CN105423885A - 内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置及检测方法，涉及位移测量领域，解决现有对压电陶瓷运动过程中的应变片位移检测过程中，存在由于磁滞以及蠕变引起的压电陶瓷驱动器开环精度低的问题，包括安装压电陶瓷，调节激光干涉仪光路，控制高压电源使压电陶瓷在全行程下以固定步进量增量运动，采集位移检测电路的电压值和激光干涉仪的位移值，采用最小二乘法计算应变片的位移检测电路的测量位移值。本发明实现了微处理器平台的内置应变片式的压电陶瓷在全行程下的位移检测，测量位移分辨率可达5nm。本发明具有简便、自动化程度高的特点。本发明亦可应用于应变测量的其他领域，如温度、压力测量等。

Description

内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及位移测量技术领域，具体涉及一种内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置及检测方法。
背景技术
压电陶瓷材料具有高分辨率、高响应频率、大推力等优点，被广泛的应用于航空航天、半导体、生物工程、精密检测及精密加工等领域。但同时由于压电陶瓷具有磁滞和蠕变等特性使其无法以开环形式应用于精密位移控制领域以及各种超精密平台中。工程中可将应变片(SGS)集成于压电陶瓷之中，构成半闭环系统以减小磁滞和蠕变的影响。根据逆压电效应，压电陶瓷在直流激励作用下产生伸缩变化。将应变片以悬臂梁的结构安装至压电陶瓷，则可以应力变化的形式检测出压电陶瓷的伸缩变化，从而达到测量的目的。但应变片检测到的是应力变化，如何将应力变化转换为压电陶瓷对应的位移变化量以及如何使测量的位移量具有高分辨率成为位移检测技术中的难点。
发明内容
本发明为解决现有对压电陶瓷运动过程中的应变片位移检测过程中，存在由于磁滞以及蠕变引起的压电陶瓷驱动器开环精度低的问题，提供一种内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置及检测方法。
内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，包括微位移运动平台、高压电源、激光测长干涉仪和隔振平台，还包括位移检测电路，所述微位移运动平台安装在隔振平台上，内置应变片式压电陶瓷安装在微位移运动平台上，所述激光测长干涉仪角镜安装于微位移运动平台上，高压电源向内置应变片式压电陶瓷输出电压，所述内置应变片式压电陶瓷驱动微位移运动平台竖直运动，所述位移检测电路与激光测长干涉仪同时测量内置应变片式压电陶瓷，计算得到应变片的位移值；
所述位移检测电路包括应变片供电电源模块，微弱差分信号放大电路模块，信号调理与滤波模块，模数转换模块以及微处理器模块，应变片供电电源模块为应变片供电，所述应变片在压电陶瓷激励下产生的应变量依次经由微弱差分信号放大电路模块、信号调理与滤波模块、模数转换模块以及微处理器模块后，获得数字化的电压值。
内置应变片式压电陶瓷的位移检测方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、将内置应变片式压电陶瓷安装在微位移运动平台上，并校准激光测长干涉仪；
步骤二、控制高压电源输出不同的电压使内置应变片式压电陶瓷在全位移行程下以固定的步进量单向运动，运动至指定位置时，依次采集所述输出不同电压时位移检测电路电压值与激光测长干涉仪位移值；
步骤三、将步骤二中获得的位移检测电路检测的电压值作为输入，激光测长干涉仪测量的位移值作为输出，采用最小二乘法，获得应变片测量位移值。
本发明的有益效果：本发明采用位移检测方法借助位移检测电路实现了内置应变片式的压电陶瓷在全行程下的位移检测，测量位移分辨率可达5nm。本发明中的位移检测电路具有结构简单，灵活性强，精度高，成本低等特点；本发明中的位移测试方法具有检测装置少，安装容易的特点，同时操作流程可通过软件实现，具有简便、自动化程度高的特点。本发明亦可应用于应变测量的其他领域(如温度、压力测量等)。
附图说明
图1为本发明所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置中位移检测电路组成示意图；
图2为本发明所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置结构示意图；
图3为本发明所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，包括微位移运动平台、高压电源7、激光测长干涉仪8和隔振平台5，还包括位移检测电路6，所述微位移运动平台安装在隔振平台5上，内置应变片式压电陶瓷3安装在微位移运动平台上，所述激光测长干涉仪角镜1安装于微位移运动平台上，高压电源7向内置应变片式压电陶瓷3输出电压，所述内置应变片式压电陶瓷3驱动微位移运动平台竖直运动，所述位移检测电路6与激光测长干涉仪8同时测量内置应变片式压电陶瓷3，计算得到应变片的位移值；
所述位移检测电路6，包括应变片供电电源模块，微弱差分信号放大电路模块，信号调理滤波模块，模数转换模块以及微处理器模块。应变片在供电电源模块激励下产生的应变量，依次经由微弱差分信号放大电路模块、信号调理滤波模块、模数转换模块以及微处理器模块后，得到数字化的电压值。
本实施方式中所述的位移检测电路6中应变片供电电源模块的输出是10V直流电压，采用电压基准芯片和同相比例放大器实现。其中电压基准芯片敷铜设计，同相比例放大器中电阻采用低温度系数的金属膜电阻。
本实施方式所述的应变片供电电源模块采用Maxim公司的电压基准芯片MAX6250和AnalogDevice公司的运算放大器AD8675搭建同相比例放大器组成，MAX6250的输出为5V，采用AD8675作为二级输入，将输入电压变换为10V，同时降低电压源部分的输出阻抗，电压基准芯片敷铜设计，同相比例放大器中电阻采用低温度系数的金属膜电阻；
本实施方式所述的位移检测电路6中微弱差分信号放大电路采用仪表放大器设计实现。其中放大倍数通过增益电阻设置为330倍，增益电阻采用1‰精度的柱状贴片薄膜电阻器。增益偏移调节通过调节电阻器实现，并增加退耦电容。
微弱差分信号放大电路模块采用AnalogDevice公司的仪表放大器AD8221，其中增益电阻选取1‰精度的柱状贴片薄膜电阻器，其阻值为150欧，设计的差分电压放大倍数为330倍，同时通过调节电阻器调节增益偏移；
所述的位移检测电路6中信号调理与滤波模块通过同相衰减电路将输出电压范围设定为0～10V。滤波器采用6阶巴特沃斯低通滤波器实现，其中截止频率为200Hz，1200Hz的滚降为-60dB。
所述的信号调理与滤波模块均采用AnalogDevice公司运算放大器AD8676，通过同相衰减电路将输出电压范围设定为0～10V，设计6阶巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为200Hz，1200Hz的滚降为-60dB；模数转换模块芯片采用AnalogDevice公司模数转换芯片AD7190；微处理器模块采用TexasInstrument公司TMS320F2812型号DSP处理器。
本实施方式所述的高压电源7的电压输出电压范围为0～100V；微位移运动平台实现等比位移输出且位移分辨率小于10nm；激光测长干涉仪选用RenishawXL80，其位移分辨率小于2nm。
本实施方式中所述的微位移运动平台由调节平台2和基座4组成。所述基座安装在隔振平台上，将内置应变片式压电陶瓷3安装在基座4上，固定调节平台2，并将激光干涉仪角镜1安装于调节平台2上。
具体实施方式二、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置的检测方法，该方法由以下步骤实现：
步骤a、安装压电陶瓷于微位移平台，首先将激光干涉仪角镜1安装于调节平台2之上，并将运动平台与内置应变片式压电陶瓷陶瓷3固连，最后安装于安装基座4。安装过程中保证激光干涉仪测量轴线(激光干涉仪角镜安装位置)与压电陶瓷的运动方向重合，从而在原理上消除测量阿贝误差带来的影响。
步骤b、校准激光测长干涉仪8，调节激光测长干涉仪8的测量光路减小测量误差。其中影响测量精度的最重要的误差为余弦误差，本发明中采用基于平面镜的自动反射法减小余弦误差。
步骤c、控制高压电源输出电压为0V，使压电陶瓷运动至初值位置；
步骤d、判断压电陶瓷是否运动至终止位置，如果否，执行步骤e，如果是，执行步骤f；
步骤e、采集位移检测电路6电压值与激光测长干涉仪8位移值，并控制高压电源7的输出电压使内置应变片式压电陶瓷3在全位移行程下以固定的步进量单向运动，返回执行步骤d；
步骤f、采集位移检测电路6电压值与激光测长干涉仪8位移值，并以位移检测电路输出电压值为输入，激光测长干涉仪的位移测量值为输出，利用最小二乘法计算得到应变片测量位移值。
本实施方式所述的高压电源7的电压输出电压范围为0～100V。
本实施方式中利用最小二乘拟合方法，可以将有限的激光测长干涉仪8测试位移值和位移检测电路6的电压值进行拟合，得到压电陶瓷全行程下位移检测电路输出的位移值。
设位移检测电路6的输出电压值为xi＝x1,x2,…,xn-1,xm，激光测长干涉仪8对应的位移测量值为yi＝y1,y2,…,yn-1,ym
用多项式表示xy之间的关系，本实施方式中使用四阶多项式，n＝4。多项式的系数为a0,a1,…,an-1,an。表达式如下：
y＝a0+a1x+…+an-1xn-1+anxn
由最小二乘法确定系数a0,a1,…,,an-1,an，要求观测值yi的偏差的加权平方和为最小，则有
根据最小二乘法，则有XA＝Y，从而A＝X-1Y。
则压电陶瓷全行程下任意点位移检测电路测试的电压值V对应的位移值D为
D＝A·V＝a0+a1V+a2V2+a3V3+a4V4
本实施方式中校准激光测长干涉仪的过程为：将平面反射镜加入到激光干涉仪光路中，调整激光干涉仪，使反射光线与入射光线重合以保证干涉仪入射光线垂直平面反射镜，从而减小光路中的余弦误差，最后将平面反射镜移出激光干涉仪光路，实现激光干涉仪光路的调节。

Claims (10)

1.内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，包括微位移运动平台、高压电源(7)、激光测长干涉仪(8)和隔振平台(5)，其特征是，还包括位移检测电路(6)，所述微位移运动平台安装在隔振平台(5)上，内置应变片式压电陶瓷(3)安装在微位移运动平台上，所述激光测长干涉仪角镜(1)安装于微位移运动平台上，高压电源(7)向内置应变片式压电陶瓷(3)输出电压，所述内置应变片式压电陶瓷(3)驱动微位移运动平台竖直运动，所述位移检测电路(6)与激光测长干涉仪(8)同时测量内置应变片式压电陶瓷(3)，计算得到应变片的位移值；
所述位移检测电路(6)包括应变片供电电源模块，微弱差分信号放大电路模块，信号调理与滤波模块，模数转换模块以及微处理器模块，应变片供电电源模块为应变片供电，所述应变片在压电陶瓷激励下产生的应变量依次经由微弱差分信号放大电路模块、信号调理与滤波模块、模数转换模块以及微处理器模块后，获得数字化的电压值。
2.根据权利要求1所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，其特征在于，所述应变片供电电源模块输出10V直流电压，所述应变片供电电源模块采用电压基准芯片和同相比例放大器实现。
3.根据权利要求1所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，其特征在于，所述微弱差分信号放大电路采用仪表放大器，所述仪表放大器的放大倍数通过增益电阻设置为330倍。
4.根据权利要求3所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，其特征在于，所述增益电阻采用1‰精度的柱状贴片薄膜电阻器，增益电阻的增益偏移调节通过调节电阻器实现。
5.根据权利要求1所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，其特征在于，所述信号调理与滤波模块通过同相衰减电路将输出电压范围设定为0～10V，滤波器采用六阶巴特沃斯低通滤波器实现，其中截止频率为200Hz，1200Hz的滚降为-60dB。
6.根据权利要求1至5所述的任意一项权利要求所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置的检测方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、将内置应变片式压电陶瓷(3)安装在微位移运动平台上，并校准激光测长干涉仪；
步骤二、控制高压电源(7)输出不同的电压使内置应变片式压电陶瓷在全位移行程下以固定的步进量单向运动，运动至指定位置时，依次采集所述输出不同电压时位移检测电路(6)检测的电压值与激光测长干涉仪(8)测量的位移值；
步骤三、将步骤二中获得的位移检测电路(6)检测的电压值作为输入，激光测长干涉仪(8)测量的位移值作为输出，采用最小二乘法，获得应变片测量位移值。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述高压电源(7)的电压输出范围为0～100V。
8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述微位移运动平台实现等比位移输出且位移分辨率小于10nm。
9.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述激光测长干涉仪(8)的位移分辨率小于2nm。
10.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，步骤一中校准激光测长干涉仪的过程为：将平面反射镜加入到激光干涉仪光路中，调整激光干涉仪，使反射光线与入射光线重合以保证干涉仪入射光线垂直平面反射镜，最后将平面反射镜移出激光干涉仪光路，实现激光干涉仪光路的调节。
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