第29卷第5期压电与声光Vo l. 29 No. 5 2007年10月PIEZO EL ECTECTRI CS & ACOUST OOPTI CS Oct. 2007 文章编号:100422474 (2007) 0520550203 赵丽1 ,2 , 壮凌1 ，张春林1 ，檀慧明1
(1 . 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春130033 ; 2. 中国科学院研究生院, 北京100000)
摘要：以压电陶瓷微位移驱动原理为基础，分析了激光器腔长控制原理，进而设计了一个包括单片机、压电陶瓷驱动电源、信号采集及处理电路、显示电路组成的闭环控制系统。该系统能自动寻到激光器工作的最佳状态，并维持在该状态。 关键词: 单片机；环形激光器；压电陶瓷
中图分类号: TP273 + . 1 文献标识码:A
The Piezoelectric Cera mic Controlling System and I t′s A pplication to Laser ZHAO Li1 ,2 , ZHUANG Ling1 , ZHANG Chun2lin1 , TAN Hui2ming1
(1. Changchun Institut e of Optics , Fine Mechani cs and Physics , Chinese Academy of Sciences , Changchun 130033 , China ;
2 . Graduat e School of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100000 ,China)
Abstract :Based on the princip le of micro2displacement of piezoelectric ceramic , the controllin g principle of the cavity len gth is analyzed in the rin g laser an d a closed2loop controlling sy stem is designed. The whole sy stem in2 cludes a single2chip , piezoelectric micro power supp ly , the signal acquirin g an d processin g circuit and the display cir2 cuit . The system co uld automatically fin d o ut the best state of the laser , and keep laser the best state.
K ey words :sin gle chip ; ring laser ; piezoelectric ceramic
压电陶瓷是近几年发展起来的新型微位移器件[ 1 ] ，它具有体积小，分辨率高，响应快，推力大，不发热，不产生噪声等一系列优点，广泛应用在纳米技术、航天、精密测量、微细加工、微电子、机器人等领域[ 2 ] 。压电陶瓷具有逆压电效应[ 3 ] ，当在其两端施加电压时，压电陶瓷会沿极化方向产生微变形[ 4 ]。本文基于该原理，将压电陶瓷贴在激光器的一个腔镜的背面，并采用自行研制的驱动电源驱动压电陶瓷，使其产生微变形, 从而带动镜片产生微小的平移，导致激光器谐振腔腔长改变，用这种方法控制激光器谐振腔的长度，使其输出功率最大或者使它的输出频率稳定。
1 激光器谐振腔腔长控制原理及系统工作原理
在激光器领域的外腔倍频和单稳频激光系统中必须严格保证激光谐振腔的长度是腔内谐振波长的整数倍。而由于温度或机械的扰动或振动，必然引起腔长的变化，使激光器谐振腔的长度不能稳定在谐振频率上，本系统就是为了解决这些问题而设计的。通常激光波长约为1 μm ，这就要求谐振腔长调节精度必须控制在几十纳米以内，而压电陶瓷是精密的微位移器件，能满足此要求。图1 为激光器谐振腔示意图(以环形腔为例) ，令激光器谐振腔的几何长度为L,n×L为腔的光学腔长,n为折射率,λq 为光在该介质中的谐振波长。则正反馈条件为
nL /λq = 2πq (1)式中q 为正整数。这表明腔长为L 的谐振腔, 只有满足式(1) , 即腔长为腔内谐振波长的整数倍, 才能满足对该波长的正反馈条件。在外腔倍频激光系统中, 工作在该状态下的激光器输出的光功率最大, 而在单稳频激光系统中, 工作在该状态下的激光器输出频率才稳定。这就要求对激光器的腔长L 进行调节。压电陶瓷的一端固定, 另一端贴在激光器的一个镜片上, 调整加在压电陶瓷两端的电压, 压电陶瓷产生微变形, 便推动镜片移动, 使激光器腔长L 发生变化, 所以可通过控制加在压电陶瓷两端的电压来调节激光器谐振腔长L 。
图 1 环形谐振腔示意图
2 系统硬件组成及工作原理
系统硬件原理框图如图2 所示。单片机将控制信号通过D/ A 转换电路转换成0～5 V 模拟电压输出到驱动电源，驱动电源将0～5 V 电压转换成0～200 V 且步长为10 mV 的直流电压后加在压电陶瓷上，压电陶瓷产生微位移，进而使激光器腔长L
收稿日期:2006207215
作者简介：赵丽(19792) ，女，吉林松原人，助教，硕士生，主要从事光电控制系统的研究。
第 5 期 赵 丽等 ：压电陶瓷控制系统及其在激光器中的应用 551
发生改变 ，最终表现在激光器输出功率发生变化或 频率发生漂移 。通过光电信号转换装置将激光器输 出的光信号转换为电信号 ，再经放大电路和 A/ D 转 换电路后送给单片机处理 。总之 ，系统通过控制压 电陶瓷上的电压来控制激光器谐振腔的长度 L ，使 激光器输出功率或输出频率稳定在确定的状态。
图 2 系统硬件原理框图
本系统单片机采用了 A T89C51 , 并采用了 16
位串行数模转换芯片 MA X541 和 16 位并行模数转 换芯片 AD1674 ，提高了系统的精度。显示部分采 用两行字符液晶显示模块 YXD 21602A ，可清晰显示 压电陶瓷的驱动电压值和当前激光输出功率值等。 键盘共有 3 个键 ，包括单片机的复位键和两个 设置键 。两个设置按键与液晶显示模块相结合 ，可 对系统进行设置 ，使系统具有更多的功能 ，如可以设 定电压扫描范围也可作为单独的压电陶瓷驱动电源 使用 ，使电压输出为锯齿波 。
3 压电陶瓷及驱动电源特点
3. 1 压电陶瓷链传动设计
本装置采用叠片式压电陶瓷[ 5 ]aonier
，用以增大位移 量 。叠片式压电陶瓷是由许多相同的圆片状压电陶 瓷串联叠加而成的 ，使用中电场以并联方式加到每 一片压电陶瓷上 ，相邻的片具有相反的极化方向 ，每 片的极化方向与电场方向一致 。在电场的作用下 , 每片压电陶瓷产生相同的伸张量 ，总伸张量为单片 伸张量的和 。本装置中使用的压电陶瓷总位移量可 达 5 μm ，驱动电压为 0～200 V 。把叠片式压电陶 瓷的一端固定 ，就可在另一端推动负载产生较大的
位移量[ 6 ]
。
压电陶瓷还具有迟滞性 ，蠕变性等缺点 ，这里影 响该装置精度的主要原因是迟滞性 。如图 3 所示 , 压电陶瓷的升压和降压曲线之间存在的位移差称为 压电陶瓷的迟滞性 ，由于这种迟滞性会给系统带来 误差 ，系统采用了特殊的控制算法予以消除。
图 3 压电陶瓷的迟滞性
3. 2 压电陶瓷驱动电源的特点
pnas压电陶瓷在外电场的作用下相当于容性负载 , 这里使用的压电陶瓷对驱动电源的要求如下 : 电压
稳定性 < 0. 1 %(满刻度量程) / 8 h 电压分辨率/ mV 10
电源静态电压纹波
≤10 mV
4 压电陶瓷驱动电源的组成及工作原理
根据驱动电源应具有可控性 ，高分辨率 ，高稳定 性等特点自行设计了一套压电陶瓷驱动电源 。驱动 电源的模拟部分原理框图如图 4 所示 ，对应 D/ A 输 出的 0～5 V 电压 ，经差动放大电路 ，放大电路和稳 压电路后 ，可输出 0～200 V 可调直流电压 。驱动电 源部分电路图如图 5 所示 ，电压反馈回路将输出电 压经电阻分压后 ，也对应 0～5 V 电压 ，与 D/ A 输入 的电压一起送入差动放大电路 。其工作过程为 D/ A 转换电路输入一个电压值 ，误差比较放大器两个 输入端出现了差值 ，经放大电路和稳压电路后 ，输出 电压就会稳定在一个平衡点 。稳压过程为若 D/ A 输入电压不变 ，输出若受负载影响引起输出电压波 动 ，通过采样电阻分压和射随器 ，反馈到误差比较放 大电路 ，误差信号经放大电路和稳压电路后 ，输出向 波动的反方向变化 ，消除了误差。
杨静雅图 4 驱动电源模拟部分原理框图
图 5 驱动电源模拟部分电路图
5 系统软件设计
系统软件程序包括主程序和若干个子程序 。主 程序流程图如图 6 所示 ，主要进行初始化程序 ，功能 设置子程序及控制程序的流程。按执行先后顺序 为 ：初始化程序 →功能设置子程序 →开机界面显示 子程序 →输出复位程序 →设定扫描范围子程序 →腔 长调节子程序 →等待信号稳定程序 →测量光强 →保 存测量数据子程序 →判断扫描是否完成 ，如扫描未 完成 ，则继续扫描 ，直至扫描完成为止 ， 再执行控制 算法子程序 ，最后将电压输出 ，并将相应数据送给液 晶显示器 (L CD ) 显示 。
552 压电与声光2007 年
图 6 主程序流程图
子程序包括功能设置子程序，设定扫描范围子程序、腔长调节子程序、测量光强子程序、控制算法子程序和显示子程序等。功能设置子程序主要是设置系统的功能，利用两个功能设置键和屏幕显示相结合进行选择，默认为第一功能，即本论文中主要介绍的功能，在开机后10 ms 内自动启用；设定扫描范围子程序中，使用者可自行设定加在压电陶瓷上的驱动电压范围; 腔长调节子程序主要进行D/ A 转换，产生模拟电压送给压电陶瓷驱动电源模拟部分电路使用，以产生相应的电压(即在设定扫描范围程序中设定的电压值) 来驱动压电陶瓷；测量光强子程序，主要进行A/ D 转换，将激光器输出的功率值，经 A / D转换后送给单片机处理，单片机通过比较到较大的电压数据；控制算法子程序主要是消除压电陶瓷的滞回误差。
6 结束语
本文设计的应用在激光器中的压电陶瓷微位移控制系统是一个智能化、高精度、低成本、多功能、调节方便的闭环控制系统，它工作稳定并能够控制激光器谐振腔长，使其工作在最佳状态，在激光器中应用，取得了很好的效果。
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(上接第549 页)
驱动频率无论向电机固有频率的哪个方向偏
移，都会导致电机速度下降，但由于驱动源只能工
作于固有频率的正向区间(否则会使驱动源工作
于正反馈状态) [ 4 ] ，实际应用中应使电机工作频率
高于固有频率，如图5 所示。当驱动频率偏离固
有频率时电机的速度会急剧下降，并且当驱动频
率达到某个值时，电机就会停止。这是因为驱动
频率偏离固有频率太远，使振型的畸变太大，已不
泰诺福韦能满足产生直线运动的要求。导致电机停止的振
动频率称为畸变频率。实验中，激励电压V 0 = 100
V 。
图 5 电机速度与激励频率的关系
4 结束语
超声波电机的驱动电路设计及实现是其微型化
的重要课题。由于CF RP 的各向异性，采用其作为
振动体的超声波直线电机驱动电路的设计具有新的
技术特点。本文在分析复合材料超声直线电机运动
控制机理的基础上, 提出了一种基于微控制器
PWM 脉冲激励的超声波电机驱动电路。该电路充
分利用了微控制器中PWM 脉冲频率易于调整的优
点，很好的满足了复合材料超声直线电机的控制要
求，结构简单，可靠性高，易于微型化实现。参考文
献:
[ 1 ] 张志彬. 复合材料超声直线电机的研究[ D ] . 天津: 天
津大学精密仪器与光电子工程学院,1999.
[ 2 ] 罗祖道，李思简. 各向异性材料力学[ M ] . 上海: 上海
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[ 4 ]钱卫忠，曾周末，杨学友. 超声波电机驱动源的频率跟
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