壓電石英晶體具有純度高、分辨率高、方向性好等特點(diǎn)，用它制成的壓電驅(qū)動器可以應(yīng)用于微位移輸出裝置、微型機(jī)器人、力發(fā)生裝置、光譜測量等領(lǐng)域。利用壓電石英晶體和硒化鋅(ZnSe)晶體設(shè)計出的具有彈光效應(yīng)的靜態(tài)傅里葉變換干涉具[1-3]，與傳統(tǒng)干涉具相比，具有調(diào)制速度快、光譜范圍寬、光通量大、抗振性好并且結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，這是眾多光譜儀所不能比擬的。壓電晶體的使用離不開相應(yīng)的驅(qū)動控制器，驅(qū)動控制器對壓電晶體的振動性能影響很大，因此，壓電晶體驅(qū)動控制器技術(shù)已成為目前壓電晶體振動應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[4-8]。

    從提高壓電晶體驅(qū)動控制器的電壓、功耗等角度出發(fā)，對傳統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動控制器進(jìn)行改進(jìn)，提出了適合靜態(tài)傅里葉變換干涉具壓電石英晶體驅(qū)動控制器的方法[9]，結(jié)合ZnSe晶體的本征振動頻率和LC諧振網(wǎng)絡(luò)的配置[10]，該方法能有效降低電路本身的功率損耗，提供較穩(wěn)定的高壓信號，為彈光調(diào)制器穩(wěn)定工作提供了保障。
1 基于彈光調(diào)制器壓電晶體驅(qū)動控制器
    彈光調(diào)制器是一種基于高性能紅外透明光學(xué)材料(如熔融石英、氟化鋰、氟化鈣晶體等)光彈效應(yīng)的偏振調(diào)制器件，利用壓電材料(如壓電石英晶體、壓電陶瓷)在紅外透明光學(xué)材料上加以周期性變化的機(jī)械力，從而對晶體施加相應(yīng)的應(yīng)力，使光學(xué)材料共振。
    利用壓電石英晶體的逆壓電效應(yīng)，在壓電晶體的兩個電極上施加一個交變電壓，將產(chǎn)生一定的機(jī)械形變，施加的電壓峰值越高，形變量就越大。文中壓電石英晶體（0.64 cm×1.91 cm×5.08 cm）為長度伸縮振動模式的單轉(zhuǎn)角切型(xyt)φ1，其中φ1=-18.5°，經(jīng)計算壓電石英晶體本征頻率為50.02 kHz。(xyt)φ1切型壓電石英晶體的壓電方程為：

    壓電石英晶體在諧振時等效于一個很小的電容，充放電速度快、壓電石英晶體純度高、發(fā)熱小、損耗小，所以需要的驅(qū)動控制器的功率較小。因此，在彈光調(diào)制器壓電晶體的振動研究中，對壓電晶體驅(qū)動電路的設(shè)計要求如下：(1)輸出電阻小，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。只有降低驅(qū)動控制器的輸出電阻R，才能使R與壓電晶體等效的電容C所構(gòu)成的RC回路的時間常數(shù)降低，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。(2)為了達(dá)到最佳的振動效果，所設(shè)計的驅(qū)動控制器的頻率須為50.02 kHz。(3)要求驅(qū)動控制器的輸出幅度連續(xù)可調(diào)，波動幅度小、穩(wěn)定性好。
2 驅(qū)動控制器設(shè)計
    驅(qū)動控制器由方波產(chǎn)生電路、功率放大電路、充放電回路和LC諧振網(wǎng)絡(luò)四部分組成。方波產(chǎn)生電路由F40型數(shù)字合成信號發(fā)生器提供幅度為0~2 V、頻率為50.02 kHz的信號；功率放大電路為后續(xù)電路提供具有一定驅(qū)動能力的電壓信號；LC諧振網(wǎng)絡(luò)將電壓放大到所需要的高壓，驅(qū)動壓電石英晶體的振動。系統(tǒng)設(shè)計的一個最大特點(diǎn)是輸出驅(qū)動電壓的大小由可調(diào)直流電源VCC和LC諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)決定。

    R3、Q2和CR1又組成了共集電極放大電路，該電路的特點(diǎn)是輸入信號源提供的電流小，可減小信號源的功率容量，電壓放大倍數(shù)小于 1 而接近 1 ，輸出電壓和輸入電壓同相，輸入阻抗高輸出阻抗低、失真小、頻帶寬、工作穩(wěn)定。它用作放大器的中間級，起到緩沖和阻抗匹配的作用，減輕前級的負(fù)載 ，提高了整個電路的電壓增益和功率傳輸能力。
2.2 充放電回路
    圖1中構(gòu)成的功率放大/充放電電流控制部分的功率放大單元電路為準(zhǔn)互補(bǔ)甲乙類對稱功率放大電路，給壓電晶體振蕩器提供充放電電流回路。由圖1可知，當(dāng)輸入信號Vi為低電平時，三極管Q2導(dǎo)通，從而開關(guān)管Q3導(dǎo)通，給LC諧振網(wǎng)絡(luò)和壓電晶體充電，CR2二極管此時也導(dǎo)通，給三極管Q2又提供了一定的驅(qū)動電壓，同時由于三極管Q1的輸入為低電平，Q1管截止，從而使三極管Q4關(guān)斷，防止放電回路導(dǎo)通。當(dāng)輸入方波信號為高電平時，Q1管工作，此時Q3管的基極電壓為低電平，所以此刻Q3管不工作，同時Q4管的基極電壓為高電平，該管導(dǎo)通，為壓電晶體振蕩器提供了放電回路。

    電路中元件參數(shù)設(shè)置：電感為5 mH，固定電容為1 800 pF，可調(diào)電容為1~90 pF。具體的工作原理為：電感和電容串聯(lián)，電容器放電，電感開始有一個逆向的反沖電流，電感充電，二極管CR3的作用就是防止反向電壓過高時擊穿三極管Q3，給逆向反沖電壓提供一個放電回路。當(dāng)電感電壓達(dá)到最大時，電容放電完畢，之后電感又開始放電，電容開始充電，往復(fù)循環(huán)。電路中的CR4是必不可少的，當(dāng)LC諧振電路給電容充電時，電容C1、C2的B極板的電子將通過二極管CR4給電感L1提供能量，然后電感存儲的能量給電容充電，充分利用電感中的能量給電容充電，從而Q3的發(fā)射極就可以只需要提供很小的電壓和電流補(bǔ)充LC諧振電路中振動的能量的損耗就能維持整個電路的良好振動性能，這樣就大大降低了電源的功率，也降低了電路的功率損耗。為了達(dá)到高壓高精度50.02 kHz的要求，這里選擇的固定電容為美國銀云母高壓高精度電容，具有高頻特性好、溫漂小、容量精確、損耗低等優(yōu)點(diǎn)；可調(diào)電容精確調(diào)節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)的諧振點(diǎn)；繞制電感線圈的磁環(huán)要求磁損耗小、磁導(dǎo)率低。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    為了測試驅(qū)動控制器的動態(tài)性能，測試不同直流電源電壓下的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)對象為I/FS50型的壓電晶體容性負(fù)載，調(diào)制頻率為50.02 kHz。在不同的直流控制電壓UDC下的壓電晶體兩端輸出電壓的測試結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，驅(qū)動控制器的輸出電壓Uout峰峰值可以達(dá)到1 500 V。

相比，該驅(qū)動控制器可以輸出較高的電壓和較小的功率損耗。
    為了測試彈光調(diào)制器的振動效果，在驅(qū)動控制器輸出電壓為1 500 V，驅(qū)動兩塊壓電石英晶體帶動本征頻率為50.02 kHz的ZnSe晶體振動，用LV-S01激光多普勒測振儀測試ZnSe晶體的振動結(jié)果如圖4、圖5所示，LV-S01激光多普勒測振儀分辨率為1 ?滋m/s，激光光源波長為632.8 nm。

    由圖4、圖5可知，晶體的振動頻率為50.018 kHz，振動位移可以達(dá)到4.5 μm，振動位移是單塊的兩倍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致，具有良好的動態(tài)性能和線性度以及輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)，滿足了高精度高頻響的要求。
    本文研制的驅(qū)動控制器輸出電阻小、負(fù)載能力強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，響應(yīng)速度可達(dá)到微秒級。輸出電壓峰值高達(dá)1 500 V且連續(xù)可調(diào)。最后對電源的整體性能進(jìn)行測試，通過改變直流電壓的大小，可以改變加在壓電晶體兩端的電壓和ZnSe晶體產(chǎn)生的振動位移，從而實(shí)現(xiàn)4.5 μm的振動位移。根據(jù)分析測試數(shù)據(jù)可以得出，本文研制的動態(tài)壓電晶體驅(qū)動控制器具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，設(shè)計出的驅(qū)動控制器滿足了彈光調(diào)制器壓電晶體的實(shí)際需要，為彈光調(diào)制器干涉具動態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
    本文的創(chuàng)新點(diǎn)是不需要高壓直流電源，只需要一個27 V的直流電源就可以產(chǎn)生1 500 V的高壓,很好地驅(qū)動了壓電晶體的周期性振動，為設(shè)計出高品質(zhì)的彈光干涉具提供了保障。 采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高壓，脫離了常規(guī)的用高壓運(yùn)放或者大功率耐高壓MOS管產(chǎn)生高壓，節(jié)省了成本，具有較好的實(shí)用性。
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