CN100526798C - 低压微位移驱动电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由压电陶瓷低电压区构成的低电压微位移驱动电路及控制方法。电路由微控制器MCU、数模转换器D/A、一级运放A1、二级运放A2、三级运放A3及压电陶瓷PZT构成；其控制方法如下：设定相位差设置值→设定压电陶瓷控制电压初值→驱动压电陶瓷伸缩→推动干涉显微镜镜筒→产生不同相位干涉图→将图象变为数字信号→算出相位差→实测值与设置值比较→根据差值修正压电陶瓷控制电压值，实测值与设置值之间小于允许误差结束调整。本发明使光电轮廓仪具有重量轻、体积小、精度高、造价低、性能全的优点，成为纳米级精确测量物体轮廓及表面粗糙度的新型仪器。

Description

低压微位移驱动电路及控制方法

技术领域

本发明涉及物理光学仪器的光电轮廓仪，特别是一种低压微位移驱动电路及控制方法。

背景技术

精确测量物体轮廓形状(三维立体图)及表面粗糙度(二维平面图)的光电轮廓仪，由干涉显微镜、CMOS摄像头、微位移驱动电路等组成。干涉显微镜是测量的基准仪器，测量时不与被测物接触，主要运用对干涉显微镜的参考光路进行移相的技术，由CMOS摄像头测出干涉条纹的间隔，然后在控制微位移驱动电路中，作为移相器的压电陶瓷加上电压，使压电陶瓷位移面伸缩(微位移)，推动与之接触的干涉显微镜调节手轮的钢球，钢球再推动其镜筒，来调节光程差，从而完成相移过程。

但是压电陶瓷对所加电压(0～200V)与位移之间具有非线性关系，存在着相移量的定标问题，现在的光电轮廓仪都采用压电陶瓷非线性较小的高电压区(100～200V)，所以其驱动电路中的运算放大器只能从国外进口，成本很高；而运放的高工作电源(±250V)其变压器大，所以光电轮廓仪显得十分笨重，使用不便，测量精度也较难适应科研及精密制造的要求。

发明内容

本发明为了解决现有光电轮廓仪成本高，体积大，操作复杂，精度较低所存在的技术问题，而采用的一种由压电陶瓷低电压区构成的低电压微位移驱动电路及控制方法。

依据上述目的，本发明提供一种低电压微位移驱动电路，由微控制器MCU、数模转换器D/A、一级运放A1、二级运放A2、三级运放A3及压电陶瓷PZT构成；其中微控制器MCU输出端与数模转换器D/A输入端连接，数模转换器D/A的输出端V0与一级运放A1的负输入端-连接，一级运放A1的输出端与二级运放A2的负输入端-连接，二级运放A2的输出端与三级运放A3的正输入端+连接，数模转换器D/A接地端7、一级运放A1和二级运放A2的正输入端+及三级运放A3的电阻R1、压电陶瓷PZT负输入端V-接地；三级运放A3的负输入端-与电阻R1和电位器W活动端连接，其输出端和电阻R2、电位器W的固定端、压电陶瓷PZT正输入端V+连接；其中微控制器MCU的输入端与计算机PC连接、压电陶瓷PZT的位移面与干涉显微镜的钢球接触。

上述电路，其中一级、二级运放A1、A2采用双运放LF353。

上述电路，其中三级运放A3采用TLE2142。

依据上述目的，本发明还提供一种对低压微位移驱动电路中压电陶瓷PZT上所加电压的控制方法，为了解决压电陶瓷PZT低电压区非线性大所存在的相移量定标问题，该方法利用了光电轮廓仪软件的驱动指令部分。由计算机及操作软件来控制压电陶瓷PZT上的所加电压，其控制方法如下：

设定相位差设置值→设定压电陶瓷控制电压初值→驱动压电陶瓷伸缩→推动干涉显微镜镜筒→产生不同相位干涉图→将图象变为数字信号→算出相位差→实测值与设置值比较→根据差值修正压电陶瓷控制电压值。实测值与设置值之间小于允许误差结束调整。

本发明由于采取了以上技术措施，使光电轮廓仪具有重量轻、体积小、精度高、造价低、性能全的优点，成为纳米级精确测量物体轮廓及表面粗糙度的新型仪器。

附图说明

图1是本发明的电路图。

图2是本发明的控制流程图。

具体实施方式

如图1所示：PC计算机通过串口RS232经过微控制器MCU向数模转换器D/A发出驱动指令，转换器D/A输出端V0输出模拟信号电压，再经反相放大器一级、二级运放A1、A2放大后进入正相放大器三级运放A3再放大，输出0V—40V的驱动电压给压电陶瓷PZT的正输入端V+，驱动压电陶瓷PZT位移面伸长。其中：电阻R1、R2为偏置电阻，电位器W为反馈可变电阻，可改变放大倍数控制输出0V—40V电压。

该电路中的一、二级运放A1、A2的工作电压为±15V，三级运放A3的工作电压也只为40V，远远低于以前的250V，而且价格从几千元降到几十元。从而使仪器重量减轻，体积缩小，还大大降低了生产成本。

如图2所示：由PC计算机控制压电陶瓷PZT上所加电压的电压值，由CMOS摄像头摄取图像，然后算出干涉条纹的间隔，PC计算机控制压电陶瓷PZT上所加电压，直至干涉条纹相位差到达所要求的值，停止改变电压并进行采样，这样即可消除压电陶瓷PZT所加电压与位移的非线性误差。其控制流程如下：

步骤S1：首先将压电陶瓷PZT上所加电压从0V增加到40V，使压电陶瓷PZT和机械装置从头至尾走一遍，起到预热作用，然后将所加电压停在起始位置(10V左右)。该控制方法的相位差设置值设定为40°，则需分九挡步距进行，(即360°/40°)。根据需要，相位差设置值也可定为45°，则需分八档步距进行，以此类推。

步骤S2：根据每步的间隔设定压电陶瓷控制电压初值。若该仪器第一次使用，则每步电压值取2V作为初值，若仪器已使用过，则取上次调整后存储的每步电压值，作为初值。

步骤S3：PC计算机通过串口RS232向微控制器MCU发出驱动指令，通过驱动电路使压电陶瓷PZT位移面伸缩。

步骤S4：压电陶瓷PZT位移面推动干涉显微镜镜筒动作，改变参考光路的行程，形成不同的光程差。压电陶瓷PZT就相当于一个移相器。

步骤S5：不同的光程差在光学系统产生不同的相位干涉图像。

步骤S6：由CMOS摄像头摄取图像，然后通过PC计算机软件读取图像，进行剪辑后，将图像变为数字讯号。

步骤S7：根据讯号矩阵，用富里叶分析的方法算出相位差。

步骤S8：将相位差实测值和设置值40°比较。可根据用户需求非常灵活地调整设置值，然后对每步误差进行分析。若每步相位差值均在允许误差范围内(如将允许误差设为3.5°)，则存储本次调整后的每步电压值，以备今后测量使用，然后进入后续动作。若其中有一步或多步超过允许误差范围，则自动进入步骤S9。

步骤S9：调整超差步距的电压值，符合要求步距的电压值不变。在调整电压值时，为了避免引起震荡，必须对误差值分析，采用不同的电压调整值。如当误差值≧±5°时，每步电压值调整0.06V；当误差值<±5°时，每步电压值调整0.02V。

调整后，继续执行步骤S3，直至每步相位差实测值与设置值之间小于允许误差，结束调整。

这个方法的优点在于不但可以消除压电陶瓷的非线性误差，使得开环电路取得闭环的效果，而且也降低了机械零部件装配的难度。

Claims (3)

1.一种低电压微位移驱动电路，其特征是：由微控制器(MCU)、数模转换器(D/A)、一级运放(A1)、二级运放(A2)、三级运放(A3)及压电陶瓷(PZT)构成；

其中微控制器(MCU)输出端与数模转换器(D/A)输入端连接，数模转换器(D/A)的输出端(V0)与一级运放(A1)的负输入端(-)连接，一级运放(A1)的输出端与二级运放(A2)的负输入端(-)连接，二级运放(A2)的输出端与三级运放(A3)的正输入端(+)连接，数模转换器(D/A)接地端(7)、一级运放(A1)和二级运放(A2)的正输入端(+)及三级运放(A3)的电阻R1、压电陶瓷(PZT)负输入端(V-)接地；三级运放(A3)的负输入端(-)与电阻R1和电位器(W)活动端连接，其输出端和电阻R2、电位器(W)的固定端、压电陶瓷(PZT)正输入端(V+)连接；

其中微控制器(MCU)的输入端与计算机PC连接、压电陶瓷(PZT)的位移面与干涉显微镜的钢球接触。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征是：其中一级、二级运放(A1)(A2)采用双运放LF353。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征是：其中三级运放(A3)采用TLE2142。

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