A simple interferometric method to measure the calibration factor and displacement amplification in piezoelectric flextensional actuators

Abstract

Laser interferometry is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. In this work, by using a low cost Michelson interferometer, the measurement of the calibration factor and the displacement amplification of a novel piezoelectric flextensional actuator (PFA), designed by using the topology optimization method, is performed. A simple method, based on small phase modulation depth when the PFA is driven by a triangular waveform, allows the absolute interferometer calibration. The free-displacement of the PFA for various drive voltages is measured and the displacement amplification is determined. The linearity and frequencyresponse of the PFA are evaluated up to 20 kHz

Interferometria Óptica Homódina Aplicada À Medições De Deslocamentos Nanométricos De Atuadores Piezoelétricos Flextensionais

“…Quando ocorre um deslocamento de um ponto do APF, na direção longitudinal ao feixe de laser, a fase óptica do ramo sensor do interferômetro se altera em relação a do r amo de referência, causando um movimento das f ranjas na posição do fotodetector. Assim, quando uma tensão elétrica variável no tempo é aplicada ao APF, o ramo sensor do interferômetro tem sua fase modulada e o sinal de tensão elétrica de saída do interferômetro, medido pelo fotodiodo será [9]:…”

“…Por outro lado, uma variante do método de demodulação de sinais com baixa profundidade de m odulação (BPM) descrito em [9], permite que variações de fase inferiores a 0,1 rad sejam mensuradas, estando-se limitado apenas pela relação sinal-ruído do sinal fotodetectado. Neste m étodo, torna-se necessário que as condições ambientais do laboratório sejam condicionadas de forma a se red uzir ao máximo as variações na fase 0  , a qual deve ser aj ustada para se operar em regime de quadratura, ou seja, com 2 / 0    rad durante todo o intervalo de t empo na qual a mensuração é realizada.…”

“…No método BPM, pode-se empregar sinais arbitrários na alimentação do APF, , em conformidade com a Fig.4. Na referência [9], operou-se sob esta condição.…”

“…Das diversas técnicas interferométricas disponíveis na literatura selecionou-se, para este trab alho, o clássico método homódino passivo, denominado método J1-J4 [8] , e também, um a variante do método para demodular sinais com baixa profundidade de modulação, recentemente publicado em [9]. O aparato aqui utilizado permite mensurar deslocamentos nanométricos do APF at ravés de um interferômetro de M ichelson de baixo custo em óptica volumétrica.…”

Interference Pattern Representation on the Complex s-Plane

“…Numerically was verified that the pole location and the zero location depend directly on the optical path difference, while a Bode diagram shows the stability/ instability of the interferometer. Figure 1 shows a schematic example of a Michelson interferometer [25]. The interferometer consists of a coherent source, an oscilloscope, a generator function, a beam splitter 50/50 and a PZT optical element.…”