CN116295083B - 一种微米级小形变放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微米级小形变放大装置，属于精密定位及微形变技术领域,包括可见光光纤激光器、准直器、二维调节支架、主腔体及通过PZT驱动电路驱动的光杠杆机构；主腔体上开有激光入射窗和激光出射窗；光杠杆机构包括相对设置的前端平面反射镜和后端平面反射镜，前端平面反射镜固接于主腔体内壁上，后端平面反射镜固接于镜架连接块前端，镜架连接块后端通过拉簧和限位变径螺栓与主腔体的腔壁相连接；镜架连接块与主腔体内壁之间设有PZT压电陶瓷。本发明可以运用折叠光路放大测量压电陶瓷的微小伸长量，使微米级细小形变实现至少1000倍放大，结构简单便携性极好，测量过程无需参考光束，在空气中具有高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及腔增强积分输出光谱探测领域的衍生应用，具体涉及一种微米级小形变放大装置，属于精密定位及微形变领域。
背景技术
在腔增强积分输出光谱探测技术领域应用中，需要对高反镜间距进行微米级调节以达到模式匹配，实现增益，目前微米级调节普遍采用PZT压电陶瓷作为微位移推进器，这就需要对不同电压下PZT压电陶瓷的微小位移进行实测。
由于PZT压电陶瓷逆压电效应所产生的伸长量很小，直接测量比较困难，科研机构在进行压电陶瓷技术研究时需要制作专门的测量仪器或者到相关机构进行测量，测量过程的效率较低；此外测量过程需要参考光束，抗空气扰动能力较差。
综上可知，现有技术针对PZT压电陶瓷逆压电效应产生的微小伸长量，难以测量或者效率较低的问题，并没有很好的解决措施。
发明内容
本发明针对背景技术中的不足，提供一种微米级小形变放大装置，可以运用折叠光路放大测量压电陶瓷的微小伸长量，使微米级细小形变实现至少1000倍放大，结构简单便携性极好，测量过程无需参考光束，在空气中具有高灵敏度。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种微米级小形变放大装置，包括可见光光纤激光器、准直器、二维调节支架、主腔体及通过PZT驱动电路驱动的光杠杆机构；主腔体上开有激光入射窗和激光出射窗；
光杠杆机构包括相对设置的前端平面反射镜和后端平面反射镜，前端平面反射镜通过前端固定螺丝固接于主腔体内壁上，后端平面反射镜通过顶丝固接于镜架连接块前端，镜架连接块后端通过拉簧和限位变径螺栓与主腔体的腔壁相连接；
限位变径螺栓上方设有两个精密调节螺丝，精密调节螺丝安装在主腔体的腔壁上，精密调节螺丝内端与镜架连接块的后端面相抵接；
镜架连接块与主腔体内壁之间设有PZT压电陶瓷，PZT压电陶瓷一端与主腔体内壁胶合，另一端与镜架连接块相抵接。
优选地，所述的主腔体采用半封闭结构，且采用发黑处理，激光入射窗位于主腔体前端，激光出射窗位于主腔体后端。
优选地，前端平面反射镜位于激光入射窗的侧部；后端平面反射镜和镜架连接块位于激光出射窗侧部。
优选地，所述前端平面反射镜和后端平面反射镜均为平面反射镜，并镀有增反膜，前端平面反射镜和后端平面反射镜在初始位置时互相平行，并沿轴向方向相互错设置。
优选地，所述的可见光光纤激光器与准直器组合输出平行光束。
优选地，主腔体的激光入射窗外部设有二维调节支架，二维调节支架用于夹持准直器，并调节激光光线的入射角度来控制不同的光路折叠次数。
优选地，所述主腔体后端的腔壁上开设有1个限位变径螺栓安装孔、2个精密调节螺丝安装孔和多个拉簧安装孔。
优选地，所述限位变径螺栓安装孔内安装限位变径螺栓，限位变径螺栓上设有台阶形状的变径部位，限位变径螺栓上设有可调螺母，螺母位于主腔体外部。
优选地，所述精密调节螺丝安装孔内分别穿设有精密调节螺丝，精密调节螺丝与拉簧协同调节后端平面反射镜的初始角度。
优选地，拉簧安装孔的数量为5个，拉簧安装孔内安装有拉簧，拉簧一端与镜架连接块相连接，拉簧另一端与主腔体的腔壁相连接。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
将探测器置于出光口后端约1m处，即可测量到毫米级别光斑位置变化，进而反演出实际的位移量，从而实现利用光路折叠放大输出PZT压电陶瓷微米级别的细小形变，使微米级细小形变实现至少1000倍放大。
采用限位变径螺栓既起到固定连接作用，同时可调外部螺母松紧来控制镜架连接块位移的可动范围，在不使用时可以上紧外部螺母来保持初始状态以便于下次直接测量，可以省去准备的时间。
采用2个精密调节螺丝，既充当了光杠杆的支点，也用于调试两镜的横向夹角和纵向的平行度，通过高度的可调性保证光路折叠放大计算的精确度。
采用多个拉簧安装孔的设计，可以在拉簧孔位中自由选取合适的距离杠杆支点的位置或者安装不同数量不同拉力的拉簧，来得到不同的阻力和回弹速度，以适用各种不同PZT压电陶瓷或其他形变物体的测量。
采用模块化设计，二维调节支架可以单独拆下更换成三维调节支架来夹持不同光源设备和达到不同的测试目的。
本发明具有较大的位移放大倍数、误差小、结构紧凑、光路可观易于调节的优点。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的结构立体图；
图2是图1中结构沿另一个方向的示意图；
图3是本发明的结构主视图；
图4是主腔体的结构示意图；
图5是镜架连接块的连接示意图；
图6是图5中结构的主视图；
图7是限位变径螺栓的结构示意图；
图8是本发明的工作原理示意图。
图中，1-可见光光纤激光器，2-准直器，3-二维调节支架，4-激光入射窗，5-主腔体，6-光杠杆机构，7-后端平面反射镜，8-镜架连接块，9-PZT压电陶瓷，10-拉簧，11-限位变径螺栓，12-精密调节螺丝，13-激光出射窗，14-前端平面反射镜，15-前端固定螺丝，16-限位变径螺栓安装孔，17-精密调节螺丝安装孔，18-拉簧安装孔。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1-图7共同所示，本发明提供一种微米级小形变放大装置，包括可见光光纤激光器1、准直器2、二维调节支架3、主腔体5及通过PZT驱动电路驱动的光杠杆机构6。
所述主腔体5起到连接和观察窗的作用，主腔体5采用半封闭结构，主腔体5上开有激光入射窗4和激光出射窗13，激光入射窗4位于主腔体5前端，激光出射窗13位于主腔体5后端。
主腔体5采用发黑处理，这样的设计方便后续的光路调试及光线折叠次数的观察。
所述的可见光光纤激光器1与准直器2组合输出平行光束。
主腔体5的激光入射窗4外部设有二维调节支架3，二维调节支架3用于夹持准直器2，并调节激光光线的入射角度来控制不同的光路折叠次数。二维调节支架3可以夹持准直器2机械外壳部分或者直接夹持小型的激光笔，达到便携便测的效果。
所述光杠杆机构6基于光路折叠放大效应建立光杠杆，光杠杆机构6将PZT压电陶瓷9的细小形变位移利用光路折叠放大输出后测量。
所述的光杠杆机构6包括相对设置的前端平面反射镜14和后端平面反射镜7。
前端平面反射镜14通过前端固定螺丝15固接于主腔体5内壁上且位于激光入射窗4的侧部。
后端平面反射镜7通过顶丝固接于镜架连接块8前端，后端平面反射镜7随镜架连接块8同步摆动，镜架连接块8后端通过拉簧10和限位变径螺栓11与主腔体5的腔壁相连接。
后端平面反射镜7和镜架连接块8位于激光出射窗13侧部。
所述限位变径螺栓11上方设有两个精密调节螺丝12，精密调节螺丝12安装在主腔体5的腔壁上，精密调节螺丝12内端与镜架连接块8的后端面相抵接。精密调节螺丝12的内端充当光杠杆的支点。
所述镜架连接块8与主腔体5内壁之间设有PZT压电陶瓷9，PZT压电陶瓷9一端与主腔体5内壁胶合，另一端与镜架连接块8相抵接。
当驱动电路驱动PZT压电陶瓷9运动时，PZT压电陶瓷9推动镜架连接块8移动产生初始微小位移，受到位移影响的后端平面反射镜7的角度改变，折叠光路发生偏转，即光杠杆被推动，从而改变激光出射窗13内的激光出射角度。
所述主腔体5后端的腔壁上开设有1个限位变径螺栓安装孔16、2个精密调节螺丝安装孔17和多个拉簧安装孔18。
所述限位变径螺栓安装孔16内安装限位变径螺栓11，限位变径螺栓11上设有台阶形状的变径部位，变径部位起到支撑和限制镜架连接块8位置的作用，限位变径螺栓11上设有可调螺母，螺母位于主腔体5外部，通过螺母的松紧来控制镜架连接块8位移的可动范围。
所述精密调节螺丝安装孔17内分别穿设有精密调节螺丝12，精密调节螺丝12与拉簧10协同可调节后端平面反射镜7的初始角度，从而设置不同的光路折叠次数与装置的放大倍数。调节时2个精密调节螺丝12影响前端平面反射镜14和后端平面反射镜7的横向夹角以及纵向的平行度。
所述拉簧安装孔18内安装有拉簧10，拉簧10一端与镜架连接块8相连接，拉簧10另一端与主腔体5的腔壁相连接。通过调整拉簧10的安装数量，来控制PZT压电陶瓷9所受的阻力，保证回弹效果来确保扩展形变和收缩形变的测量准确性，同时也将阻力控制在PZT压电陶瓷9可推动的范围内。
拉簧安装孔18的数量为多个，优选5个。通过配合不同弹力的拉簧10或调整拉簧10的数量，以满足不同的阻力需求，另外也可以通过打更多数量的拉簧安装孔18或者增大拉簧安装孔18的间距，以获取更精细的阻力搭配。
所述前端平面反射镜14和后端平面反射镜7均为平面反射镜，并镀有增反膜，前端平面反射镜14和后端平面反射镜7在初始位置时互相平行，并沿轴向方向相互错开一段微小距离来控制光路折叠的次数和光杠杆放大的倍数。
举例说明本发明的具体工作原理：
如图8所示，两平面反射镜初始为平行状态，选用直径25.4mm的镀金镜，同时两平面反射镜边缘错开5mm，给定两镜镜面之间的间距为40mm，激光光线以1°小角度入射，光线可在两镜间反射28次，最后的出射点与检测器距离；
可知当PZT压电陶瓷位移1μm时:
即，PZT压电陶瓷每移动1μm时，检测器位置的光斑移动1.12mm，其中，ΔS为最终放大后的位移量；n为单镜上的放大倍数，为反射次数的一半（本实施例中，2n=28）；h为观测测量点距离激光出射窗的距离；Δα激光入射时与后端反射镜镜面的夹角（本实施例中，Δα=1°）。
最终本实施例整套装置的放大倍数 K=ΔS/ΔL=1120倍 。
本实施例提供的一种微米级小形变放大装置，能够将类似于PZT压电陶瓷之类物体的微米级细小形变实现至少1000倍放大，具有结构紧凑、模块化设计、兼容性高、精度高等优点，适用于微形变精密定位领域和腔增强积分输出光谱探测领域的衍生应用。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种微米级小形变放大装置，其特征在于：包括可见光光纤激光器（1）、准直器（2）、二维调节支架（3）、主腔体（5）及通过PZT驱动电路驱动的光杠杆机构（6）；主腔体（5）上开有激光入射窗（4）和激光出射窗（13）；
光杠杆机构（6）包括相对设置的前端平面反射镜（14）和后端平面反射镜（7），前端平面反射镜（14）和后端平面反射镜（7）初始为平行状态，两者均为直径25.4mm的镀金镜，两平面反射镜边缘错开5mm，两镜镜面之间的间距为40mm；
前端平面反射镜（14）通过前端固定螺丝（15）固接于主腔体（5）内壁上，后端平面反射镜（7）通过顶丝固接于镜架连接块（8）前端，镜架连接块（8）后端通过拉簧（10）和限位变径螺栓（11）与主腔体（5）的腔壁相连接；
限位变径螺栓（11）上方设有两个精密调节螺丝（12），精密调节螺丝（12）安装在主腔体（5）的腔壁上，精密调节螺丝（12）内端与镜架连接块（8）的后端面相抵接；
主腔体（5）后端的腔壁上开设有1个限位变径螺栓安装孔（16）、2个精密调节螺丝安装孔（17）和多个拉簧安装孔（18）；限位变径螺栓安装孔（16）内安装限位变径螺栓（11），限位变径螺栓（11）上设有台阶形状的变径部位，限位变径螺栓（11）上设有可调螺母，螺母位于主腔体（5）外部；精密调节螺丝安装孔（17）内分别穿设有精密调节螺丝（12），精密调节螺丝（12）与拉簧（10）协同调节后端平面反射镜（7）的初始角度；拉簧安装孔（18）的数量为5个，拉簧安装孔（18）内安装有拉簧（10），拉簧（10）一端与镜架连接块（8）相连接，拉簧（10）另一端与主腔体（5）的腔壁相连接；
镜架连接块（8）与主腔体（5）内壁之间设有PZT压电陶瓷（9），PZT压电陶瓷（9）一端与主腔体（5）内壁胶合，另一端与镜架连接块（8）相抵接；
激光光线以1°小角度入射， 将探测器置于出光口后端约1m处，即可测量到毫米级别光斑位置变化。
2.如权利要求1所述的一种微米级小形变放大装置，其特征在于：所述的主腔体（5）采用半封闭结构，且采用发黑处理，激光入射窗（4）位于主腔体（5）前端，激光出射窗（13）位于主腔体（5）后端。
3.如权利要求2所述的一种微米级小形变放大装置，其特征在于：前端平面反射镜（14）位于激光入射窗（4）的侧部；后端平面反射镜（7）和镜架连接块（8）位于激光出射窗（13）侧部。
4.如权利要求1所述的一种微米级小形变放大装置，其特征在于：所述的可见光光纤激光器（1）与准直器（2）组合输出平行光束。
5.如权利要求1所述的一种微米级小形变放大装置，其特征在于：主腔体（5）的激光入射窗（4）外部设有二维调节支架（3），二维调节支架（3）用于夹持准直器（2），并调节激光光线的入射角度来控制不同的光路折叠次数。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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