CN101174655A - 一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器及装置。本发明涉及柔性结构精密非接触作动装置领域，它解决了现有作动装置普遍存在的线缆电磁干扰、驱动设备复杂、受工作条件和尺寸限制难以实现轻质小型化等问题。非接触光电作动器由PLZT铁电陶瓷制成的矩形片，沿其极化方向的两个截面上分别镀有上、下表面电极。非接触光电作动装置的非接触光电作动器贴于被控结构表面，激光测振计和温度传感器分别采集振动和温度信号，并输入到处理器中；经过计算后处理器通过控制信号触发紫外光源，高能紫外光束均匀辐照在作动器的受光面上，使其产生控制力矩，从而实现对结构的精密控制。本发明具有非接触式激励，避免电磁扰动，可实现轻质小尺寸等优点。

Description

一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器及装置

技术领域

本发明涉及柔性结构精密非接触作动装置领域。

背景技术

目前用于柔性结构控制的作动器有传统的机电式、液压式作动器和基于压电陶瓷、形状记忆合金、电致伸缩陶瓷、磁致伸缩陶瓷和电磁流变液等功能材料作动器。这些现有的作动器由于其工作原理和材料自身属性，分别存在如下缺点：

1、传统机电式或液压式作动器，由于其自身结构设计制造的复杂性和对机械/液压系统和使用结构空间的要求，限制了其应用场合和工作周期，如微精密机电系统和宇航空间结构控制等。

2、现有的电、磁激励的功能材料作动器局限性在于：a)缆线电磁噪声。如基于压电陶瓷、电/磁致伸缩陶瓷的作动器往往需要硬件线缆与传输动力源相连接，并通过命令激活执行机构。在长距离数据传输时，信号传输总线很容易在电场和磁场的交互作用下引起电磁噪声干扰，影响数据传输的准确性和实时性，而使控制命令可能不被正确执行，进而引起控制的不可靠和不稳定问题。b)驱动能源限制。基于不同的固有属性，现有的功能材料作动器受到驱动能源的限制，如压电陶瓷、电致伸缩陶瓷作为作动器需要较高的控制电压(几百伏至上千伏)，磁致伸缩作动器需要附加设备产生强磁场等。同时，强电、磁的作用会影响其它电子器件的正常工作。c)工作条件限制。形状记忆合金(SMA)虽然具有很大的形变和控制力，但因工作中需要电源加热，限制了它的工作范围，而且响应频率很低，一般用于10Hz以下的振动响应控制，且长期使用后，材料本身会产生蠕变，工作稳定性差。d)结构尺寸限制。如电磁流变液作动器为防止功能材料的泄露和吸收，必须要求封装在密封腔体中，在实际应用中受到作动器结构尺寸的制约。同时，由于它需要很强的控制电场，给电路的设计及实施带来一定的困难。

发明内容

本发明为了解决现有的作动器在控制过程中存在的驱动能源、工作条件和结构尺寸限制的弊端，以及缆线电磁噪声干扰、附加设备复杂、难以实现轻质微小型化的问题，而提出了一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器及装置。

本发明的非接触光电作动器1由铁电陶瓷片1-1、上表面电极1-2和下表面电极1-3组成；铁电陶瓷片1-1为矩形片，在铁电陶瓷片1-1与其极化方向垂直的两个端面上分别镀有上表面电极1-2和下表面电极1-3。用于柔性结构控制的非接触光电作动装置由非接触光电作动器1、触发光源2和控制器组成；控制器由非接触激光测振计3-1、非接触温度传感器3-2和处理器3-3组成；至少有一个光电动作器1贴附于被控器件的被控制部位上，控制器中的非接触激光测振计3-1采集被控器件的振动信号，非接触温度传感器3-2采集作动器1的温度信号，非接触激光测振计3-1的输出端和非接触温度传感器3-2的输出端分别连接到处理器3-3的两个输入端上，处理器3-3的输出端连接触发光源2的输入端，一个触发光源2对应一个光电动作器1，触发光源2光束的光斑均匀照射覆盖在光电动作器1的受光面上。

本发明的工作过程是首先确定被控柔性结构的静态变形要求或动态振动特性，根据控制要求确定出准确的激励位置，将基于铁电陶瓷材料制作的非接触光电作动器紧密粘贴于指定位置。其次，按照上文描述的用于柔性结构控制的非接触光电作动装置中非接触激光测振计3-1、非接触温度传感器3-2和处理器3-3构成非接触光电控制反馈系统。再次，通过特定波长和频率的高能光束均匀照射到分布式非接触光电作动器表面，由于其本体由具有光致伸缩作用的铁电陶瓷制成，所以在光能激励情况下其内部产生光电流，从而形成光电场，在非接触光电作动器的两个电极面间产生光生电压；在逆压电效应的作用下，贴片产生应变，从而得到控制力/力矩，实现对被控结构的激励和控制作用。

本发明相比现有技术的优点在于通过光源照射作为激励，不采用电磁信号，从激励源上避免了外界电磁场对被控结构及系统的干扰；采用极化铁电陶瓷贴片作为作动器，由于材料本身结构简单，没有复杂的机械结构，体积小，质量轻，从而为在特定条件下的使用提供了可能。概括来说采用高能光束驱动的光电作动器与传统的机电式作动器相比，具有非接触式激励、避免电磁扰动影响、实现轻质小尺寸等优点。本发明成果将有力地推动众多新的机电装置和结构系统的产生，在机电一体化领域，典型的应用包括高精密定位装置(例如激光、仪器和生物医学装置)、机器人和操作手、微机电系统和光学系统(例如实现太阳能帆板自动跟踪、自适应光学干涉仪纠正控制、光学微驱定位和光学开关)；在结构电子学领域，潜在的应用包括主动振动控制(阻尼和频率)、自适应形状和轮廓、主动变形镜面、主动约束阻尼层、噪音控制、结构健康监控和诊断等。

附图说明

图1是非接触光电作动器1的结构示意图；图2是具体实施方式四的结构示意图；图3是具体实施方式五的结构示意图；图4是本发明的装置结构示意图；图5是不同光照强度下的非接触光电作动器1温度-时间响应曲线图；图6是本发明用于悬臂梁结构振动时被控结构自由端在不同光照强度下的位移-时间响应曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的非接触光电作动器1由铁电陶瓷片1-1、上表面电极1-2和下表面电极1-3组成；铁电陶瓷片1-1为矩形片，铁电陶瓷片1-1采用具有光致伸缩作用的镧改性锆钛酸铅(PLZT)，在铁电陶瓷片1-1与其极化方向垂直的两个端面上分别镀有上表面电极1-2和下表面电极1-3，镧改性锆钛酸铅(PLZT)与其他铁电陶瓷一样，在前呈极化前是各向同性的，而且不管是处于顺电相、铁电相或反铁电相，在宏观上都十分均匀，极化以后其中绝大部分转变为各向异性；上表面电极1-2和下表面电极1-3用于确定极化铁电陶瓷片1-1的极化方向和用于测量内部电压设定光照参数的作用；镧改性锆钛酸铅(PLZT)铁电陶瓷具有反常的光生伏打效应，即均匀的铁电晶体受到特定波长的光均匀辐照时，晶体两端将产生相当高的光生伏打电压，同时，镧改性锆钛酸铅(PLZT)铁电陶瓷又是良好的压电陶瓷，当光生伏打效应和逆压电效应共同作用时，会产生光致伸缩效应，即以特定波长光均匀辐照铁电体表面，该材料在极化方向上产生应力/形变。镧改性锆钛酸铅(PLZT)材料的光致电压、伸缩量与光强度的关系为：

$S\left(t\right)=d_{3i}[E_1\left(t\right)+E_{\mathrm{\θ}}\left(t\right)]-\frac{\mathrm{\λ\θ}}{Y_a}i=\mathrm{1,2,3}$

S(t)为作动器1的应变量，d_3i为压电应变常数，E(t)为电场强度，λ为热应力常数，θ为某时刻的温度值，Y_a为作动器1的杨氏模量。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的铁电陶瓷片1-1的极化方向是与矩形片的纵向方向平行，侧表面为受光面。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于铁电陶瓷片1-1由第一铁电陶瓷片1-1-1和第二铁电陶瓷片1-1-2组成；第一铁电陶瓷片1-1-1的一个侧表面与第二铁电陶瓷片1-1-2的一个侧表面采用不导光和热的胶粘接，第一铁电陶瓷片1-1-1的另一个侧表面与第二铁电陶瓷片1-1-2的另一个侧表面为受光面，第一铁电陶瓷片1-1-1与第二铁电陶瓷片1-1-2的极化方向相反，与第一铁电陶瓷片1-1-1和第二铁电陶瓷片1-1-2的极化方向相垂直的上截面共用一个上表面电极1-2，与第一铁电陶瓷片1-1-1和第二铁电陶瓷片1-1-2的极化方向相垂直的下截面共用一个下表面电极1-3。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。当用触发光源2照射第一铁电陶瓷片1-1-1时，将会在该层陶瓷片内产生与极化方向相反的光电流，从而在上表面电极1-2和下表面电极1-3之间产生光电压，使铁电陶瓷片1-1-1在逆压电效应的作用下伸长；同时，第二铁电陶瓷片1-1-2在逆压电效应的作用下缩短增大了控制的效果。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的铁电陶瓷片1-1的极化方向为矩形片的厚度方向平行，铁电陶瓷片1-1的上表面电极1-2和下表面电极1-3采用透明的导电材料制成，透明的导电材料有铟锡氧化物(-Indium Tin Oxide)或铟锌氧化物(-Indium Zinc Oxide)，受光面是与铁电陶瓷片1-1的极化方向相垂直的端面，其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式结构的光电作动器具有较高的响应频率(可以超过100Hz)，尤其适用于柔性结构低频主模态的振动控制。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式是使用非接触光电作动器控制柔性结构的作动装置由非接触光电作动器1、触发光源2和控制器组成；控制器由非接触激光测振计3-1、非接触温度传感器3-2和处理器3-3组成；至少有一个非接触光电作动器1贴附于被控器件的被控制部位上，控制器中的非接触激光测振计3-1采集被控器件的振动信号，非接触温度传感器3-2采集非接触光电作动器1的温度信号，非接触激光测振计3-1的输出端和非接触温度传感器3-2的输出端分别连接到处理器3-3的两个输入端上，处理器3-3的输出端连接触发光源2的输入端，一个触发光源2对应一个非接触光电作动器1，触发光源2光束的光斑均匀照射覆盖在非接触光电作动器1的受光面上。非接触激光测振计3-1的型号为BK Laser Doppler Vibrometer 8338，非接触温度传感器3-2的型号为Fluke576红外温度传感器，处理器3-3的型号为基于dSPACE DS1005组件开发的智能控制系统，具体包括A/D、D\A转换，模态速度滤波器及控制算法等多个功能模块。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同点在于触发光源2为紫外光光源；紫外光光源光束的波长为300～400nm。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点在于紫外光光源为紫外激光器，紫外激光器提供波长为355nm的连续或高频脉冲光束；其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同点在于紫外光光源为高压紫外光源，高压紫外光源提供波长为300～400nm具有全谱能量成分的准静态紫外光线，其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同点在于高压紫外光源波长为355～375nm，含有能量50％；其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六不同点在于紫外光光源为紫外发光二极管电光源，紫外发光二极管电光源提供波长为365nm的连续高能纯紫外光束。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

Claims (10)

1.一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器，其特征在于非接触光电作动器(1)由铁电陶瓷片(1-1)、上表面电极(1-2)和下表面电极(1-3)组成；铁电陶瓷片(1-1)为矩形片，在铁电陶瓷片(1-1)与其极化方向垂直的两个端面上分别镀有上表面电极(1-2)和下表面电极(1-3)。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器，其特征在于铁电陶瓷片(1-1)的极化方向是与矩形片的纵向方向平行，侧表面为受光面。

3.根据权利要求1所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器，其特征在于铁电陶瓷片(1-1)由第一铁电陶瓷片(1-1-1)和第二铁电陶瓷片(1-1-2)组成；第一铁电陶瓷片(1-1-1)的一个侧表面与第二铁电陶瓷片(1-1-2)的一个侧表面采用不导光和热的胶粘接，第一铁电陶瓷片(1-1-1)的另一个侧表面与第二铁电陶瓷片(1-1-2)的另一个侧表面为受光面，第一铁电陶瓷片(1-1-1)与第二铁电陶瓷片(1-1-2)的极化方向相反，与第一铁电陶瓷片(1-1-1)和第二铁电陶瓷片(1-1-2)的极化方向相垂直的上截面共用一个上表面电极(1-2)，与第一铁电陶瓷片(1-1-1)和第二铁电陶瓷片(1-1-2)的极化方向相垂直的下截面共用一个下表面电极(1-3)。

4.根据权利要求1所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器，其特征在于铁电陶瓷片(1-1)的极化方向为矩形片的厚度方向平行，铁电陶瓷片(1-1)的上表面电极(1-2)和下表面电极(1-3)采用透明的导电材料制成，受光面是与铁电陶瓷体(1-1)的极化方向相垂直的端面。

5.根据权利要求2、3或4所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动器，其特征在于铁电陶瓷片(1-1)采用镧改性锆钛酸铅。

6.一种用于柔性结构控制的非接触光电作动装置，其特征在于它由非接触光电作动器(1)、触发光源(2)和控制器组成；控制器由非接触激光测振计(3-1)、非接触温度传感器(3-2)和处理器(3-3)组成；至少有一个非接触光电作动器(1)贴附于被控器件的被控制部位上，控制器中的非接触激光测振计(3-1)采集被控器件的振动信号，非接触温度传感器(3-2)采集非接触光电作动器(1)的温度信号，非接触激光测振计(3-1)的输出端和非接触温度传感器(3-2)的输出端分别连接到处理器(3-3)的两个输入端上，处理器(3-3)的输出端连接触发光源(2)的输入端，一个触发光源(2)对应一个非接触光电作动器(1)，触发光源(2)光束的光斑均匀照射覆盖在非接触光电作动器(1)的受光面上。

7.根据权利要求6所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动装置，其特征在于触发光源(2)为紫外光光源；紫外光光源光束的波长为300～400nm。

8.根据权利要求7所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动装置，其特征在于紫外光光源为紫外激光器，紫外激光器提供波长为355nm的连续或高频脉冲光束。

9.根据权利要求7所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动装置，其特征在于紫外光光源为高压紫外光源，高压紫外光源提供波长为355～375nm具有全谱能量成分的准静态紫外光线。

10.根据权利要求7所述的一种用于柔性结构控制的非接触光电作动装置，其特征在于紫外光光源为紫外发光二极管电光源，紫外发光二极管电光源提供波长为365nm的连续高能纯紫外光束。

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