微表面形貌大视场检测相移显微干涉仪研制

基于相移干涉术,研制了立式大视场Mirau相移显微干涉仪,它包括干涉成像和照明系统、竖直方向上的压电陶瓷传感器(PZT)微位移系统、被测面的两维扫描系统、图像采集和处理系统,是无限筒长显微镜结构和Mirau干涉结构的叠加。大视场表面形貌通过多孔径扫描拼接实现。单片机串口控制电路控制电控平移台的精确位移,实现了被测面的两维扫描,最小的横向位移为0.039μm,扩展后的视场达到12.5mm×12.5mm。测量了光纤连接器端面的表面形貌,重复测量精度小于2nm。     

压电换能器长度位移测量的一种新方法

针对合成孔径激光雷达光源调腔用压电换能器(PZT)长度位移进行高精度测量的需要,提出一种基于干涉图像灰度最佳估计的双光束干涉测量方法.通过合理设计算法,理论上测量分辨率能够达到光源激光器波长的1/1024;实验上对一管型PZT的长度位移进行了测量,精度达到10 nm量级.     

基于马赫-曾德尔干涉仪的聚合物电光系数测量方法的性能改善

对基于马赫-曾德尔(Mach-Zehdner)干涉仪的聚合物电光系数测量方法进行了分析。提出了改善性能的方法并进行了讨论。采用光纤干涉仪代替空间光学干涉仪对样品电光系数进行透射式测量,采用压电陶瓷(PZT)片调节测量系统的工作点实现反馈控制,有效地减小了法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振效应的影响;通过精确控制光纤干涉仪干涉臂长差和合理选择光纤耦合器的耦合比,可以提高干涉的可见度,从而提高系统的测量精度。实验结果表明,系统的干涉可见度为0.84,可分辨的最小相位变化约为6×10-6rad。     

可调腔长全光纤F-P腔纳米位移传感器的实验研究

采用一种可变腔长的全光纤结构Fabry-Perot(F-P)腔作为传感器件构建了纳米微位移传感系统,利用高精度的压电陶瓷驱动器模拟微位移输出.通过频域插值的方式对F-P腔输出光谱解调,计算出腔长值.实验结果表明,输出光谱解调后的腔长值与压电陶瓷实际的驱动量相吻合,静态位移分辨率小于4 nm,最大测量范围可达50 μm.采用对光强进行高频调制和相位解调的方式提高了系统的动态测量精度和稳定性.该系统体积小,灵敏度高,重复性好,并且不受电磁场干扰,便于用M()EMS技术制作成微型传感器.     

基于干涉条纹相关性测量PZT相移特性的方法

闭环压电陶瓷(PZT)具有良好的线性特征,能实现纳米级分辨率,在微位移过程中响应快,精度高,广泛用于光学测量领域。在干涉测量中,利用PZT控制反射镜的移动,引入可控相移,需要知道PZT的电压相移特性。提出了基于干涉条纹图样的相关性测量PZT电压相移特性的方法,利用CMOS数字摄像机采集干涉条纹图样,以零电压对应的图样为基准图,做归一化相关系数运算,最后得到PZT电压相移特性曲线,满足了干涉测量相移可控的要求。     

自混合干涉型振动仪应用于PZT特性的测量

激光自混合干涉(SMI)是新浮现的一种干涉测试技术,其利用出射激光束的一小部分光被外部物体反射或散射后馈回激光腔形成单光束自混合干涉,这种干涉信号携载被照射的物体的运动信息,可以用于振动、位移等参数的测量。本文基于该原理设计出对压电陶瓷(PZT)动态特性测量的装置。通过对圆柱形单层和叠片式PZT样品测试,结果表明,利用激光SMI测量PZT特性,实验装置结构简单,可以实现高精度适时检测PZT动态响应和滞回特性。     

利用LD自混合干涉的光纤Fabry-Perot传感器

提出了基于半导体激光器(LD)自混合干涉原理的光纤Fabry-Perot(F-P)传感器。采用F-P腔模型推导出了LD输出功率、频率与外部光纤F-P腔长变化的理论关系式,分析讨论了这种传感器的分辨率、测量范围、线性度、灵敏度等特性。实验结果与理论分析基本吻合。与现有的外腔式F-P干涉光纤传感器相比,LD自混合干涉光纤F-P传感器具有结构简单、紧凑、易准直等优点。     

基于空间频域算法的白光干涉微位移测量法

为了满足光学及精密机械领域精密测量的要求,提高微位移器位移量的测量精度,在对传统的接触式干涉仪改造的基础上,采用空间频域算法计算出了白光干涉图零级条纹的中心位置,并根据零级条纹中心的移动量得到待测的微位移量.该方法能够测量连续和阶跃变化的位移量.实验以压电陶瓷微位移装置(PZT)为例,测试了其电压一位移曲线,测量重复性达到1 nm.结果表明,该方案稳定有效,不易受噪声和色散的影响,测量重复性好.     

基于氧化石墨烯微腔的光纤多频声振动传感器

本文提出一种基于氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)微腔的光纤多频法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)声振动传感器.该传感器使用单模光纤端面和GO薄膜构成微米级尺度的FP干涉微腔结构,采用液相法制备GO薄膜并将其作为声振动信号的敏感材料,实现对外界声振动信号的探测.通过控制和优化FP微腔长度可以获得消光比最大的干涉光谱,并对该传感器施加不同频率的单频、双频和三频声振动信号以测试其对多频信号的响应能力.实验结果表明,该传感器具有较高的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR);对单频振动信号传感的SNR最高可达61.8 dB,频率响应范围较宽,约为500 Hz～20 kHz;对双频和三频声振动信号传感的SNR最高分别可达56.8 dB和54.4 dB.     

压电陶瓷光学移相器的一维标定方法

利用光干涉原理设计了一套比较简单有效的测量系统,并对压电陶瓷的电压-位移曲线进行测试和分析.研究了PZT 移相器的重复性、线性,总结了步进电压从0.2～0.5 V、时间间隔从10～90 ms驱动参数对PZT位移量和非线性误差影响的规律.标定结果表明,电压在206～222 V范围内,当步进电压为0.3 V;时间间隔为10 ms时,PZT电压-位移曲线与拟合直线的平均标准差可达到2.795 nm.     

压电微位移致动器的研制及其应用

文章是以光纤光栅传感系统中匹配FBG光纤解调为背景展开研究的,对压电陶瓷的材料特性、压电陶瓷驱动电源的软硬件设计和压电微位移致动在匹配FBG光纤解调中的应用等问题进行了探讨,开发了实用的压电微位移致动器。针对压电陶瓷的容性负载特性,提出了驱动电源的设计方案,完成了驱动电源软硬件设计,构建了直流稳压电路、PA78组成的混合放大电路。实验表明,所研制的压电微位移致动器具有良好性能,可应用于光纤光栅传感系统的匹配FBG光纤解调中。     

两级位移放大微夹持器的研究

微夹持器是完成微操作、微装配作业任务的重要工具,其体积、质量、张合量、微夹持力等是微夹持器设计过程中的重要指标。利用压电陶瓷作为微驱动元件设计了一种具有两级位移放大的微夹持器,并采用有限元软件对其进行张合量、微夹持力的分析。经实验测试,验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性。     

空间分布压电驱动的多自由度微定位新方法

提出并研究了一种空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术。采用多个压电驱动器的空间并列分布实现六自由度精密微定位。本文作者阐述了微定位原理，建立了载物台位姿与驱动器伸缩量之间的关系，介绍了微定位装置的构造。     

微米级PZT驱动器尺度相关的自由振动分析

根据修正偶应力理论和哈密顿原理,并结合经典的层合梁理论,推导出具有层合结构、考虑力-电耦合作用的微米级均质、非均质锆钛酸铅(PbZrTiO₃,PZT)智能驱动器尺度相关的运动控制方程和固有频率。通过引入的材料内禀特征尺寸参数,成功捕获了微米级PZT智能驱动器的尺寸效应。数值分析显示,不同基体材料对微米级均质、非均质PZT智能驱动器归一化固有频率影响较小;压电层厚度不变,随着基体厚度增加,微米级PZT驱动器尺寸效应逐渐变小;随着结构特征尺寸逐渐增大,尺寸效应逐渐消失。     

基于可调谐FP滤波器的光纤光栅解调系统

为了进一步提高光纤光栅解调系统的性能,提出和研究了一种新颖的基于可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波器的光纤光栅解调技术,并以此为基础构建了探测系统。系统使用一个固定波长的参考光纤光栅作为波长参考元件,通过对传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长测量与差值运算,消除了可调谐FP滤波器腔长漂移对测量精度的影响。给出压电陶瓷电压对应的伸长量,有效地减小了压电陶瓷非线性对测量的影响,提高了光纤光栅波长的测量精度。在测量范围内,最大非线性偏差为0.5%。     

以PZT薄膜为驱动和传感的微型陀螺研制

利用压电陶瓷PZT的正反压电位效应,将PZT薄膜同时作为驱动及传感材料,设计并制造了两种新颖的以IC兼容技术制作在硅片上的压电薄膜微型陀螺。高质量的PZT薄膜是在Pt/Ti/SiO2/Si基底上以溶胶－凝胶技术铺设的。基于反压电效应,微型陀螺在其谐振频率上被输入的交流信号驱动,由其正压电效应,可检测到与转动角速度成正比的输出信号。文章分别介绍了两种微型陀螺的设计原理,详述了制作方法,并对制出的压电微型陀螺进行了检测,得到了的结果与预测结果相符。     

All-Fiber ${Q}$-Switched Ring Laser With Increased Repetition Rate

We demonstrate a novel approach to increase the Q-switching repetition rate of the fiber ring laser. This Q-switched fiber laser integrates an apodized fiber-Bragg-grating (FBG) reflector and a Fabry-Perot (FP) etalon constructed from cascaded chirped FBGs into the cavity. The apodized FBG reflector acts as wavelength discriminative component for oscillation, while the FP etalon is tuned periodically using the piezoelectric transducer (PZT) and functions as a Q-switching component. By adjusting the tuning range of the FP etalon, we obtain 3.5-, 7-, and 14-kHz Q-switched pulses train with constant PZT modulation frequency of 3.5 kHz.     

柔性压电式微位移机构动态特性的实验研究

设计了一种压电式微位移机构,采用对称杠杆式柔性铰链放大机构对压电陶瓷输出位移进行放大,弥补了压电陶瓷位移行程过小的缺点.对微位移机构力学模型和压电陶瓷驱动器的动态特性进行了分析,指出压电陶瓷驱动器动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能的一个关键因素,直接关系到控制精度的提高,必须采取适当的控制算法予以修正.采用前馈控制同数字PID控制相结合的复合控制算法对柔性压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿,建立了动态特性的闭环校正控制系统.实测结果表明,机构的动态响应时间显著缩短,实现了机构的快速响应.