为光速，n为空气折射率，L为激光器的保护窗口片与准直透镜表面的距离，μ为激光频率，λ为激光的预设波长；

其中，所述压电陶瓷固定连接在激光器上远离激光器的保护窗口片的一侧，所述准直透镜设置在激光器远离压电陶瓷的一侧，且所述准直透镜与激光器的保护窗口片间隔一定的距离L。

通过采用上述技术方案，在进行测量时，将压电陶瓷固定连接在激光器上远离激光器的保护窗口片的一侧，在激光器远离压电陶瓷的一侧设置准直透镜，再利用第一光谱图生成模块，控制激光器发射预设波长为λ的激光，激光在激光器的保护窗口片与准直透镜之间来回反射，经过准直透镜准直后，得到第一光信号，根据第一光信号得到第一光谱图；在生成第一光谱图后，利用第二光谱图生成模块，控制压电陶瓷发生位移，进而驱使激光器位移，位移后的激光器发射的激光在激光器的保护窗口片与准直透镜之间来回反射，再经过准直透镜准直后，得到第二光信号，根据第二光信号即可得到第二光谱图；利用激光频率变化量获取模块将第一光谱图与第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量δμ，利用位移变化量获取模块将激光频率变化量δμ代入方程组，进而求解计算得到位移变化量δL；整个测量过程操作方便，结构简单，利用光干涉谱线的相移与激光器的位移关系得到压电陶瓷的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷位移变化量的测量。

第三方面，本申请提供一种压电陶瓷微位移的测量装置，采用如下的技术方案：

一种压电陶瓷微位移的测量装置，所述测量装置包括压电陶瓷、压电陶瓷驱动模块、激光器、激光器驱动模块、准直透镜、光电转换处理模块和显示器，所述压电陶瓷固定连接在激光器上远离激光器的保护窗口片的一侧，所述压电陶瓷驱动模块与压电陶瓷连接，所述压电陶瓷驱动模块用于驱动所述压电陶瓷发生位移，所述激光器驱动模块与激光器连接，所述激光器驱动模块用于驱动所述激光器发射激光，所述准直透镜设置在激光器远离压电陶瓷的一侧，且所述准直透镜与激光器的保护窗口片间隔一定的距离L，所述光电转换处理模块设置在准直透镜远离激光器的一侧，所述准直透镜用于对激光器发射的激光进行准直后聚焦至光电转换处理模块上，所述光电转换处理模块用于将激光的光信号转换为电信号并进行信号处理，所述显示器与所述光电转换处理模块连接。

通过采用上述技术方案，在进行测量时，利用激光器驱动模块向激光器发送激光发射驱动信号和温度控制信号，即可驱动激光器发射预设波长的激光，激光在激光器的保护窗口片与准直透镜之间来回反射，再经过准直透镜准直后聚焦在光电转换处理模块上，通过光电转换处理模块将光信号转换为电信号并进行信号处理后，发送至显示器，对第一光谱图进行显示；利用压电陶瓷驱动模块向压电陶瓷发送压电陶瓷驱动信号，即可驱动压电陶瓷发生位移，由于压电陶瓷与激光器固定连接，即可带动激光器发生位移，进而使得第一光谱图中的光干涉信号产生相移，即可得到第二光谱图并对第二光谱图进行显示，通过观测第一光谱图和第二光谱图并进行对比，即可利用计算公式推导出压电陶瓷的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷位移变化量的纳米级精度测量。

可选的，所述测量装置还包括控制处理器，控制处理器加载并执行如第一方面中的任一种方法的计算机程序，所述压电陶瓷驱动模块、激光器驱动模块、光电转换处理模块均与控制处理器连接。

通过采用上述技术方案，利用控制器处理器向激光器驱动模块发送激光发射控制信号，即可控制激光器驱动模块驱动激光器发射预设波长的激光，激光在激光器的保护窗口片与准直透镜之间来回反射，再经过准直透镜准直后聚焦在光电转换处理模块上，通过光电转换处理模块将光信号转换为电信号并进行信号处理后，发送至控制处理器，即可得到第一光谱图；控制处理器向压电陶瓷驱动模块发送压电陶瓷驱动控制信号，即可控制压电陶瓷驱动模块驱动压电陶瓷发生位移，由于压电陶瓷与激光器固定连接，即可带动激光器发生位移，进而使得第一光谱图中的光干涉信号产生相移，得到第二光谱图，利用控制处理器对第一光谱图和第二光谱图进行对比，再根据预先设置的计算公式，即可自动推导出压电陶瓷的实际位移变化量，从而利用控制处理器实现了对压电陶瓷位移变化量的自动测量，减少了工作人员的人工参与，提高了测量效率。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，采用如下的技术方案：

一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行如第一方面中任一种方法的计算机程序。

附图说明

图1是本申请其中一个实施例的测量装置的结构示意图。

图2是本申请其中一个实施例的测量装置的结构示意图。

图3是本申请其中一个实施例的测量方法的流程示意图。

图4是本申请其中一个实施例对第一电信号和第二电信号进行线性拟合后的信号波形图。

图5是本申请其中一个实施例的第一光谱图和第二光谱图。

附图标记说明：1、压电陶瓷；2、压电陶瓷驱动模块；3、激光器；4、激光器驱动模块；5、准直透镜；6、光电转换处理模块；7、控制处理器；8、显示器；101、第一光谱图生成步骤；102、第二光谱图生成步骤；103、激光频率变化量获取步骤；104、位移变化量获取步骤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在激光气体分析仪领域中，由于目前所用的压电陶瓷一般多为低电压驱动，结构尺寸较小，因此常见的测量方法已无法满足压电陶瓷位移变化量的纳米级精度测量。

本申请实施例公开一种压电陶瓷微位移的测量装置。

参照图1，测量装置包括压电陶瓷1、压电陶瓷驱动模块2、激光器3、激光器驱动模块4、准直透镜5、光电转换处理模块6和显示器8，所述压电陶瓷1固定连接在激光器3上远离激光器3的保护窗口片的一侧，压电陶瓷驱动模块2与压电陶瓷1连接，压电陶瓷驱动模块2用于驱动所述压电陶瓷1发生位移，激光器驱动模块4与激光器3连接，激光器驱动模块4用于驱动激光器3发射激光，准直透镜5设置在激光器3远离压电陶瓷1的一侧，且准直透镜5与激光器3的保护窗口片间隔一定的距离L，光电转换处理模块6设置在准直透镜5远离激光器3的一侧，准直透镜5用于对激光器3发射的激光进行准直后聚焦至光电转换处理模块6上，光电转换处理模块6用于将激光的光信号转换为电信号并进行信号处理，显示器8与所述光电转换处理模块6连接。

作为压电陶瓷1的一种实施方式，参照图1，压电陶瓷1由多个压电陶瓷片堆叠而成，多个压电陶瓷片通过结构串联、电性并联的方式连接；当向压电陶瓷1上施加电压信号时，压电陶瓷1沿厚度方向发生形变，在形变稳定后所产生的形变量即为压电陶瓷1的位移量，因此，控制压电陶瓷1发生位移即为控制压电陶瓷1发生形变的过程，在压电陶瓷1发生位移后，由于压电陶瓷1与激光器3固定连接，即可带动激光器3向靠近或远离准直透镜5的方向进行位移；另外，需要说明的是，压电陶瓷1的厚度方向的形变量与施加电压的大小成正比，在允许的电压范围内，施加电压越大，形变量也越大，即得到的位移量也越大。

作为准直透镜5的一种实施方式，准直透镜5采用未镀膜的平凸透镜，材质为石英玻璃，反射率为5％左右，能够对激光器3发射的激光进行准直。

作为激光器3和激光器驱动模块4的一种实施方式，激光器3采用TO5封装的DFB激光器(分布式反馈激光器)，激光器3上自带有保护窗口片，能够发射具有一定发散角的激光光束；激光器驱动模块4包括设置在激光器3上的TEC温度控制器和激光发射驱动模块，TEC温度控制器用于输出温度控制信号，激光发射驱动模块用于输出激光发射驱动信号；通过设置TEC温度控制器，控制激光器3根据预先设置的激光波长进行发射，从而便于计算出压电陶瓷1的位移变化量。

作为压电陶瓷1和激光器3固定连接的一种实施方式，压电陶瓷1和驱动器可通过胶粘或者螺栓连接的方式进行固定。

作为光电转换处理模块6的一种实施方式，光电转换处理模块6包括光电探测器和处理模块，其中，光电探测器可根据预设激光波长进行选择，例如可采用铟镓砷探测器、硅探测器和碲镉汞(MCT)探测器等，利用光电探测器将光信号转换为电信号后发送至处理模块，从而便于对电信号进行进一步的信号处理得到光谱图；其中，处理模块可以为集成在光电探测器上的处理芯片，利用处理模块对电信号进行上述方法实施例中对应的信号处理步骤，从而得到生成光谱图的光干涉信号。

作为显示器8的一种实施方式，显示器8可采用液晶显示屏，利用显示器8与光电转换处理模块6连接，进而可对第一光谱图和第二光谱图进行显示。

上述实施方式中，利用激光器驱动模块4向激光器3发送激光发射驱动信号和温度控制信号，即可驱动激光器3发射预设波长的激光，激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，再经过准直透镜5准直后聚焦在光电转换处理模块6上，通过光电转换处理模块6将光信号转换为电信号并进行信号处理后，发送至显示器8，对第一光谱图进行显示；利用压电陶瓷驱动模块2向压电陶瓷1发送压电陶瓷驱动信号，即可驱动压电陶瓷1发生位移，由于压电陶瓷1与激光器3固定连接，即可带动激光器3发生位移，进而使得第一光谱图中的光干涉信号产生相移，即可得到第二光谱图并利用显示器8对第二光谱图进行显示，通过观测第一光谱图和第二光谱图并进行对比，即可利用计算公式推导出压电陶瓷1的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷1位移变化量的纳米级精度测量。

作为测量装置进一步的实施方式，参照图2，测量装置还包括控制处理器7，控制处理器7加载并执行一种压电陶瓷微位移的测量方法中任一种方法的计算机程序，压电陶瓷驱动模块2、激光器驱动模块4、光电转换处理模块6均与控制处理器7连接。

作为压电陶瓷驱动模块2、激光器驱动模块4均与控制处理器7连接的一种实施方式，压电陶瓷驱动模块2可通过有线或无线的方式与控制处理器7连接，激光器驱动模块4可通过有线或无线的方式与控制处理器7连接，利用控制处理器7对压电陶瓷驱动模块2和激光器驱动模块4进行控制，从而达到了自动控制的效果。

作为光电转换处理模块6与控制处理器7连接的一种实施方式，光电转换处理模块6与控制处理器7电连接。

作为控制处理器7的一种实施方式，控制处理器7包括单片机、CPU和GPU等处理器中的任一种或几种。

上述实施方式中，控制器处理器向激光器驱动模块4发送激光发射控制信号，即可控制激光器驱动模块4驱动激光器3发射预设波长的激光，激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，再经过准直透镜5准直后聚焦在光电转换处理模块6上，通过光电转换处理模块6将光信号转换为电信号并进行信号处理后，即可得到第一光谱图并发送至控制处理器7；控制处理器7向压电陶瓷驱动模块2发送压电陶瓷驱动控制信号，即可控制压电陶瓷驱动模块2驱动压电陶瓷1发生位移，由于压电陶瓷1与激光器3固定连接，即可带动激光器3发生位移，进而使得第一光谱图中的光干涉信号产生相移，得到第二光谱图并发送至控制处理器7，利用显示器8可对第一光谱图和第二光谱图进行显示，以便于工作人员随时进行观测，利用控制处理器7对第一光谱图和第二光谱图进行对比，再根据预先设置的计算公式，即可自动推导出压电陶瓷1的实际位移变化量，从而利用控制处理器7实现了对压电陶瓷1位移变化量的自动测量，减少了工作人员的人工参与，提高了测量效率。

本发明实施例还公开一种压电陶瓷微位移的测量方法。

参照图3，一种压电陶瓷微位移的测量方法，测量方法包括，

第一光谱图生成步骤101，控制激光器3发射预设波长为λ的激光，得到激光通过准直透镜5后形成的第一光信号，并将第一光信号光电转换后得到的第一电信号进行信号处理，得到第一光谱图；

第二光谱图生成步骤102，控制激光器3发射预设波长为λ的激光，控制压电陶瓷1发生位移，得到通过准直透镜5后形成的第二光信号，并将第二光信号光电转换后得到的第二电信号进行信号处理，得到第二光谱图；

激光频率变化量获取步骤103，对第一光谱图和第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量为：δμ＝x·FSR，其中，FSR为频率周期，x为同一波峰或波谷的位移量与频率周期FSR的比值；以及，

位移变化量获取步骤104，将激光频率变化量δμ＝x·FSR代入关系式(1)、(2)、(3)组合的方程组，通过求解计算得到位移变化量为：δL＝x·λ/2；关系式包括：

FSR＝c/2nL (1)，

δL/L＝δμ/μ (2)，

μ＝c/λ (3)；

其中，c为光速，n为空气折射率，L为激光器3的保护窗口片与准直透镜5表面的距离，μ为激光频率，λ为激光的预设波长；

其中，压电陶瓷1固定连接在激光器3上远离激光器3的保护窗口片的一侧，准直透镜5设置在激光器3远离压电陶瓷1的一侧，且准直透镜5与激光器3的保护窗口片间隔一定的距离L。

上述实施方式中，在进行测量时，将压电陶瓷1固定连接在激光器3上远离激光器3的保护窗口片的一侧，在激光器3远离压电陶瓷1的一侧设置准直透镜5，再控制激光器3发射预设波长为λ的激光，激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，经过准直透镜5准直后，得到第一光信号，根据第一光信号得到第一光谱图；在生成第一光谱图后，控制压电陶瓷1发生位移，进而驱使激光器3位移，位移后的激光器3发射的激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，再经过准直透镜5准直后，得到第二光信号，根据第二光信号即可得到第二光谱图；将第一光谱图与第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量δμ，将激光频率变化量δμ代入方程组，进而求解计算得到位移变化量δL；整个测量过程操作方便，结构简单，利用光干涉谱线的相移与激光器3的位移关系得到压电陶瓷1的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷1位移变化量的测量。

作为第二光谱图生成步骤102的一种实施方式，控制压电陶瓷1发生位移的具体方法包括，利用压电陶瓷驱动模块2生成压电陶瓷驱动信号并发送至压电陶瓷1；其中，压电陶瓷驱动信号用于驱动压电陶瓷1发生位移。

作为压电陶瓷驱动信号的一种实施方式，压电陶瓷驱动信号为可调节的恒压信号，通过预先设定的驱动电压值，驱动压电陶瓷1发生相应位移变化量的位移，因此在完成对压电陶瓷1位移变化量的测量后，也可得到压电陶瓷驱动信号的驱动电压值与压电陶瓷1位移变化量的关系。

作为对第一电信号和第二电信号进行信号处理的一种实施方式，参照图4，将第一电信号(如波形α所示)利用公式y＝ax+b进行线性拟合，得到线性拟合后的第一电信号(如波形β所示)，再将未线性拟合的第一电信号(如波形α所示)对应减去线性拟合后的第一电信号(如波形β所示)，即可得到生成第一光谱图的光干涉信号；将第二电信号(如波形α所示)利用公式y＝ax+b进行线性拟合，得到线性拟合后的第二电信号(如波形β所示)，再将未线性拟合的第二电信号(如波形α所示)对应减去线性拟合后的第二电信号(如波形β所示)，即可得到生成第二光谱图的光干涉信号。

作为激光频率变化量获取步骤103的一种实施方式，可通过举例进行说明：参照图5，对比第一光谱图(如图A所示)和第二光谱图(如图B所示)，可得到同一波峰从P1位置移动到P2位置，移动了一个周期，即一个自由光谱区(FSR)，则同一波峰的位移量与频率周期FSR的比值为1，即δμ＝FSR；相应地，当同一波峰或波谷移动了x个周期时，则同一波峰或波谷的位移量与频率周期FSR的比值为x，即δμ＝x·FSR。

作为测量方法进一步的实施方式，第一光谱图生成步骤101之后还包括，

发送第一光谱图至第一显示模块以对第一光谱图进行显示。

作为测量方法进一步的实施方式，第二光谱图生成步骤102之后还包括，

发送第一光谱图至第二显示模块以对第二光谱图进行显示。

作为第一显示模块和第二显示模块的一种实施方式，第一显示模块和第二显示模块可位于同一显示器上，也可位于不同显示器上。

本发明实施例所提供的测量方法可应用于图1所示的装置中，利用激光器驱动模块4向激光器3发送激光发射驱动信号和温度控制信号，即可驱动激光器3发射预设波长的激光，激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，再经过准直透镜5准直后聚焦在光电转换处理模块6上，通过光电转换处理模块6将光信号转换为电信号并进行信号处理后，发送至第一显示模块对第一光谱图进行显示；利用压电陶瓷驱动模块2向压电陶瓷1发送压电陶瓷驱动信号，即可驱动压电陶瓷1发生位移，由于压电陶瓷1与激光器3固定连接，即可带动激光器3发生位移，进而使得第一光谱图中的光干涉信号产生相移，即可得到第二光谱图并利用第二显示模块对第二光谱图进行显示，通过观测第一光谱图和第二光谱图并进行对比，即可利用计算公式推导出压电陶瓷1的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷1位移变化量的纳米级精度测量。

作为第一光谱图生成步骤101进一步的一种实施方式，控制激光器3发射预设波长为λ的激光的具体方法包括，生成激光发射控制信号并发送至激光器驱动模块4，激光器驱动模块4接收激光发射控制信号，并响应于激光发射控制信号生成温度控制信号和激光发射驱动信号。

上述实施方式中，通过发送激光发射控制信号控制激光器驱动模块4驱动激光器3发射激光，从而达到了对激光器驱动模块4的自动控制。

作为第二光谱图生成步骤102进一步的一种实施方式，控制压电陶瓷1发生位移的具体方法包括，生成压电陶瓷驱动控制信号并发送至压电陶瓷驱动模块2；其中，压电陶瓷驱动控制信号用于控制压电陶瓷驱动模块2驱动压电陶瓷1发生位移。

上述实施方式中，通过发送压电陶瓷驱动控制信号控制压电陶瓷驱动模块2驱动压电陶瓷1发生位移，从而达到了对压电陶瓷驱动模块2的自动控制。

本发明实施例所提供的测量方法还可应用于图2所示的装置中，利用控制器处理器向激光器驱动模块4发送激光发射控制信号，即可控制激光器驱动模块4驱动激光器3发射预设波长的激光，激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，再经过准直透镜5准直后聚焦在光电转换处理模块6上，通过光电转换处理模块6将光信号转换为电信号并进行信号处理后，即可得到第一光谱图并发送至控制处理器7；利用控制处理器7向压电陶瓷驱动模块2发送压电陶瓷驱动控制信号，即可控制压电陶瓷驱动模块2驱动压电陶瓷1发生位移，由于压电陶瓷1与激光器3固定连接，即可带动激光器3发生位移，进而使得第一光谱图中的光干涉信号产生相移，得到第二光谱图并发送至控制处理器7，利用显示器8可对第一光谱图和第二光谱图进行显示，以便于工作人员随时进行观测，利用控制处理器7对第一光谱图和第二光谱图进行自动对比，再根据预先设置的计算公式，即可自动推导出压电陶瓷1的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷1位移变化量的自动测量，减少了工作人员的人工参与，提高了测量效率。

另外，由于通过向压电陶瓷1发送压电陶瓷驱动信号，即可驱动压电陶瓷1移动，因此当压电陶瓷1无法接收到驱动信号时，即可将压电陶瓷1复原至原位置；因此作为测量方法的另一种实施方式，第一光谱图生成步骤101也可放在第二光谱图生成步骤102之后，即先发送压电陶瓷驱动信号驱动压电陶瓷1移动，生成第二光谱图，再停止发送压电陶瓷驱动信号，使得压电陶瓷1复原至原位置，并生成第一光谱图，利用得到的第一光谱图和第二光谱图进行对比，同样可以得到激光频率变化量δμ，进而求解计算得到位移变化量δL。

需要注意的是，由于需要在压电陶瓷1形变稳定后，才能获取到准确的第二光谱图，因此准确的第二光谱图的获取时间应该是驱动压电陶瓷1位移后的一段时间，该段时间的长度可以根据本领域技术人员的经验进行设定或控制。

本申请实施例还公开一种压电陶瓷微位移的光学测量系统。

一种压电陶瓷微位移的光学测量系统，光学测量系统包括，

第一光谱图生成模块，用于控制激光器3发射预设波长为λ的激光，得到所述激光通过准直透镜5后形成的第一光信号，并将所述第一光信号光电转换后得到的第一电信号进行信号处理，得到第一光谱图；

第二光谱图生成模块，用于控制激光器3发射预设波长为λ的激光，控制压电陶瓷1发生位移，得到通过所述准直透镜5后形成的第二光信号，并将所述第二光信号光电转换后得到的第二电信号进行信号处理，得到第二光谱图；

激光频率变化量获取模块，用于对所述第一光谱图和第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量为：δμ＝x·FSR，其中，FSR为频率周期，x为同一波峰或波谷的位移量与频率周期FSR的比值；以及，

位移变化量获取模块，用于将所述激光频率变化量δμ＝x·FSR代入关系式(1)、(2)、(3)组合的方程组，通过求解计算得到所述位移变化量为：δL＝x·λ/2；所述关系式包括：

FSR＝c/2nL (1)，

δL/L＝δμ/μ (2)，

μ＝c/λ (3)；

其中，c为光速，n为空气折射率，L为激光器3的保护窗口片与准直透镜5表面的距离，μ为激光频率，λ为激光的预设波长；

其中，压电陶瓷1固定连接在激光器3上远离激光器3的保护窗口片的一侧，准直透镜5设置在激光器3远离压电陶瓷1的一侧，且准直透镜5与激光器3的保护窗口片间隔一定的距离L。

上述实施方式中，在进行测量时，将压电陶瓷1固定连接在激光器3上远离激光器3的保护窗口片的一侧，在激光器3远离压电陶瓷1的一侧设置准直透镜5，再利用第一光谱图生成模块，控制激光器3发射预设波长为λ的激光，激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，经过准直透镜5准直后，得到第一光信号，根据第一光信号得到第一光谱图；在生成第一光谱图后，利用第二光谱图生成模块，控制压电陶瓷1发生位移，进而驱使激光器3位移，位移后的激光器3发射的激光在激光器3的保护窗口片与准直透镜5之间来回反射，再经过准直透镜5准直后，得到第二光信号，根据第二光信号即可得到第二光谱图；利用激光频率变化量获取模块将第一光谱图与第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量δμ，利用位移变化量获取模块将激光频率变化量δμ代入方程组，进而求解计算得到位移变化量δL；整个测量过程操作方便，结构简单，利用光干涉谱线的相移与激光器3的位移关系得到压电陶瓷1的实际位移变化量，从而实现了对压电陶瓷1位移变化量的自动测量和计算。

作为光学测量系统进一步的实施方式，光学测量系统还包括第一光谱图发送模块，第一光谱图发送模块用于发送第一光谱图至第一显示模块以对第一光谱图进行显示。

上述实施方式中，在得到第一光谱图后，利用第一光谱图发送模块将第一光谱图发送至第一显示模块进行显示，从而便于工作人员对位移前的激光干涉信号进行观测。

作为光学测量系统进一步的实施方式，光学测量系统还包括第二光谱图发送模块，第二光谱图发送模块用于发送第二光谱图至第二显示模块以对第二光谱图进行显示。

上述实施方式中，在得到第二光谱图后，利用第二光谱图发送模块将第二光谱图发送至第二显示模块进行显示，从而便于工作人员对位移前的激光干涉信号进行观测。

作为光学测量系统进一步的实施方式，光学测量系统还包括激光发射控制信号生成模块，用于生成激光发射控制信号并发送至激光器驱动模块4；激光发射控制信号用于控制所述激光器驱动模块4生成温度控制信号和激光发射驱动信号。

上述实施方式中，利用激光发射控制信号生成模块生成激光发射控制信号并发送至激光器驱动模块4，通过激光发射控制信号控制激光器驱动模块4驱动激光器3发射激光，从而达到了自动控制的效果。

作为光学测量系统进一步的实施方式，光学测量系统还包括压电陶瓷驱动控制信号生成模块，用于生成压电陶瓷驱动控制信号并发送至压电陶瓷驱动模块2；其中，压电陶瓷驱动控制信号用于控制压电陶瓷驱动模块2驱动压电陶瓷1发生位移。

上述实施方式中，利用压电陶瓷驱动控制信号生成模块生成压电陶瓷驱动控制信号并发送至压电陶瓷驱动模块2，通过压电陶瓷驱动控制信号控制压电陶瓷1发生位移，从而达到了自动控制的效果。

本申请的一种压电陶瓷微位移的光学测量系统能够实现上述一种压电陶瓷微位移的测量方法的任一种方法，且光学测量系统的具体工作过程可参考上述方法实施例中的对应过程。

本申请实施例还公开一种计算机可读存储介质，一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行如一种压电陶瓷微位移的测量方法中任一种方法的计算机程序，计算机可以为个人计算机、服务器等。

计算机可读存储介质例如包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷微位移的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括，

第一光谱图生成步骤(101)，控制激光器(3)发射预设波长为λ的激光，得到所述激光通过准直透镜(5)后形成的第一光信号，并将所述第一光信号光电转换后得到的第一电信号进行信号处理，得到第一光谱图；

第二光谱图生成步骤(102)，控制激光器(3)发射预设波长为λ的激光，控制压电陶瓷(1)发生位移，得到通过所述准直透镜(5)后形成的第二光信号，并将所述第二光信号光电转换后得到的第二电信号进行信号处理，得到第二光谱图；

激光频率变化量获取步骤(103)，对所述第一光谱图和第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量为：δμ＝x·FSR，其中，FSR为频率周期，x为同一波峰或波谷的位移量与频率周期FSR的比值；以及，

位移变化量获取步骤(104)，将所述激光频率变化量δμ＝x·FSR代入关系式(1)、(2)、(3)组合的方程组，通过求解计算得到所述位移变化量为：δL＝x·λ/2；所述关系式包括：

FSR＝c/2nL (1)，

δL/L＝δμ/μ (2)，

μ＝c/λ (3)；

其中，c为光速，n为空气折射率，L为激光器(3)的保护窗口片与准直透镜(5)表面的距离，μ为激光频率，λ为激光的预设波长；

其中，所述压电陶瓷(1)固定连接在激光器(3)上远离激光器(3)的保护窗口片的一侧，所述准直透镜(5)设置在激光器(3)远离压电陶瓷(1)的一侧，且所述准直透镜(5)与激光器(3)的保护窗口片间隔一定的距离L。

2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷微位移的测量方法，其特征在于：将第一电信号和第二电信号进行信号处理的具体方法包括，

将所述第一电信号根据公式y＝ax+b进行线性拟合，得到线性拟合后的第一电信号，将所述第一电信号对应减去所述线性拟合后的第一电信号，得到生成第一光谱图的光干涉信号；

将所述第二电信号根据公式y＝ax+b进行线性拟合，得到线性拟合后的第二电信号，将所述第二电信号对应减去所述线性拟合后的第二电信号，得到生成第二光谱图的光干涉信号。

3.根据权利要求2所述的一种压电陶瓷微位移的测量方法，其特征在于：所述第一光谱图生成步骤(101)之后还包括，

发送所述第一光谱图至第一显示模块以对第一光谱图进行显示。

4.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷微位移的测量方法，其特征在于：所述第二光谱图生成步骤(102)之后还包括，

发送所述第二光谱图至第二显示模块以对第二光谱图进行显示。

5.根据权利要求1到4任一所述的一种压电陶瓷微位移的测量方法，其特征在于：所述控制激光器(3)发射预设波长为λ的激光的具体方法包括，

生成激光发射控制信号并发送至激光器驱动模块；所述激光发射控制信号用于控制所述激光器驱动模块(4)生成温度控制信号和激光发射驱动信号；其中，所述温度控制信号用于控制所述激光器(3)发射激光的预设波长，所述激光发射驱动信号用于驱动所述激光器(3)发射激光。

6.根据权利要求5所述的一种压电陶瓷微位移的测量方法，其特征在于：所述控制压电陶瓷(1)发生位移的具体方法包括，

生成压电陶瓷驱动控制信号并发送至压电陶瓷驱动模块(2)；其中，所述压电陶瓷驱动控制信号用于控制压电陶瓷驱动模块(2)驱动压电陶瓷(1)发生位移。

7.一种压电陶瓷微位移的光学测量系统，其特征在于：所述光学测量系统包括，

第一光谱图生成模块，用于控制激光器(3)发射预设波长为λ的激光，得到所述激光通过准直透镜(5)后形成的第一光信号，并将所述第一光信号光电转换后得到的第一电信号进行信号处理，得到第一光谱图；

第二光谱图生成模块，用于控制激光器(3)发射预设波长为λ的激光，控制压电陶瓷(1)发生位移，得到通过所述准直透镜(5)后形成的第二光信号，并将所述第二光信号光电转换后得到的第二电信号进行信号处理，得到第二光谱图；

激光频率变化量获取模块，用于对所述第一光谱图和第二光谱图进行对比，得到激光频率变化量为：δμ＝x·FSR，其中，FSR为频率周期，x为同一波峰或波谷的位移量与频率周期FSR的比值；以及，

位移变化量获取模块，用于将所述激光频率变化量δμ＝x·FSR代入关系式(1)、(2)、(3)组合的方程组，通过求解计算得到所述位移变化量为：δL＝x·λ/2；所述关系式包括：

FSR＝c/2nL (1)，

δL/L＝δμ/μ (2)，

μ＝c/λ (3)；

其中，c为光速，n为空气折射率，L为激光器(3)的保护窗口片与准直透镜(5)表面的距离，μ为激光频率，λ为激光的预设波长；

其中，所述压电陶瓷(1)固定连接在激光器(3)上远离激光器(3)的保护窗口片的一侧，所述准直透镜(5)设置在激光器(3)远离压电陶瓷(1)的一侧，且所述准直透镜(5)与激光器(3)的保护窗口片间隔一定的距离L。

8.一种压电陶瓷微位移的测量装置，其特征在于：所述测量装置包括压电陶瓷(1)、压电陶瓷驱动模块(2)、激光器(3)、激光器驱动模块(4)、准直透镜(5)、光电转换处理模块(6)和显示器(8)，所述压电陶瓷(1)固定连接在激光器(3)上远离激光器(3)的保护窗口片的一侧，所述压电陶瓷驱动模块(2)与压电陶瓷(1)连接，所述压电陶瓷驱动模块(2)用于驱动所述压电陶瓷(1)发生位移，所述激光器驱动模块(4)与激光器(3)连接，所述激光器驱动模块(4)用于驱动所述激光器(3)发射激光，所述准直透镜(5)设置在激光器(3)远离压电陶瓷(1)的一侧，且所述准直透镜(5)与激光器(3)的保护窗口片间隔一定的距离L，所述光电转换处理模块(6)设置在准直透镜(5)远离激光器(3)的一侧，所述准直透镜(5)用于对激光器(3)发射的激光进行准直后聚焦至光电转换处理模块(6)上，所述光电转换处理模块(6)用于将激光的光信号转换为电信号并进行信号处理，所述显示器(8)与所述光电转换处理模块(6)连接。

9.根据权利要求8所述的一种压电陶瓷微位移的测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括控制处理器(7)，控制处理器(7)加载并执行如权利要求1至6中的任一种方法的计算机程序，所述压电陶瓷驱动模块(2)、激光器驱动模块(4)、光电转换处理模块(6)均与控制处理器(7)连接。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1至6中任一种方法的计算机程序。

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