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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf dem piezoelektrischen Effekt basierende Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung für ein Laservibrometer. Die Erfindung gehört zum technischen Bereich der Laservibrometermessung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Laservibrometrietechnik ist das wichtigste und am weitesten verbreitete Messungsverfahren im Bereich der Schwingungsmessung und -prüfung. Die Anwendungsziele umfassen die Entwicklung, Herstellung, Prüfung und Applikation von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Gebäuden und Brücken und dergleichen. Verglichen mit den herkömmlichen Sensoren, Sonden und dergleichen für Kontaktierungsmessung ist die Laservibrometrietechnik nicht durch die Größe, die Temperatur, die Position, die Schwingungsfrequenz usw. des zu messenden Objekts beschränkt, damit der Nachteil des Kontaktierungsmessverfahren, d. h. mittels dieses Verfahren die Schwingung mit großer Amplitude nicht gemessen werden kann, abgeholfen werden kann. Die Vorteile der Laservibrometrietechnik liegen darin, dass ihre Messung einfach und effizient ist und gleichzeitig sie die hohe Genauigkeit und die hohe Ansprechgeschwindigkeit besitzt. Ferner können mittels der Laservibrometrietechnik mehrdimensionale Geschwindigkeiten gemessen werden und die Geschwindigkeitsrichtungen unterschieden werden, ohne die gemessene Oberfläche zu beschädigen. Andere Vorteile sind es, diese Technik auch für die Messung der Hochtemperaturoberflächen geeignet sein kann. Deswegen kann mit der Laservibrometrietechnik die Anforderungen der strengen Prüfungen und die Anforderung an die Messung der Schwingungsparameter unter der rauen Umgebung abgedeckt werden.
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In den Bereichen von dynamischen Prüfung und Kalibrierung stellt die Laserinterfero-vibrometrietechnik schon ein bedeutendes Mittel für die dynamische Prüfung und Kalibrierung dar, damit ist in der Messung und Kalibrierung von Schwingungen, Stößen, dynamischer Kraft, dynamischer Druck, Härte und dynamischen geometrischen Größen die Laserinterfero-vibrometrie als Standardmessverfahren eingesetzt. Mit den zunehmenden Anforderungen an die Laservibrometrietechnik jedoch die erhöhten Anforderungen an die Messgeschwindigkeit, die Empfindlichkeit, den Messbereich gestellt werden, spielt der piezoelektrische Effekt eine wichtige Rolle für die Detektion.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts der obengenannten Probleme im Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung eine Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung für ein Laservibrometer bereit, die eine Kalibrierung von dynamischen Eigenschaften eines Laservibrometers realisieren.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung für ein Laservibrometer zu schaffen, wobei ihre Objektvorrichtung ein zu prüfendes Laservibrometer ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung eine Standardlaserquelle, einen ersten optischen Isolator, einen ersten Polarisationsstrahlteiler, einen zweiten Polarisationsstrahlteiler, eine Linse, eine λ/4-Wellenplatte, einen piezoelektrischen Ausleger, ein erstes Umlenkprisma, ein zweites Umlenkprisma, ein drittes Umlenkprisma, ein viertes Umlenkprisma, ein fünftes Umlenkprisma, eine erste λ/2-Wellenplatte, eine zweite λ/2-Wellenplatte, einen zweiten optischen Isolator, eine Antriebsstromquelle, eine Signalerzeugungseinrichtung und ein Datenerfassungssystem umfasst, wobei die Antriebsstromquelle für den piezoelektrischen Ausleger verwendet und mit diesem verbunden ist, wobei ein Ausgang der Signalerzeugungseinrichtung mit einem Eingang der Antriebsstromquelle verbunden ist, ein Ausgang der Antriebsstromquelle mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode des piezoelektrischen Auslegers verbunden ist, wobei der piezoelektrische Ausleger an einem präzisen Stellungseinstell-Mechanismus befestigt ist;
- wobei die Signalerzeugungseinrichtung dafür vorgesehen ist, ein Schwingungserregungssignal zu erzeugen und das Schwingungserregungssignal an die Antriebsstromquelle zu übermitteln,
- wobei die Antriebsstromquelle dafür vorgesehen ist, das von der Signalerzeugungseinrichtung übermittelte Schwingungserregungssignal zu empfangen und nach der Verstärkung des Schwingungserregungssignals es in den piezoelektrischen Ausleger einzugeben, um den Ausleger schwingen zu lassen;
- wobei die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass ein linear polarisiertes Licht, das von der Standardlaserquelle ausgesendet ist, durch den ersten optischen Isolator läuft und dann an den ersten Polarisationsstrahlteiler gelangt, wobei der senkrecht zur Horizontalebene geschwungene Lichtanteil des linear polarisierten Lichts, das an den ersten Polarisationsstrahlteiler gelangt, zum ersten Umlenkprisma reflektiert ist und ein Referenzlicht bildet, während der parallel zur Horizontalebene geschwungene Lichtanteil des linear polarisierten Lichts, das an den ersten Polarisationsstrahlteiler gelangt, durch den ersten Polarisationsstrahlteiler und die Linse nacheinander durchtritt und von der Linse fokussiert ist, wobei dieser Lichtanteil dann durch die λ/4-Wellenplatte läuft und auf die Oberfläche des piezoelektrischen Auslegers eintritt, um ein Detektionslicht zu bilden, wobei das Detektionslicht nach Reflektion an der Oberfläche des piezoelektrischen Auslegers wieder durch die λ/4-Wellenplatte hindurch läuft, so dass die Polarisationsrichtung des Detektionslichts um 90° gedreht ist, so dass das Detektionslicht eine senkrecht zur horizontalen Richtung laufende Schwingung darstellt, wodurch das Detektionslicht am ersten Polarisationsstrahlteiler reflektiert ist und dann nach dem Durchtritt durch das zweite Umlenkprisma, das dritte Umlenkprisma, das vierte Umlenkprisma und die erste λ/2-Wellenplatte nacheinander an den zweiten Polarisationsstrahlteiler gelangt, wobei das Referenzlicht nach dem Durchtritt durch das erste Umlenkprisma, die zweite λ/2-Wellenplatte und das fünfte Umlenkprisma nacheinander an den zweiten Polarisationsstrahlteiler gelangt, wobei das Detektionslicht und das Referenzlicht am zweiten Polarisationsstrahlteiler zusammengeführt sind, um miteinander zu interferenzieren, wobei das mit der Interferenz gebildete Licht nach Durchtritt durch den zweiten optischen Isolator für die Eingabe in das zu prüfende Laservibrometer zur Verfügung steht,
- wobei das zu prüfende Laservibrometer für die Umwandlung der Frequenz des durch die Interferenz gebildeten Lichts in ein Spannungssignal geeignet ist, wenn es das durch die Interferenz gebildete Licht empfängt;
- wobei das Datenerfassungssystem dafür vorgesehen ist, das Spannungssignal von dem zu prüfenden Laservibrometer zu empfangen und das empfangene Spannungssignal mit einem bestimmten analogen Standardspannungssignal zu vergleichen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Ausleger dafür geeignet ist, unter Antrieb mittels des modulierten elektrischen Felds aufgrund der direkten Wirkung des piezoelektrischen Effekts eine Streckschwingung zu erzeugen und damit eine Biegebewegung und -verformung hervorzubringen, wobei die Schwingung des piezoelektrischen Auslegers mit dem Schwingungserregungssignal korreliert ist, wobei das erhaltende Spannungssignal des Datenerfassungssystems in ein Verschiebungssignal umgewandelt ist, um mit der Verformung des piezoelektrischen Auslegers zu vergleichen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass mit der durch die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung realisierten optischen Frequenzmodulation unter Verwendung von piezoelektrischem Effekt eine Frequenzmodulation des Messlichts des Laservibrometers realisiert ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Ausleger ein piezoelektrischer Mechanismus mit planarer Struktur aus einem Mehrschichtmaterial ist, wobei im piezoelektrischen Mechanismus ein Material auf Siliziumbasis als Substrat dient und ein piezoelektrisches Material als Material zum Antreiben des Mechanismus, um ihn zu bewegen, dient, wobei der piezoelektrische Mechanismus mit einer oberen Elektrode, einer unteren Elektrode und einem externen Anschlussschaltkreis ausgestattet ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Mechanismus dafür geeignet ist, senkrecht zur Ebene zu schwingen, wobei die Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Mechanismus mit der Frequenz des Eingangsspannungssignals davon korreliert ist, wobei die Schwingungsfrequenz und die Frequenz des Eingangsspannungssignals eine gute lineare Beziehung darstellen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Mechanismus von der Größe seines Eingangsspannungssignals, der Dicke des Materials sowie der Struktur des piezoelektrischen Mechanismus abhängig ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material des piezoelektrischen Mechanismus ein piezoelektrisches Material basierend auf PT/PZT ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungserregungssignal aus einer Gruppe von Signalen ausgewählt ist, die aus einer Gleichvorspannung, einer Wechselspannung und einem andersartigen Signal besteht.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass bei dem maximalen Wert der Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Mechanismus die Lageeinstellung der Kalibrierungsvorrichtung durch den präzisen Stellungseinstell-Mechanismus erreicht ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellesignal der Standardlaserquelle mit dem des zu prüfendes Laservibrometers übereinstimmt, und dass während dem Kalibrierungsvorgang sich die räumlichen Positionen der Standardlaserquelle und des zu prüfenden Laservibrometers auf derselben Achse befinden.
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Ein Verfahren zur Kalibrierung eines zu prüfenden Laservibrometer mittels der obengenannten Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung für ein Laservibrometer, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst,
- (i) Installieren der Standardlaserquelle und des zu prüfenden Laservibrometers gegenüberliegend auf derselben horizontalen Plattform, so dass nach der Installation das von der Standardlaserquelle emittierte Licht direkt in das zu prüfende Laservibrometer gelangen kann;
- (ii) Installieren des ersten optischen Isolators, des ersten Polarisationsstrahlteilers, der Linse, der λ/4-Wellenplatte, des piezoelektrischen Mechanismus, des vierten Umlenkprismas, der ersten λ/2-Wellenplatte, des zweiten Polarisationsstrahlteilers und des zweiten optischen Isolators nacheinander zwischen der Standardlaserquelle und dem zu prüfenden Laservibrometer;
- (iii) Ausrichten des von der Standardlaserquelle emittierten Laserstrahls mit einer Stelle des piezoelektrischen Mechanismus, deren Beanspruchung am größten ist, durch den präzisen Stellungseinstell-Mechanismus;
- (iiii) Installieren des ersten Umlenkprismas und des zweiten Umlenkprismas symmetrisch auf den beiden Seiten des ersten Polarisationsstrahlteilers, so dass das von dem ersten Polarisationsstrahlteiler geteilte Licht an jedem des ersten Umlenkprismas und des zweiten Umlenkprismas um 90° umgelenkt werden kann, wobei das dritte Umlenkprisma und das zweite Umlenkprismas parallel zueinander auf derselben Seite derart angeordnet sind, dass das von dem zweiten Umlenkprisma ausgesendete Licht nach Durchtritt des dritten Umlenkprismas senkrecht in das vierte Umlenkprisma eintritt, wobei die zweite λ/2-Wellenplatte und das fünfte Umlenkprisma auf derselben Seiten wie das erste Umlenkprisma derart angeordnet sind, dass das von dem ersten Umlenkprisma ausgesendete Licht zuerst senkrecht in die zweite λ/2-Wellenplatte und dann senkrecht ins fünfte Umlenkprisma eintritt, und nach Umlenkung um 90° am fünften Umlenkprisma senkrecht in den zweiten Polarisationsstrahlteiler eintritt.
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Im Hinblick auf die messtechnischen Anforderungen an das Laservibrometer übernimmt die Erfindung die optische Frequenzmodulationstechnologie, wobei die Signalfrequenz gemessen wird, indem das Laservibrometers durch den piezoelektrischen Mechanismus moduliert wird, und die Messschwingungsumgebung des Laservibrometers simuliert wird, um die Kalibrierung von dynamischen Eigenschaften des Laservibrometers zu realisieren.
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Im Vergleich mit dem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile:
- (1) In der Erfindung wird die optische Frequenzmodulationstechnologie verwendet. Dabei wird durch den piezoelektrischen Mechanismus die Frequenz des Messsignals des Laservibrometers moduliert und die Messschwingungsumgebung des Laservibrometers simuliert, um die Kalibrierung von dynamischen Eigenschaften des Laservibrometers zu realisieren. Es wird die Kalibrierung des gesamten Laservibrometers erreicht und gleichzeitig die Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit der messtechnischen Kalibrierung erfüllt, wobei durch die Verwendung der optischen Isolatoren der Einfluss des Strahlengangs des kalibrierten Laservibrometers selbst auf die Messergebnisse beseitigt ist. Unter Verwendung des piezoelektrischen Effekts wird einen breiteren Frequenzbereich für die Kalibrierung erreicht, wodurch der Kalibrierungsbereich verbreitet ist.
- (2) Der in der Erfindung verwendete piezoelektrische Mechanismus zeichnet sich durch eine gute Regelgenauigkeit, die Verschiebung im Mikro- oder sogar Nanobereich usw. aus, und der piezoelektrische Balken weist die Vorteile einer geringen Ansteuerung und eines schnellen Ansprechens auf. Damit stellt er eine ideale Standardkomponente für die Mikroverschiebung dar. Zusätzlich ist die Form der angelegten Spannung gut steuerbar. Die Verschiebung kann unabhängig von der Gleichvorspannung und der Wechselspannung realisiert werden und die Reproduzierbarkeit ist gut. Mittels des piezoelektrischen Balkens können die Kalibrierungsgenauigkeit und das dynamische Verhalten des Laservibrometers verbessert werden.
- (3) Mit dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten piezoelektrischen Mechanismus kann durch die Auslegung des Mechanismus, z.B. die Veränderung der lokalen Steifigkeit, eine Kalibrierung in verschiedenen Frequenzbereichen erreicht werden.
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Figurenliste
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Es zeigt in den Figuren:
- 1 eine Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung für ein Laservibrometer gemäß der Erfindung in einer schematischen Strukturdarstellung;
- 2 ein Verschiebungsdiagramm von Detektionspunkten eines Beobachtungsaufbaus in einer schematischen Darstellung;
- 3 ein Verschiebung-Zeitverlaufsdiagramm von Detektionspunkten eines Beobachtungsaufbaus in einer schematischen Darstellung, welches Diagramm durch die transiente Analyse in der Simulationssoftware ergibt;
- 4 ein piezoelektrischer Mechanismus, das für eine Niederfrequenzkalibrierung eingerichtet ist, gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Strukturdarstellung;
- 5 eine Leistungssimulation des piezoelektrischesn Mechanismus gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung.
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Die Bedeutungen der Bezugszeichen sind wie folgt: 1 ist eine Standardlaserquelle; 2 ist ein erster optischer Isolator; 3 ist ein erster Polarisationsstrahlteiler; 4 ist eine Linse; 5 ist eine λ/4-Wellenplatte, 6 ist ein piezoelektrischer Ausleger; 7, 8, 9, 10, 14 sind jeweils ein erstes, zweites, drittes, viertes, fünftes Umlenkprisma; 11, 13 sind jeweils eine erste und zweite λ/2-Wellenplatte; 12 ist ein zweiter Polarisationsstrahlteiler; 15 ist ein zweiter optischer Isolator; 16 ist ein zu prüfendes Laservibrometer; 17 ist eine Antriebsstromquelle; 18 ist eine Signalerzeugungseinrichtung; 19 ist ein Datenerfassungssystem.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung für ein Laservibrometer gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert eine optische Frequenzmodulation, die eine Frequenzmodulation eines Messlichts eines Laservibrometers unter Verwendung des piezoelektrischen Effekts ist, und die tatsächliche optische Messungsumgebung des Laservibrometers simuliert wird; wobei das Messergebnis des Laservibrometers durch das Datenerfassungssystem erfasst wird, und wobei das erfasste Messergebnis mit dem vom Steuersystem eingestellten analogen Standardsignal verglichen wird, wodurch die Prüfung und Kalibrierung des Laservibrometers erreicht wird. Das Datenerfassungssystem kann das eingestellte analoge Standardsignal von dem Steuersystem erhalten. Bei dem Steuersystem kann es sich um ein Steuersystem für das Datenerfassungssystem handeln.
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Das erste Ausführungsbeispiel
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Es wird eine Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung für ein Laservibrometer vorgesehen, wobei ihre Objektvorrichtung ein zu prüfendes Laservibrometer ist. Die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung umfasst eine Standardlaserquelle 1, einen ersten optischen Isolator 2, einen ersten Polarisationsstrahlteiler 3, einen zweiten Polarisationsstrahlteiler 12, eine Linse 4, eine λ/4-Wellenplatte 5, einen piezoelektrischen Ausleger 6, ein erstes, ein zweites, ein drittes, ein viertes und ein fünftes Umlenkprisma 7, 8, 9, 10, 14, eine erste und eine zweite λ/2-Wellenplatte 11, 13, einen zweiten optischen Isolator 15, eine Antriebsstromquelle 17, eine Signalerzeugungseinrichtung 18 und ein Datenerfassungssystem 19. Die Standardlaserquelle, der erste optische Isolator, der erste Polarisationsstrahlteiler, der zweite Polarisationsstrahlteiler, die Linse, die λ/4-Wellenplatte, der piezoelektrische Ausleger, die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Umlenkprismen, die erste λ/2-Wellenplatte, die zweite λ/2-Wellenplatte und der zweite optische Isolator können anhand der in 1 gezeigten relativen Positionen angeordnet und installiert werden. Im Folgenden wird der piezoelektrische Ausleger 6 auch als piezoelektrischer Mechanismus oder als piezoelektrischer Balken oder als Ausleger bezeichnet.
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Der Ausgang der Signalerzeugungseinrichtung 18 ist mit dem Eingang der Antriebsstromquelle 17 des Auslegers 6 verbunden, während der Ausgang der Antriebsstromquelle 17 mit der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des piezoelektrischen Mechanismus 6 verbunden ist. Der Ausleger 6 wird an einem präzisen Stellungseinstell-Mechanismus (ohne Abbildung) befestigt. Die Antriebsstromquelle 17 kann eine Antriebsstromquelle für den Ausleger 6 darstellen und an den Ausleger angeschlossen werden. Die Signalerzeugungseinrichtung 18 ist dafür vorgesehen ist, ein Schwingungserregungssignal zu erzeugen und das Schwingungserregungssignal an die Antriebsstromquelle 17 des piezoelektrischen Mechanismus zu übermitteln.
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Durch die Antriebsstromquelle 17 des piezoelektrischen Auslegers kann das von der Signalerzeugungseinrichtung übermittelte Schwingungserregungssignal empfangen werden und nach der Verstärkung des Schwingungserregungssignals es in den piezoelektrischen Ausleger 6 einzugeben, um den Ausleger schwingen zu lassen.
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Die optischen Komponenten sind für die notwendige Strahlteilung, Fokussierung, Polarisationsrichtungsdrehung usw. verantwortlich, einschließlich der obigen optischen Komponenten, wie z.B. der optische Isolator 2, der erste und der zweite Polarisationsstrahlteiler 3, 12, die A/4-Wellenplatte 5, die erste und die zweite λ/2-Wellenplatte 11, 12, das erste, das zweite, das dritte, das vierte und das fünfte Umlenkprisma 7, 8, 9, 10, 14 und dergleichen.
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Die obengenannten relevanten Komponenten können so angeordnet und installiert werden, dass die Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsvorrichtung wie unten beschrieben betrieben werden kann. Ein linear polarisiertes Licht, das von der Standardlaserquelle 1 ausgesendet ist, läuft durch den optischen Isolator 2 und gelangt an den ersten Polarisationsstrahlteiler 3, wobei der senkrecht zur Horizontalebene geschwungene Lichtanteil zum ersten Umlenkprisma 7 reflektiert ist und ein Referenzlicht bildet, während der parallel zur Horizontalebene geschwungene Lichtanteil zuerst durch den ersten Polarisationsstrahlteiler 3 und dann die Linse 4 durchtritt und von der Linse fokussiert ist, und wobei dieser Lichtanteil dann durch die λ/4-Wellenplatte 5 läuft und auf die Oberfläche des Auslegers 6 eintritt, um ein Detektionslicht zu bilden. Das Detektionslicht läuft nach Reflektion an der Oberfläche des piezoelektrischen Mechanismus 6 wieder durch die λ/4-Wellenplatte 5 hindurch, so dass die Polarisationsrichtung des Detektionslichts um 90° gedreht ist; dadurch das Detektionslicht in eine senkrecht zur horizontalen Richtung laufende Schwingung umgewandelt ist, deshalb es am ersten Polarisationsstrahlteiler 3 reflektiert ist und nach dem Durchtritt durch drei Umlenkprismen, d.h. das zweite, dritte, vierte Umlenkprismen 8, 9, 10 und durch die erste λ/2-Wellenplatte 11 an den zweiten Polarisationsstrahlteiler 12 gelangt. Das Referenzlicht gelangt nach dem Durchtritt durch zwei Umlenkprismen und die zweite λ/2-Wellenplatte 13 -- d.h. durch das erste Umlenkprisma 7, die zweite λ/2-Wellenplatte 13 und das fünfte Umlenkprisma 14 nacheinander -- an den zweiten Polarisationsstrahlteiler 12; wobei das Detektionslicht und das Referenzlicht am zweiten Polarisationsstrahlteiler 12 zusammengeführt sind, um miteinander zu interferenzieren. Das Interferenzlicht kann nach Durchtritt durch den optischen Isolator 15 dem Laservibrometer 16 zugeführt werden, um es z.B. für die Kalibrierung zu verwenden.
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Das zu prüfende Laservibrometer kann nach Empfang des ihm zugeführten Interferenzlichts entsprechend arbeiten und ansprechen; wobei das Interferenzlicht auch als ein mittels Interferenz gebildetes Licht oder Rücklicht bezeichnet werden kann. Durch das Laservibrometer kann die Frequenz des Rücklichts in ein Spannungssignal umgewandelt werden, wobei das Spannungssignal dem Datenerfassungssystem 19 zugeführt wird, um mit dem erhaltenen eingestellten analogen Standardspannungssignals -- beispielsweise das durch das Spannungssignal-Steuersystem des Datenerfassungssystems eingestellte analoge Standardspannungssignal - zu vergleichen und ggf. andere Bearbeitung durchzuführen.
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Zusätzlich kann das von der Signalerzeugungseinrichtung 18 erzeugte Schwingungserregungssignal an das Datenerfassungssystem 19 übermittelt werden, um mit einem Spannungssignal von dem zu prüfenden Laservibrometer zu vergleichen. Das heißt, das Schwingungserregungssignal wird als das oben beschriebene eingestellte analoge Standardsignal verwendet. Beispielsweise wird das Schwingungserregungssignal in zwei Pfade aufgeteilt, einen für die Antriebsstromquelle 17 und einen für das Datenerfassungssystem 19; wobei das obengenannte Steuersystem verwendet werden kann, um dies zu erreichen. Das Schwingungserregungssignal kann ein Spannungssignal sein.
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Der piezoelektrische Ausleger erzeugt eine Streckschwingung unter Antrieb mittels des modulierten elektrischen Felds aufgrund der direkten Wirkung des piezoelektrischen Effekts und damit bringt eine Biegebewegung und -verformung hervor. Gemäß der piezoelektrischen Theorie und der elastischen Mechanik ist die Schwingung des piezoelektrischen Auslegers mit dem Schwingungserregungssignal korreliert. Das obengenannte und erhaltene Spannungssignal des Datenerfassungssystems kann in ein Verschiebungssignal umgewandelt werden, um mit der Verformung des Auslegers zu vergleichen und ggf. andere Bearbeitung durchzuführen.
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Das oben beschriebene Zweistrahlinterferenz-Kalibrierungsverfahren für ein Laservibrometer kann für die Kalibrierung von zu prüfenden Laservibrometer eingesetzt werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- (i) Installieren der Standardlaserquelle 1 und des zu prüfenden Laservibrometers 16 gegenüberliegend derart auf derselben horizontalen Plattform, dass nach der Installation das von der Standardlaserquelle 1 emittierte Licht direkt in das zu prüfende Laservibrometer 16 gelangen kann;
- (ii) Installieren des ersten optischen Isolators 2, des ersten Polarisationsstrahlteilers 3, der Linse 4, der λ/4-Wellenplatte 5, des piezoelektrischen Mechanismus 6, des vierten Umlenkprismas 10, der ersten λ/2-Wellenplatte 11, des zweiten Polarisationsstrahlteilers 12 und des zweiten optischen Isolators 15 nacheinander zwischen der Standardlaserquelle 1 und dem zu prüfenden Laservibrometer 16; wobei vorzugsweise der erste optische Isolator, der erste Polarisationsstrahlteiler, die Linse, die λ/4-Wellenplatte, der piezoelektrische Mechanismus, das vierte Umlenkprisma, die erste λ/2-Wellenplatte, der zweite Polarisationsstrahlteiler und der zweite optischen Isolator etwas linear in einer Reihe zwischen der Standardlaserquelle und dem zu prüfenden Laservibrometer installiert werden;
- (iii) Ausrichten des von der Standardlaserquelle emittierten Laserstrahls mit einer Stelle des piezoelektrischen Mechanismus 6, deren Beanspruchung am größten ist, durch den präzisen Stellungseinstell-Mechanismus;
- (iiii) Installieren des ersten Umlenkprismas 7 und des zweiten Umlenkprismas 8 symmetrisch derart auf den beiden Seiten des ersten Polarisationsstrahlteilers 3, dass das von dem ersten Polarisationsstrahlteiler 3 geteilte Licht an jedem des ersten Umlenkprismas 7 und des zweiten Umlenkprismas 8 um 90° umgelenkt ist, wobei das dritte Umlenkprisma 9 und das zweite Umlenkprismas 8 parallel zueinander derart auf derselben Seite angeordnet sind, dass das von dem zweiten Umlenkprisma 8 ausgesendete Licht nach Durchtritt des dritten Umlenkprismas 9 senkrecht in das vierte Umlenkprisma 10 eintritt, wobei die zweite λ/2-Wellenplatte 13 und das fünfte Umlenkprisma 14 auf derselben Seiten wie das erste Umlenkprisma 7 angeordnet sind, so dass das von dem ersten Umlenkprisma 7 ausgesendete Licht zuerst senkrecht in die zweite λ/2-Wellenplatte 13 und dann ins fünfte Umlenkprisma 14 eintritt, und nach Umlenkung um 90° am fünften Umlenkprisma 14 senkrecht in den zweiten Polarisationsstrahlteiler 12 eintritt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel
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Statische Messung: Die Simulation des Anlegens einer Gleichvorspannung an den piezoelektrischen Balken.
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Es wird ein doppelendig fester piezoelektrischer Balken eingerichtet, der dreischichtig aufgebaut ist, wobei die Materialen der drei Schichte von unten nach oben jeweils Si, SiO2 und PZT sind, wobei jede Schicht eine Länge von 1000 µm (Mikron) und eine Breite von 100 µm hat, wobei die Dicke der Schichten von oben nach unten jeweils 10 µm, 2 µm und 3 µm betragen. Die Spannung der unteren Oberflächen des piezoelektrischen Materials PZT wird auf 0 V gehalten, während an seiner oberen Oberfläche eine Gleichvorspannung von 5 bis 10 V angelegt wird, wobei ein Verschiebungsdiagramm von Detektionspunkten eines Beobachtungsaufbaus in 2 gezeigt ist. Hier sind die Detektionspunkte die Punkte, an den der piezoelektrische Balken am stärksten deformiert wird. Da der piezoelektrische Balken eine vollständig symmetrische Struktur darstellen kann, können sich die Detektionspunkte in der geometrischen Mitte der Struktur befinden. In 2 wird auf der Querachse die an die obere Oberfläche des piezoelektrischen Materials PZT angelegte Spannung aufgetragen, und auf der Hochachse die Verschiebung aufgetragen. Wie aus 2 ersichtlich ist, steht die Verschiebung mit der angelegten Spannung in einer linearen Beziehung. Daher kann eine statische Kalibrierung des Laservibrometers durch diese Anordnung durchgeführt werden.
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Das dritte Ausführungsbeispiel
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Dynamische Messung: Die Simulation des Anlegens einer Wechselspannung an den piezoelektrischen Balken.
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Der piezoelektrische Balken wird gleich wie der Balken gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eingerichtet, wobei die Spannung der unteren Oberflächen des piezoelektrischen Materials PZT auf 0 V gehalten wird, während an seiner oberen Oberfläche eine Wechselspannung angelegt wird, wobei die Antriebstromquelle ein wechselndes sinusförmiges Signal darstellt:
wobei U die von der Antriebsstromquelle bereitgestellte Wechselspannung ist, V die Versorgungsspannung der Antriebsstromquelle ist und t die Zeit ist. Ein Verschiebung-Zeitverlaufsdiagramm von Detektionspunkten eines Beobachtungsaufbaus wird durch die transiente Analyse in der Simulationssoftware ergibt, wie in
3 gezeigt. In
3 wird auf der Querachse die Zeit aufgetragen und auf der Hochachse die Verschiebung aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass die Ansprechkurve der Ausgangsverschiebung des piezoelektrischen Balkens unter der Wirkung der Wechselspannung mit der Frequenz des Eingangsspannungssignals korreliert, somit der dynamische Leistungsindex des Laservibrometers kalibriert werden kann.
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Das viertes Ausführungsbeispiel
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Hinsichtlich der Kalibrierung für Niederfrequenzbereich kann die piezoelektrischen Mechanismen mit verschiedenen Strukturen ausgelegt werden, um die Kalibrierungsfunktion zu erfüllen. Wie in 4 gezeigt, wird an den beiden Enden des herkömmlichen Auslegers jeweils eine Biegungsstruktur mit variablen Breiten hinzugefügt, damit die Eigenfrequenz des Mechanismus effektiv verringert werden kann, und dabei wird die Breite des Mittelbereichs des Mittelteils des Auslegers vergrößert, um eine Verstärkung der lokalen Steifigkeit zu erzielen und damit die Stabilität der Bewegung sicherzustellen. Das piezoelektrische Material ist auf der bügelförmigen Struktur, die auf beiden Seiten des Mittelteils liegt, angebracht, so dass es die Schwingung des Auslegers besser anzutreiben. Der piezoelektrische Mechanismus wird dann simuliert. Dabei ist das Simulationsdiagramm in 5 gezeigt, wobei die Eingangsfrequenz f der Wechselspannung v 20 Hz ist und die Simulation gemäß v=10sin(2 πft) durchgeführt wird, wobei t die Zeit darstellt. In 5 wird auf der Querachse die Zeit aufgetragen und auf der Hochachse die Verschiebung aufgetragen. Aus 5 ist es ersichtlich, dass der piezoelektrische Mechanismus im Niederfrequenzbereich eine gute Konstanz der Frequenz besitzt und somit die Anforderungen an die Niederfrequenzkalibrierung erfüllt.
