CN113433385A - 一种基于光弹效应的弹性波探测平台 - Google Patents

一种基于光弹效应的弹性波探测平台 Download PDF

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高浩予
任瀚文
程思闳
王健
丛浩熹
史昀祯
李承前
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Abstract

本发明公开了一种基于光弹效应的弹性波探测平台，所述平台包括弹性波发生单元与光学椭圆偏振测量单元，其中：弹性波发生单元由可调稳压源以及压电促动器构成；光学椭圆偏振测量单元由He‑Ne激光器光源、分光镜、起偏器、弹光取样传感器、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电平衡探测器、光学斩波器、锁相放大器、示波器构成。本平台特征在于使用压电促动器产生的各类不同弹性波作用于自主研发的弹光取样传感器，在弹性波作用下，传感器发生光弹效应，结合椭圆偏振测量原理，通过弹光取样技术完成对弹性波的探测。本方法在保证精度、稳定性及成本相互平衡的基础之上，不仅能实现对各类弹性波的探测捕捉，而且对测试环境没有任何特殊的限制和要求，并具有较大的延伸创造空间，可以方便地与其它测试方法相结合，为获取更多弹性波特征信息提供可能。

Description

一种基于光弹效应的弹性波探测平台
技术领域
本发明属于技术测量领域，具体是一种基于光弹效应的弹性波探测技术。
背景技术
恒定条件无外界因素作用时，非晶体透明材料光学性能稳定且各向同性而不产生光弹效应，光在其内部传输路径由其自身折射率确定，偏振光通过时不会发生改变。当有外力作用施加于光学材料且不会对材料产生破坏作用时，弹性形变将导致其由各向同性转变为各向异性，偏振光通过时偏振状态将发生改变。
目前，现有的弹性波激励测量平台构建方案中存在精度、稳定性与成本无法互相平衡的问题，精度及稳定性的提高常常将导致成本的大幅增加。光学测量手段的引入在保证高精度同时为成本的减少提供了可能，即可凭借对光弹效应的研究与应用，对弹性波激励的测量方法提出相关改进手段。
发明内容
鉴于现有技术中的上述问题与缺陷，本发明的目的是提供一种基于光弹效应的弹性波探测平台的构建方法，以压电促动器所产生的各类不同弹性波模拟外界激励，以弹光取样技术完成对弹性波激励的探测与处理，同时，参考光路与探测光路的分离设计减少了由于激光器波动以及光电平衡探测器中二极管温差所带来的误差，提高了测量的精确度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光弹效应的弹性波探测平台，包括弹性波发生单元与光学椭圆偏振测量单元，其中：所述弹性波发生单元由可调稳压源（1）以及压电促动器（2）构成；所述光学椭圆偏振测量单元由He-Ne激光器光源（3）、光学斩波器（4）、起偏器（5）、弹光取样传感器（6）、四分之一波片（7）、沃拉斯顿棱镜（8）、光电平衡探测器（9）、锁相放大器（10）以及示波器（11）构成。
所述基于光弹效应的弹性波探测平台测量原理为：控制可调稳压源（1）输出电压幅值、频率及波形，使基于逆压电效应工作的压电促动器（2）施加相应弹性波于弹光取样传感器（6）上；He-Ne激光器光源（3）所发出He-Ne激光首先经由光学斩波器（4）调制采样，所采集调制信号作为参考信号输入锁相放大器（10），后经起偏器（5）由自然光转变为线偏振光后，照射至弹光取样传感器（6）；由于光弹效应的存在，探测激光入射弹光取样传感器（6）后偏振态随之发生改变，并经由四分之一波片（7）由线偏振转化为椭圆偏振态，再经由沃拉斯顿棱镜（8）分为两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光透射到光电平衡探测器（9），光电平衡探测器（9）检测两束偏振光光强之差并将其转换为电信号作为测量信号输入锁相放大器（10）与光学斩波器（4）所输入参考信号比较，经降噪放大处理后由示波器（11）显示。
所述弹光取样传感器（6）为双层复合结构，自上而下由改性高折射率聚酰亚胺薄膜与复合金属电介质反射膜构成，其具体制作方法如下：
步骤一、将4,4-二氨基二苯醚单体以及均苯四甲酸二酐成单体按比例分次溶入二甲基乙酰胺溶液中，在氮气环境下多次使用滤纸过滤，充分去除未溶解的固体材料，获得改性聚酰亚胺酸并在氮气环境下密封保存；
步骤二、将TiO2溶胶按照比例充分掺入SiO2溶胶中，采用sol-gel法制备复合金属电介质溶胶，并交替多次镀膜，进一步改善其光学性能，获得复合金属电介质反射膜；
步骤三、利用旋涂机在复合金属电介质反射膜的一侧上均匀旋涂改性聚酰亚胺酸溶液，采取梯度升温加热固化的方法，制成弹光取样传感器（6）。
所述改性高折射率聚酰亚胺薄膜材料为苯硫醚改性聚酰亚胺。
所述复合金属电介质反射膜材料为TiO2-SiO2复合金属电介质反射膜。
一种利用上述系统进行的基于光弹效应的弹性波探测方法，包括如下步骤：
步骤一、调节可调稳压源（1）输出电压幅值、频率及波形，控制压电促动器（2）产生符合实验要求的弹性波；
步骤二、启动He-Ne激光器光源（3），测试开始；
步骤三、锁相放大器（10）接收来自光学平衡探测器（9）的探测信号以及光学斩波器（4）的参考信号，获取弹性波波波形特征，对其降噪并放大处理，显示于示波器（11）。
在保证精度、稳定性及成本相互平衡的基础之上，本方法不仅能实现对各类弹性波的探测捕捉，而且对测试环境没有任何特殊的限制和要求，并具有较大的延伸创造空间，可以方便地与其它测试方法相结合，为获取更多弹性波特征信息提供可能。
附图说明
图1为本发明一种基于光弹效应的弹性波探测平台的工作原理图，其中：
1-可调稳压源；2-压电促动器；3-He-Ne激光器光源；4-光学斩波器；5-起偏器；6-弹光取样传感器；7-四分之一玻片；8-沃拉斯顿棱镜；9-光电平衡探测器；10-锁相放大器；11-示波器。
图2为弹光取样传感器的结构示意图。
图3为不同幅值正弦弹性波下平衡探测器测试输出图。
图4为不同频率正弦弹性波下平衡探测器测试输出图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于所说明部分，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于光弹效应的弹性波探测平台，如图1所示，包括弹性波发生单元与光学椭圆偏振测量单元，其中：
所述弹性波发生单元由可调稳压源（1）以及压电促动器（2）构成；所述光学椭圆偏振测量单元由He-Ne激光器光源（3）、光学斩波器（4）、起偏器（5）、弹光取样传感器（6）、四分之一波片（7）、沃拉斯顿棱镜（8）、光电平衡探测器（9）、锁相放大器（10）以及示波器（11）构成。
所述基于光弹效应的弹性波探测平台测量原理为：控制可调稳压源（1）输出电压幅值、频率及波形，使基于逆压电效应工作的压电促动器（2）施加相应弹性波于弹光取样传感器（6）上；He-Ne激光器光源（3）所发出He-Ne激光首先经由光学斩波器（4）调制采样，所采集调制信号作为参考信号输入锁相放大器（10），后经起偏器（5）由自然光转变为线偏振光后，照射至弹光取样传感器（6）；由于光弹效应的存在，探测激光入射弹光取样传感器（6）后偏振态随之发生改变，并经由四分之一波片（7）由线偏振转化为椭圆偏振态，再经由沃拉斯顿棱镜（8）分为两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光透射到光电平衡探测器（9），光电平衡探测器（9）检测两束偏振光光强之差并将其转换为电信号作为测量信号输入锁相放大器（10）与光学斩波器（4）所输入参考信号比较，经降噪放大处理后由示波器（11）显示。
所述弹光取样传感器6如图2所示为双层复合结构，自上而下由改性高折射率聚酰亚胺薄膜7-1与复合金属电介质反射膜7-2构成，其具体制作方法如下：
步骤一、将4,4-二氨基二苯醚单体以及均苯四甲酸二酐成单体按比例分次溶入二甲基乙酰胺溶液中，在氮气环境下多次使用滤纸过滤，充分去除未溶解的固体材料，获得改性聚酰亚胺酸并在氮气环境下密封保存；
步骤二、将TiO2溶胶按照比例充分掺入SiO2溶胶中，采用sol-gel法制备复合金属电介质溶胶，并交替多次镀膜，进一步改善其光学性能，获得复合金属电介质反射膜；
步骤三、利用旋涂机在复合金属电介质反射膜的一侧上均匀旋涂改性聚酰亚胺酸溶液，采取梯度升温加热固化的方法，制成弹光取样传感器（6）。
本平台所提供的平台具体操作步骤如下：
步骤一、调节可调稳压源（1）输出电压幅值、频率及波形，控制压电促动器（2）产生符合实验要求的弹性波；
步骤二、启动He-Ne激光器光源（3），测试开始；
步骤三、锁相放大器（10）接收并记录来自光学平衡探测器（9）的探测信号以及光学斩波器（4）的参考信号，获取弹性波波波形特征，对其降噪并放大处理，显示于示波器（11）。
当对弹光取样传感器（6）分别施加频率为10 Hz、幅值分别为20-120 V的正弦电压于压电促动器，使其输出相应弹性波，利用上述平台完成对弹性波的测量，平衡探测器输出测量结果如图3所示，图中各曲线代表单周期内施加不同幅值弹性波下平衡探测器输出电压的变化情况，测量结果表示弹性波幅值的改变并不会影响传感器件的光弹性系数且输出电压与输入弹性波成比例。
当对弹光取样传感器（6）分别幅值相等、频率分别为10-100 Hz的正弦电压于压电促动器，使其输出相应弹性波，利用上述平台完成对弹性波的测量，平衡探测器输出测量结果如图4所示，图中各曲线代表单周期内施加不同频率弹性波下平衡探测器输出电压的变化情况，测量结果表示弹性波频率的改变并不会影响传感器件的光弹性系数且输出电压与输入弹性波频率保持一致。
通过对上述结果的综合分析，以压电促动器所产生的各类不同弹性波模拟外界激励的想法是可行的，上述弹性波激励探测方法是有效且精准的。发现本方法在保证精度、稳定性及成本相互平衡的基础之上，不仅能实现对各类弹性波的探测捕捉，而且对测试环境没有任何特殊的限制和要求，并具有较大的延伸创造空间，可以方便地与其它测试方法相结合，为获取更多弹性波特征信息提供可能。

Claims (8)

1.一种基于光弹效应的弹性波探测平台，其特征在于所述平台包括弹性波发生单元与光学椭圆偏振测量单元，其中：
所述弹性波发生单元由可调稳压源（1）以及压电促动器（2）构成；
所述光学椭圆偏振测量单元由He-Ne激光器光源（3）、光学斩波器（4）、起偏器（5）、弹光取样传感器（6）、四分之一波片（7）、沃拉斯顿棱镜（8）、光电平衡探测器（9）、锁相放大器（10）以及示波器（11）构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于光弹效应的弹性波探测平台，其特征在于所述平台测量原理为：
控制可调稳压源（1）输出电压幅值、频率及波形，使基于逆压电效应工作的压电促动器（2）施加相应弹性波于弹光取样传感器（6）上；He-Ne激光器光源（3）所发出He-Ne激光首先经由光学斩波器（4）调制采样，所采集调制信号作为参考信号输入锁相放大器（10），后经起偏器（5）由自然光转变为线偏振光后，照射至弹光取样传感器（6）；由于光弹效应的存在，探测激光入射弹光取样传感器（6）后偏振态随之发生改变，并经由四分之一波片（7）由线偏振转化为椭圆偏振态，再经由沃拉斯顿棱镜（8）分为两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光透射到光电平衡探测器（9），光电平衡探测器（9）检测两束偏振光光强之差并将其转换为电信号作为测量信号输入锁相放大器（10）与光学斩波器（4）所输入参考信号比较，经降噪放大处理后由示波器（11）显示。
3.根据权利要求1所述的一种基于光弹效应的弹性波探测平台，其特征在于所述可调稳压源（1）可通过RS-232端口与电脑连接，通过编程实现对其输出电压幅值、频率及波形的调整，最高可输出幅值为120V、频率为1kHz的正弦波、三角波或者方波。
4.根据权利要求1所述的一种基于光弹效应的弹性波探测平台，其特征在于所述压电促动器（2）在可调稳压源（1）的控制下可产生具备不同波形特征的弹性波，例如正弦波波形弹性波、三角波波形弹性波、方波波形弹性波等，所产生弹性波频率及幅值大小均可通过对可调稳压源（1）的调控进行修改设定。
5.根据权利要求1所述的一种基于光弹效应的弹性波探测平台，其特征在于所述弹光取样传感器（6）为双层复合结构，自上而下由改性高折射率聚酰亚胺薄膜与复合金属电介质反射膜构成。
6.根据权利要求5所述的一种基于光弹效应的弹性波探测平台，其特征在于所述改性高折射率聚酰亚胺薄膜材料为苯硫醚改性聚酰亚胺。
7.根据权利要求5所述的一种基于光弹效应的弹性波探测平台，其特征在于所述复合金属电介质反射膜材料为TiO2-SiO2复合金属电介质反射膜。
8.一种利用权利要求1-7任意权利要求所述系统进行的基于压电效应的弹性波激励产生技术以及基于光弹效应的弹性波探测技术的测试方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、调节可调稳压源（1）输出电压幅值、频率及波形，控制压电促动器（2）产生符合实验要求的弹性波；
步骤二、启动He-Ne激光器光源（3），测试开始；
步骤三、锁相放大器（10）接收并记录来自光学平衡探测器（9）的探测信号以及光学斩波器（4）的参考信号，获取弹性波波波形特征，对其降噪并放大处理，显示于示波器（11）。
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