CN104614196B - 压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置，可用于压电陶瓷叠堆执行器刚度测量。装置包括基座、弹性框架（含预紧机构）和位移传感器。位移传感器固定在基座上，使其测头获取弹性框架顶端在被测压电陶瓷叠堆执行器作用下的位移；或是由直接粘贴在弹性框架柔性铰上的应变片传感并解算出弹性框架顶端的位移。弹性框架采用柔性铰链构成的框架结构，使用时通过预紧机构将压电陶瓷叠堆执行器固定在弹性框架中，保证在压电陶瓷叠堆执行器的驱动下产生准确的单自由度平移运动。本发明具有结构紧凑、易于制造和安装的优点，提高了本发明的适用广度。

Description

压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置。

背景技术

压电陶瓷叠堆执行器是一种基于压电陶瓷材料的微位移执行机构，利用了压电材料的逆压电效应，能够在电压作用下产生比例的位移和力输出，具有体积小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、频响快等优点。目前广泛应用于扫描探针显微镜、自适应/主动光学元件、纳米定位、振动控制、声学、声纳、微流体输送等诸多领域。

由于压电陶瓷叠堆执行器同时具有位移和力特性，为了准确计算其输出随负载的变化，必须能够准确对压电陶瓷叠堆执行器的刚度进行测量。现有刚度测量方法主要通过对被测弹性元件进行外力加载，测量引起的变形量，并根据力和变形量的比值解算弹性元件的刚度。由于压电陶瓷叠堆执行器的刚度高（约为30 N/um-100 N/um）、输出位移小（一般小于50 um），采用该方法设计的压电陶瓷叠堆执行器的刚度测量系统体积大、成本高、结构复杂，其应用存在较大的局限性。

因此，设计一种结构紧凑、易于制造和安装、能够准确测量压电陶瓷叠堆执行器刚度的测量装置具有重要的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单轴压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置，使其能测量压电陶瓷叠堆执行器的刚度特性，同时减少整个测试装置大小，易于加工和装配，提高其适用广度，并且能够保证压电陶瓷叠堆执行器位移和力的精确测量。

本发明的技术方案如下：

本发明中所述压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置，包括基座、弹性框架和位移传感器。弹性框架安装在基座上；被测压电陶瓷叠堆执行器固定在弹性框架内，位移传感器设置于能感知弹性框架位移的位置，位于基座上或弹性框架上，被测压电陶瓷叠堆执行器的力和位移的输出方向与弹性框架顶部的运动方向一致，在驱动电压作用下可以推动弹性框架的顶端上下运动，弹性框架顶端位移的通过位移传感器进行测量，根据其刚度和位移量即可计算出压电陶瓷叠堆执行器的刚度。

所述弹性框架为一具有预紧机构并内设空腔的弹性圈，包括与压电陶瓷叠堆执行器下端紧密贴合的底端、沿垂直方向可弹性伸缩的两侧臂，以及设有预紧机构的顶端。预紧机构下端与压电陶瓷叠堆执行器上端面紧密贴合，其上部与弹性框架顶端沿垂直方向紧密贴合。

所述预紧机构包括导向支撑部和锁紧部，导向支撑部的下端与压电陶瓷叠堆执行器上端紧密贴合，导向支撑部的上部位于弹性框架顶端的导向通孔内，通过锁紧部施加的锁紧力与弹性框架顶端固定。

所述弹性框架的侧臂上设计有柔性铰，当顶端受到垂直方向作用力时，通过柔性铰的变形使得侧臂能够产生沿垂直方向的弹性伸缩。

所述弹性框架的侧臂是由多段柔性梁连接而成，当顶端受到垂直方向作用力时，通过柔性梁的变形使得侧臂能够产生沿垂直方向的弹性伸缩。

弹性框架的结构形式可以多样，只需要保证其刚度接近被测压电陶瓷叠堆执行器，能够提供沿压电陶瓷叠堆执行器力和位移输出方向较好的导向性即可。

位移传感器可以采用接触式和非接触式传感器，采用接触式传感器时，可以将位移传感器固定在基座上，使其敏感轴向与弹性框架顶部的运动方向一致，其测头与弹性框架的顶部在预紧力的作用下紧密接触。

采用非接触式传感器也有多种选择，例如采用激光测振仪，亦可以通过在侧臂的柔性梁粘贴应变片实现。

本发明具有下述优点：

1. 本装置能够在压电陶瓷叠堆执行器的驱动下产生准确的单自由度平移运动，保证压电陶瓷叠堆执行器位移和力的精确测量。

2．本装置无需外部力加载机构，体积小、结构简单且易加工和安装，提高了本发明的适用广度。

3. 采用柔性机构构成弹性框架，整体性好、易于准确设计其刚度，能够保证压电陶瓷叠堆执行器单轴运动位移和力的高精度测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明中压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置的一种实施例的立体示意图；

图2为本发明中弹性框架的一种实施例的主视图；

图3为本发明中弹性框架的另一种实施例的主视图；

图4为本发明中压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置的另一种实施例的立体示意图；

图5为本发明中弹性框架的另一种实施例的立体示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图具体说明本发明的结构：

如图1所示，压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置由位移传感器1、基座2、弹性框架3组成。基座2是一个类似矩形的框，位移传感器1安装在基座2顶部，弹性框架3安装在基座2内，使得其位移传感器1的测头与弹性框架3的顶端紧密贴合，并由锁紧螺钉通过锁紧螺孔7固定。弹性框架3底端固定在基座2上，其顶端中心设计有具有导向精度的导向通孔，与光轴5配合构成导向支撑部。导向通孔的上方设计有一直径略大的同轴螺孔，预紧螺钉可以轴向顶住导向通孔中的光轴实现预紧，由于压电陶瓷叠堆执行器4安装时必须预紧，也就是把压电陶瓷叠堆执行器紧紧的压在弹性框架中，为了保证预紧力是垂直向下且均匀，所以使用了具有导向性的光轴5。螺钉与锁紧螺孔6构成预紧机构，即通过锁紧螺钉径向顶住光轴，实现对光轴的锁紧。

使用时，压电陶瓷叠堆执行器4固定在弹性框架3底端，通过预紧螺钉作用使得光轴5的下端与压电陶瓷叠堆执行器4的上端紧密贴合，产生向下的预紧力，并由锁紧螺钉通过锁紧螺孔6将光轴5与弹性框架3固定，使得压电陶瓷叠堆执行器4的上端与弹性框架3的顶端刚性连接。

弹性框架3可以采用各种形式，如图2所示，弹性框架3为一具有预紧机构并内设空腔的弹性圈，包括设计有固定孔的底端11，用于固定压电陶瓷叠堆执行器4，还包括沿垂直方向可弹性伸缩的两侧臂10，以及设有预紧机构的顶端8。侧臂10上设计有8段柔性铰9，当顶端8受到垂直方向作用力时，通过柔性铰9的变形使得侧臂10能够产生沿垂直方向的弹性伸缩。

弹性框架3还可以是如图3所示的结构，侧臂10包括4段柔性梁12，当顶端8受到垂直方向作用力时，通过柔性梁12的变形使得侧臂10能够产生沿垂直方向的弹性伸缩。

采用图3的弹性框架3结构，就可以采用非接触式位移传感器，如图4所示，通过在弹性框架3的侧臂10的柔性梁12上粘贴应变片13，就可以间接实现弹性框架顶端的位移测量，从而无需使用传统的位移传感器。这样，基座2也就无需做成矩形框形式，结构更简单。

弹性框架3中的锁紧部可以采用其他形式，如图5所示，通过在顶端8沿水平方向切出两槽，沿垂直方向切出一段，并从侧面挖出锁紧孔14构成锁紧部。

以上对本发明的原理及方法进行了阐述，结合具体个例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应被理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置，包括基座、弹性框架和位移传感器，其特征在于：弹性框架安装在基座上；被测压电陶瓷叠堆执行器固定在弹性框架内，位移传感器设置于能感知弹性框架位移的位置，位于基座上或弹性框架上，被测压电陶瓷叠堆执行器的力和位移的输出方向与弹性框架顶部的运动方向一致；

所述弹性框架为一具有预紧机构并内设空腔的弹性圈，包括与压电陶瓷叠堆执行器下端紧密贴合的底端、沿垂直方向可弹性伸缩的两侧臂，以及设有预紧机构的顶端；预紧机构下端与压电陶瓷叠堆执行器上端面紧密贴合，其上部与弹性框架顶端沿垂直方向紧密贴合；

弹性框架的顶端是T形结构，其中心竖直部伸进弹性圈内，且预紧机构设置于该中心竖直部内；

所述预紧机构包括预紧螺钉、导向支撑部和锁紧部，导向支撑部的下端与压电陶瓷叠堆执行器上端紧密贴合，导向支撑部的上部通过锁紧部施加的锁紧力与弹性框架顶端固定；

所述导向支撑部包括光轴和设置在弹性框架的中心竖直部内的导向通孔，光轴的上部位于导向通孔内，下端与压电陶瓷叠堆执行器上端紧密贴合，导向通孔的上方有一直径略大的同轴螺孔，预紧螺钉轴向顶住导向通孔中的光轴实现对压电陶瓷叠堆执行器的预紧，光轴通过锁紧部施加的锁紧力与弹性框架顶端固定；

弹性框架的两侧臂左右对称，每个侧臂均中部加粗，弹性框架的侧臂上设计有柔性铰，当顶端受到垂直方向作用力时，通过柔性铰的变形使得侧臂能够产生沿垂直方向的弹性伸缩；或者，弹性框架的侧臂由多段柔性梁连接而成，当顶端受到垂直方向作用力时，通过柔性梁的变形使得侧臂能够产生沿垂直方向的弹性伸缩。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置，其特征在于：所述位移传感器固定在基座上，其敏感轴向与弹性框架顶部的运动方向一致。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置，其特征在于：所述位移传感器为接触式传感器，其测头与弹性框架的顶部在预紧力的作用下紧密接触。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置，其特征在于：所述位移传感器由粘贴在弹性框架侧臂的柔性梁的应变片实现。