CN112509632B - 用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置 - Google Patents

用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，包括：底玻璃板、顶玻璃板、设置在底玻璃板和顶玻璃板之间的多级压电陶瓷纳米定位器、以及与多级压电陶瓷纳米定位器中的各级所述压电陶瓷纳米定位器并联的直流调压器；本发明完全满足高压釜内部可利用空间狭小的需求；控制精度高，垂向位移在0～10μm范围内连续调整；调节精度±20nm；应用简单，易于操控。

Description

用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置
技术领域
本发明涉及微观可视化实验领域，具体涉及一种用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置。
背景技术
微观可视化实验是油藏开发实验技术中的一个关键项目。利用玻璃可视模型的透明特点，可以观察到刻蚀孔道内流体的流动现象，为科学分析奠定基础。
微观可视化水平向微小孔隙和高压高温方向发展，同时也对观察技术提出挑战。现有技术在观察微米级孔隙结构时遇到了难以突破的问题：如何精细调整焦距，使微米级孔隙成像清晰？调整方法受到观察空间的限制。
为实现高压条件下微米级结构的观察，微观实验的高压釜内有效空间非常狭小，且包含了玻璃模型、载物台、调控平台以及流体/电信号器件等，如图1所示。由于光线空间不能遮挡，因而可利用空间进一步缩小。玻璃模型放置在载物台上，并由调整平台调整其三维移动，垂直Z方向主要是成像聚焦微量移动。对于微米级物体，精细的调焦距离在范围内0～100μm。现有技术主要有两种，一种是机械式精细调距方式，其可控精度满足100μm以上的要求，调整平台尺寸可控制在10cm×10cm范围内，能安装在高压釜空间内。若提高其机械控制精度，调整平台的尺寸将大幅增加，超出了可利用空间。另一种是纳米级压电陶瓷精细调距方式，其可控精度可满足nm级要求，但是其成品平台体积较大在5cm×5cm×2cm，控制器及线路较为繁琐。两种典型产品见附图1，平台必须放置在调整平台上使用，受到空间限制。又因为其整体为实体，阻挡了光线的通过，不满足玻璃模型的观察条件。。
综上所述，现有技术中存在以下问题：微观可视化实验中，受限于高压釜内部的狭小空间，玻璃模型的调整不方便。
发明内容
本发明提供用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，以解决微观可视化实验中，受限于高压釜内部的狭小空间，玻璃模型的调整不方便的问题。
为此，本发明提出一种用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，所述用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置包括：
底玻璃板、顶玻璃板、设置在底玻璃板和顶玻璃板之间的多级压电陶瓷纳米定位器、以及与多级压电陶瓷纳米定位器中的各级所述压电陶瓷纳米定位器电连接而且并联的直流调压器；
底玻璃板和顶玻璃板的厚度均为1mm并相互平行；
各级所述压电陶瓷纳米定位器为长×宽×高为：1.5mm×1.5mm×5mm的压电陶瓷件，在90V电压下，最大位移量为3.7μm；
所述直流调压器输入电压为交流220V，最高输出电压为100V；
各级所述压电陶瓷纳米定位器中，至少有一级压电陶瓷纳米定位器粘接在底玻璃板的上方，至少有另外一级压电陶瓷纳米定位器粘接在顶玻璃板的下方；
各级所述压电陶瓷纳米定位器在竖直方向上错开设置。
进一步地，
所述多级压电陶瓷纳米定位器为三级压电陶瓷纳米定位器，
三级压电陶瓷纳米定位器包括：第一级压电陶瓷纳米定位器、第二级压电陶瓷纳米定位器和第三级压电陶瓷纳米定位器，
所述用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置还包括：位于底玻璃板和顶玻璃板之间的第一级框架和第二级框架，第二级框架的结构与第一级框架的结构相同并均为铝或铝合金制成；
第一级框架包括：两个对称设置的L型台阶、以及连接在两个对称设置的L型台阶之间的平台；L型台阶分为相互连接的水平部和竖直部，其中平台连接在两个L型台阶的竖直部之间，各所述水平部均与平台平行并位于平台之下，并且均向平台之外延伸，第二级框架位于第一级框架的上方并且与第一级框架平行；
第一级压电陶瓷纳米定位器的底部粘接在底玻璃板上，第一级压电陶瓷纳米定位器的顶部支撑在第一级框架的平台的下方；
第二级压电陶瓷纳米定位器的顶部粘接在顶玻璃板上，第二级压电陶瓷纳米定位器的底部支撑在第二级框架的L型台阶的水平部之上；
第三级压电陶瓷纳米定位器的顶部粘接在第二级框架的平台的下方，第三级压电陶瓷纳米定位器的底部支撑在第一级框架的L型台阶的水平部之上。
进一步地，
所述多级压电陶瓷纳米定位器为二级压电陶瓷纳米定位器，
二级压电陶瓷纳米定位器包括：第一级压电陶瓷纳米定位器和第二级压电陶瓷纳米定位器；
所述用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置还包括：位于底玻璃板和顶玻璃板之间的第一级框架；
第一级框架包括：两个对称设置的L型台阶、以及连接在两个对称设置的L型台阶之间的平台；L型台阶分为相互连接的水平部和竖直部，其中平台连接在两个L型台阶的竖直部之间，各所述水平部均与平台平行并位于平台之下，并且均向平台之外延伸；第一级框架为铝或铝合金制成；
第一级压电陶瓷纳米定位器的底部粘接在底玻璃板上，第一级压电陶瓷纳米定位器的顶部支撑在第一级框架的平台的下方；
第二级压电陶瓷纳米定位器的顶部粘接在顶玻璃板上，第二级压电陶瓷纳米定位器的底部支撑在第一级框架的L型台阶的水平部之上。
进一步地，
第一级框架的L型台阶与第二级框架的L型台阶的尺寸相同，第一级框架的平台的长度小于第二级框架的平台的长度。
进一步地，
第二级压电陶瓷纳米定位器的高度大于第一级框架的L型台阶的竖直部的高度。
进一步地，
各级所述压电陶瓷纳米定位器的数目为四个，四个压电陶瓷纳米定位器分别位于矩形的四个角点。
进一步地，所述顶玻璃板上设有微观可视化实验用的玻璃模型，所述底玻璃板、顶玻璃板和玻璃模型均设置在高压釜内，所述底玻璃板设置在载物台上，所述载物台设有透光通孔，所述透光通孔与玻璃模型观察位置正对。
进一步地，所述载物台位于高压釜内所述直流调压器位于高压釜之外。
进一步地，所述微观可视化实验用的玻璃模型上方设有物镜，所述物镜从高压釜之外伸入到高压釜内。
进一步地，所述载物台通过丝扣设置在垂向导轨上并能沿垂向导轨上下移动，并且所述丝扣与步进电机连接，所述步进电机与调整钮连接，所述调整钮设置在高压釜之外，所述垂向导轨位于高压釜内。
进一步地，所述底玻璃板和顶玻璃板均为长方形。
本发明利用压电陶瓷的纳米/微米级调距能力，研发了适用于微观实验的微米位移垂向调整装置，突破现有技术的限制。本发明厚度不超过10mm，面积与玻璃模型相匹配，完全满足高压釜内部可利用空间狭小的需求；控制精度高，垂向位移在0～10μm范围内能够连续调整，调节精度±20nm；应用简单，易于操控。
附图说明
图1为现有技术的微观可视化实验的调整装置的结构示意图；
图2为本发明采用的单级微米位移垂向调整装置的主视方向的结构示意图；
图3为本发明采用的微单级微米位移垂向调整装置的俯视方向的结构示意图；其中，去除了直流调压器；
图4为本发明实施例的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置的结构示意图；
图5为本发明实施例的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置中，第一级框架和第一级压电陶瓷纳米定位器的俯视结构示意图；
图6为本发明实施例的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置中，第一级框架的主视方向的结构示意图；
图7为本发明的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置的工作原理图。
附图标号说明：
1、底玻璃板；2、压电陶瓷纳米定位器；21、第一级压电陶瓷纳米定位器；22、第二级压电陶瓷纳米定位器；23、第三级压电陶瓷纳米定位器；3、顶玻璃板；4、直流调压器；24、电线；51、第一级框架；510、平台；511、竖直部；512、水平部；515、L型台阶；52、第二级框架。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明。
1.方法原理
压电陶瓷在电压作用下，能在极化方向产生微量位移。利用这一原理制作微米位移垂向调整装置。
压电叠堆是由多层压电陶瓷片堆叠，相邻陶瓷片电路采用并联方式工作。在电学上并联具有低压驱动的特性，同时在力学上串联，输出的力和位移量是每个压电陶瓷片位移量的线性叠加。给压电叠堆输入驱动电压，经逆压电效应，将输入的电能转换，并以机械能的形式输出，在轴向方向产生位移。
压电叠堆在没有预紧力的作用下，只输出位移不输出力，在预紧力的施加下，同时输出位移和力。压电叠堆沿z方向(竖直方向)极化，则输出位移公式：
ΔL＝Ld33 E
式中，ΔL为输出位移，L为总长，d33为压电常数，是表征压电材料性能的最常用的重要参数之一，一般陶瓷的压电常数越高，压电性能越好。下标中：第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，整个下标“33”表示极化方向与测量时的施力方向相同。
输出力公式为：Fb＝k1·ΔL
式中，Fb为最大输出力，k1为刚度。
2.结构
本发明的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，也称适用于微观实验的微米位移垂向调整装置，以单级调控为例，如图2，图3所示，单级微米位移垂向调整装置包括玻璃板、微控位移器(压电陶瓷纳米定位器2)和直流调压器4。
(1)单级微米位移垂向调整装置的结构：
①微控位移器(也称压电陶瓷纳米定位器)
微控位移器(压电陶瓷纳米定位器2)即压电叠堆，采用压电叠堆的多层压电陶瓷片，根据微观实验的需求，采用了1.5mm×1.5mm×5mm的压电陶瓷件，在90V电压下，最大位移量为3.7μm，最大出力500N。微控位移器(压电陶瓷纳米定位器2)可以从市场上购得，例如，采用P-733.2XY压电陶瓷纳米定位器、P11系列纳米定位台。
②玻璃板
玻璃板包括：底玻璃板1和顶玻璃板3，玻璃板尺寸根据载物台及玻璃模型的具体尺寸设计，在矩形玻璃板的四角用UV胶分别粘接微控位移器，顶、底玻璃板粘接后形成一体。玻璃板厚度以1mm为宜，即整体厚度为7mm，既保证一定强度、也节省空间。
③直流调压器
直流调压器4输入电压为交流220V，最高输出电压为100V，为实验过程提供安全保障。直流调压器分为粗调和精调两档，便于快速和精确调控的实施。4个微控位移器的正、负极分别通过电线24与直流调压器4的正、负极连接即可。
由位移公式可知要获得更多的位移量，则应该增加压电叠堆的长度，受高压釜内空间限制，单一增加长度的方式无法实施，因而设计了多级，例如为2级，3级控制方式，既实现了总位移量的要求，也满足了装置整体外形尺寸符合空间要求。整体装置包括微控位移器、各级框架、玻璃板和直流调压器。
(2)多级微米位移垂向调整装置
①微控位移器
在3级控制装置(三级压电陶瓷纳米定位器)中，如图4、图5和图6所示，三级压电陶瓷纳米定位器包括：第一级压电陶瓷纳米定位器21、第二级压电陶瓷纳米定位器22和第三级压电陶瓷纳米定位器23，每级使用4个微控位移器(压电陶瓷纳米定位器2)，共12个，信号线(电线24)经集束后，统一并联后接入直流调压器。每级4个位移器分别粘接在各级框架四角。第1级4个位移器联合控制第1级框架所承载物的整体位移，类似的，第2、3级对应的位移器联合控制分别对应的框架所承载物的整体位移，则整体位移量为3级位移量的累加，整体出力为2000N。
多级压电陶瓷纳米定位器为二级压电陶瓷纳米定位器时，每级使用4个微控位移器(压电陶瓷纳米定位器2)，共8个，信号线经集束后，统一并联后接入直流调压器。与三级压电陶瓷纳米定位器不同的是，压电陶瓷纳米定位器和框架都少了一个，没有第三级压电陶瓷纳米定位器和第二级框架，第一级压电陶瓷纳米定位器的底部粘接在底玻璃板上，第一级压电陶瓷纳米定位器的顶部支撑在第一级框架的平台的下方；
第二级压电陶瓷纳米定位器的顶部粘接在顶玻璃板上，第二级压电陶瓷纳米定位器的底部支撑在第一级框架的L型台阶的水平部之上。使用二级压电陶瓷纳米定位器，可以减小位移垂向调整装置的整体厚度，可以得到比单级压电陶瓷纳米定位器更多的调整范围。
②各级框架
各级框架起支撑作用，由铝合金材质制成，这样重量较轻。因承载物质量不大于100g，因而框架厚度0.5mm即可满足要求。框架中空部分应不小于玻璃模型的图案面积。如图6所示，框架采用包括L型折弯(L型台阶)和平台的连接结构，水平部和平台为水平方向的，竖直部为竖直方向。各级框架结构相同，平台长度不同。例如：第一级框架包括：两个对称设置的L型台阶515、以及连接在两个对称设置的L型台阶之间的平台510；L型台阶分为相互连接的水平部512和竖直部511，其中平台510连接在两个L型台阶的竖直部511之间，各所述水平部512均与平台510平行并位于平台之下，并且均向平台之外延伸，第二级框架位于第一级框架的上方并且与第一级框架平行。
采用三级压电陶瓷纳米定位器时，框架采用第一级框架51和第二级框架52，采用二级压电陶瓷纳米定位器时，框架采用第一级框架51即可。
框架的上述结构避免了在同一平面上直接叠加压电陶瓷纳米定位器造成的每增加一级调整，就至少增加1个压电陶瓷纳米定位器的高度的问题，避免了单一增加长度形成的高度的受限的问题。单个压电陶瓷纳米定位器的高度比L型台阶的竖直部大0.5mm或1mm或1.5mm或2mm，多级压电陶瓷纳米定位器在竖直方向上位于不同的直线上，这样，形成多级压电陶瓷纳米定位器在竖直方向上的错开设置，避免了压电陶瓷纳米定位器高度的在直接叠加。相对于多级压电陶瓷纳米定位器在竖直方向上的直接叠加，每增加一级压电陶瓷纳米定位器，本发明的叠加方式能够减少厚度可达3mm、3.5mm、4mm或4.5mm。
每级4个位移器分别粘接在各级框架四角。
④玻璃板
玻璃板尺寸根据载物台及玻璃模型的具体尺寸设计。底玻璃板与第1级框架粘接；第2级框架与第1级框架上的4个位移器粘接；类似的，第3级框架与第2级框架上的4个位移器粘接；最后第3级框架上的4个位移器粘接顶玻璃板粘接。粘接方式为UV胶涂抹，粘接后形成一体，整体厚度为10mm，既保证了总位移量的要求、也节省了空间。若采用单级设计，则微控位移器(压电叠堆)长度不小于17mm。相对于采用直接叠加微控位移器(压电叠堆)的方式，本装置能大幅度减少整体厚度，便于在高压釜内试验。
(2)工作过程
以下调整微观实验中的玻璃模型成像焦距为例，以三级调整方式，即具有三级压电陶瓷纳米定位器的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，说明本发明的应用。
上述制作调整装置包含了4个微控位移器，即当位移为0时，整体出力达2000N，相当于可承重200g质量物体。通常用于微观实验的玻璃模型等放置于载物台上的装置总质量不大于100g，因而设计满足要求。
如图7所示，忽略微观实验的外围装置，以下仅介绍焦距调节过程：
①将3级位移装置整体放置在载物台上，上面放置玻璃模型，并使载物台透光通孔与玻璃模型观察位置对正。
②开启图像观察系统，通过精细调控的电机缓慢调整载物台位置，载物台沿垂向导轨垂向上、下移动，直至成像较为清晰。该配件的精度为100μm，由步进电机及精密丝扣控制。受步进电机步长及丝扣间距等影响，当物镜高于50倍时，最小间隔的图像仍显示出跳跃性，通常错过最清晰位置。物镜X100(100倍)，孔道直径2μm。
③启动微米位移垂向调整装置。缓慢粗调增加电压，在0～90V间调整，连续式输出的微米位移量在0～10μm范围。观察、判断图像最清晰状态，之后缓慢精调改变电压，使图像最清晰。
⑤进行相关的实验研究。
⑥实验结束后，将直流调压器恢复零位。之后进行实验整理工作。
本发明具有以下优点：
1.发明实现垂向位移在0～10μm范围内连续调整；
2.该装置整体厚度可以为8.5mm，9mm，不超过10mm，面积与玻璃模型相匹配，完全满足高压釜可利用空间狭小的需求；其最大出力可达2000N，完全满足玻璃模型所需的支持力。
3.该装置控制精度高，调节精度±20nm；
4.该装置应用简单，易于操控。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，所述用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置包括：
底玻璃板、顶玻璃板、设置在底玻璃板和顶玻璃板之间的多级压电陶瓷纳米定位器、以及与多级压电陶瓷纳米定位器中的各级所述压电陶瓷纳米定位器并联的直流调压器；
底玻璃板和顶玻璃板的厚度均为1mm并相互平行；
各级所述压电陶瓷纳米定位器为长×宽×高为：1.5mm×1.5mm×5mm的压电陶瓷件，在90V电压下，最大位移量为3.7μm；
所述直流调压器输入电压为交流220V，最高输出电压为100V；
各级所述压电陶瓷纳米定位器中，至少有一级压电陶瓷纳米定位器粘接在底玻璃板的上方，至少有另外一级压电陶瓷纳米定位器粘接在顶玻璃板的下方；
各级所述压电陶瓷纳米定位器在竖直方向上错开设置。
2.如权利要求1所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，
所述多级压电陶瓷纳米定位器为三级压电陶瓷纳米定位器，
三级压电陶瓷纳米定位器包括：第一级压电陶瓷纳米定位器、第二级压电陶瓷纳米定位器和第三级压电陶瓷纳米定位器，
所述用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置还包括：位于底玻璃板和顶玻璃板之间的第一级框架和第二级框架，第二级框架的结构与第一级框架的结构相同并均为铝或铝合金制成；
第一级框架包括：两个对称设置的L型台阶、以及连接在两个对称设置的L型台阶之间的平台；L型台阶分为相互连接的水平部和竖直部，其中平台连接在两个L型台阶的竖直部之间，各所述水平部均与平台平行并位于平台之下，并且均向平台之外延伸，第二级框架位于第一级框架的上方并且与第一级框架平行；
第一级压电陶瓷纳米定位器的底部粘接在底玻璃板上，第一级压电陶瓷纳米定位器的顶部支撑在第一级框架的平台的下方；
第二级压电陶瓷纳米定位器的顶部粘接在顶玻璃板上，第二级压电陶瓷纳米定位器的底部支撑在第二级框架的L型台阶的水平部之上；
第三级压电陶瓷纳米定位器的顶部粘接在第二级框架的平台的下方，第三级压电陶瓷纳米定位器的底部支撑在第一级框架的L型台阶的水平部之上。
3.如权利要求1所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，
所述多级压电陶瓷纳米定位器为二级压电陶瓷纳米定位器，
二级压电陶瓷纳米定位器包括：第一级压电陶瓷纳米定位器和第二级压电陶瓷纳米定位器；
所述用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置还包括：位于底玻璃板和顶玻璃板之间的第一级框架；
第一级框架包括：两个对称设置的L型台阶、以及连接在两个对称设置的L型台阶之间的平台；L型台阶分为相互连接的水平部和竖直部，其中平台连接在两个L型台阶的竖直部之间，各所述水平部均与平台平行并位于平台之下，并且均向平台之外延伸；第一级框架为铝或铝合金制成；
第一级压电陶瓷纳米定位器的底部粘接在底玻璃板上，第一级压电陶瓷纳米定位器的顶部通过粘接支撑在第一级框架的平台的下方；
第二级压电陶瓷纳米定位器的顶部粘接在顶玻璃板上，第二级压电陶瓷纳米定位器的底部通过粘接支撑在第一级框架的L型台阶的水平部之上。
4.如权利要求1或2所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，
第一级框架的L型台阶与第二级框架的L型台阶的尺寸相同，第一级框架的平台的长度小于第二级框架的平台的长度。
5.如权利要求4所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，
第二级压电陶瓷纳米定位器与第一级框架的L型台阶的竖直部的高度差大于0，小于或等于2mm。
6.如权利要求4所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，
各级所述压电陶瓷纳米定位器的数目为四个，四个压电陶瓷纳米定位器分别位于矩形的四个角点。
7.如权利要求1所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，所述顶玻璃板上设有微观可视化实验用的玻璃模型，所述底玻璃板、顶玻璃板和玻璃模型均设置在高压釜内，所述底玻璃板设置在载物台上，所述载物台设有透光通孔，所述透光通孔与玻璃模型观察位置正对。
8.如权利要求7所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，所述载物台位于高压釜内所述直流调压器位于高压釜之外。
9.如权利要求7所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，所述微观可视化实验用的玻璃模型上方设有物镜，所述物镜从高压釜之外伸入到高压釜内。
10.如权利要求7所述的用于高压釜内的多级微米位移垂向调整装置，其特征在于，所述载物台通过丝扣设置在垂向导轨上并能沿垂向导轨上下移动，并且所述丝扣与步进电机连接，所述步进电机与调整钮连接，所述调整钮设置在高压釜之外，所述垂向导轨位于高压釜内。
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