CN201976028U - 内置应变片式自检测压电驱动平台 - Google Patents

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赵宏伟
黄虎
万顺光
杨洁
米杰
马志超
耿春阳
史成利
王小月
袁英堃
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Jilin University
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Abstract

本实用新型涉及一种内置应变片式自检测压电驱动平台，属于机电领域。结构是基板的前端设置两平行薄板，两平行薄板之间为载物台，平行薄板之后设有一凹槽，压电叠堆嵌入在该凹槽内且一端顶抵于平行薄板，应变片分别粘接在平行薄板的两端相对内侧或者中部相对外侧，各应变片之间通过导线连接构成惠斯通电桥；优点在于：结构简单，功能集成化，大大减小了装置体积同时降低了成本。在实现精密位移输出的同时利用内置的应变片实现位移自检测，利于装置的反馈控制，输出位移分辨率高于20nm，可以拓展到微观力学测试、微定位、超精密加工、精密工程、微机电系统（MEMS）、精密光学、生物医学、微小机器人等领域。

Description

内置应变片式自检测压电驱动平台
技术领域
本实用新型涉及机电类，特别涉及一种集驱动和检测于一体的内置应变片式自检测压电驱动平台。可以应用于超精密加工、精密工程、微机电系统（MEMS）、精密光学、生物医学、微小机器人、微观力学测试、微定位等方面。
背景技术
    近些年来，精密驱动与精密检测技术在高精密仪器与设备中发挥着越来越重要的作用。在驱动方面，以电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷、人工肌肉等智能材料为核心动力源的驱动器大量涌现。在检测方面，光栅尺、高精密激光传感器、电容式传感器、差动变压器式传感器等也得到了大量的运用。目前的驱动器大致可以分为两类：一类是以实现多自由度或大行程为目的的驱动器，这类驱动器往往具有多自由度输出能力或者具有较大的位移输出能力，结构也相对比较复杂，但往往不含有检测元件；另一类是以精密位移输出为目的，这类驱动器一般含有高精密检测元件，对输出位移进行实时检测与反馈控制。然而目前大多数以精密位移输出为目的的驱动器，其所用的检测元件是商业化的传感器，这些传感器虽然具有高的测量精度，但是往往需要附加的空间和结构来进行装配，这样就导致了结构庞大，同时由于存在复杂装配也会导致装置的刚度下降并经常伴随有安装误差产生。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种内置应变片式自检测压电驱动平台，实现精密驱动的同时实现位移自检测，解决了目前驱动器结构复杂，没有检测元件；驱动传感器结构庞大、刚度较低、安装误差大等问题。本实用新型提出了一种集成应变片与压电叠堆实现精密驱动与自检测的技术方案，压电叠堆作为核心驱动源，结合柔性铰链的作用可以实现精密位移输出，而应变片可以实现对输出位移的纳米级精密检测。
本实用新的上述目的通过以下技术方案实现：
内置应变片式自检测压电驱动平台，其结构包括应变片1、基板2、压电叠堆3、平行薄板4及载物台5，其中，基板2的前端设置两平行薄板4，两平行薄板4之间为载物台5，平行薄板之后设有一凹槽6，压电叠堆3嵌入在该凹槽6内且一端顶抵于平行薄板，是驱动单元的动力源，两平行薄板4起到柔性铰链的作用，对压电叠堆3的运动进行引导和转换；应变片1分别粘接在平行薄板4的两端相对内侧或者中部相对外侧。各应变片1之间通过导线连接构成惠斯通电桥；压电叠堆3和基板2的两平行薄板4构成驱动单元；基板2的两平行薄板4和应变片1构成检测单元，两平行薄板4为检测单元的弹性体。通过对压电叠堆3施加电压，使薄板发生形变，推动载物台5沿压电叠堆3轴线方向进行精密直线运动；随着薄板的变形应变片1的电阻产生变化，经惠斯通电桥转换成电压变化，应变片1在平行薄板2上的位置有两种，两种方式均可准确检测驱动平台的输出位移，选择时根据贴片位置空间大小而定。通过控制压电叠堆3的驱动电压，使其产生精密位移输出，通过两平行薄板2转换为载物台5的精密直线运动；运动位移量的大小通过粘贴在两平行薄板2上的应变片1进行检测，并可实现反馈控制。
本实用新型的有益效果在于：提出一种集驱动和检测于一体的内置应变片式自检测压电驱动平台，结构简单，功能集成化，大大减小了装置体积同时降低了成本。在实现精密位移输出的同时利用内置的应变片实现位移自检测，利于装置的反馈控制，同时便于装置的小型化与集成控制，输出位移分辨率高于20nm，可以拓展到微观力学测试、微定位、超精密加工、精密工程、微机电系统（MEMS）、精密光学、生物医学、微小机器人等领域。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的应变片固定在平行薄板上的位置示意图之一；
图3为本实用新型的应变片固定在平行薄板上的位置示意图之二；
图4为本实用新型的应变片惠斯通电桥接线方式图。
具体实施方式
实施例：
参见图1至图4，本实用新型的内置应变片式自检测压电驱动平台，包括应变片1、基板2、压电叠堆3、平行薄板4及载物台5，其中，基板2的前端设置两平行薄板4，两平行薄板4之间为载物台5，平行薄板之后设有一凹槽6，压电叠堆3嵌入在该凹槽6内且一端顶抵于平行薄板，是驱动单元的动力源，两平行薄板4起到柔性铰链的作用，对压电叠堆3的运动进行引导和转换；应变片1分别粘接在平行薄板4的两端相对内侧或者中部相对外侧。各应变片1之间通过导线串接构成惠斯通电桥；压电叠堆3和基板2的两平行薄板4构成驱动单元；基板2的两平行薄板4和应变片1构成检测单元，两平行薄板4为检测单元的弹性体。通过对压电叠堆3施加电压，使薄板发生形变，推动载物台5沿压电叠堆3轴线方向进行精密直线运动；随着薄板的变形应变片1的电阻产生变化，经惠斯通电桥转换成电压变化，应变片1在平行薄板2上的位置有两种，两种方式均可准确检测驱动平台的输出位移，选择时根据贴片位置空间大小而定。通过控制压电叠堆3的驱动电压，使其产生精密位移输出，通过两平行薄板2转换为载物台5的精密直线运动；运动位移量的大小通过粘贴在两平行薄板2上的应变片1进行检测，并可实现反馈控制。
本实用新型的工作过程如下：
初始状态时，压电叠堆3不带电，系统处于自由状态，通过电路调节使惠斯通电桥输出电压为零。给压电叠堆3提供一定的驱动电压，压电叠堆在逆压电效应的作用下伸长，推动基板2的两平行薄板4产生精密位移输出，进而带动两薄板4之间的载物台5输出精密位移。与此同时，由于两平行薄板2产生形变，使粘贴在该平行薄板2上的应变片1也随之产生形变，导致其电阻值发生变化，通过惠斯通电桥将应变片电阻值变化转化成电压值变化输出，之后经过信号的调理与放大，通过A/D数据采集卡实现采集，从而实现对载物台输出位移的实时检测与反馈控制。

Claims (3)

1.一种内置应变片式自检测压电驱动平台，其特征在于：基板（2）的前端设置两平行薄板（4），两平行薄板（4）之间为载物台（5），平行薄板之后设有一凹槽（6），压电叠堆（3）嵌入在该凹槽（6）内且一端顶抵于平行薄板；应变片（1）分别粘接在平行薄板（4）上；各应变片（1）之间通过导线连接构成惠斯通电桥；压电叠堆（3）和基板（2）的两平行薄板（4）构成驱动单元；基板（2）的两平行薄板（4）和应变片（1）构成检测单元，两平行薄板（4）为检测单元的弹性体。
2.根据权利要求1所述的内置应变片式自检测压电驱动平台，其特征在于：所述的应变片（1）粘接在平行薄板（4）的两端相对内侧。
3.根据权利要求1所述的内置应变片式自检测压电驱动平台，其特征在于：所述的应变片（1）粘接在平行薄板（4）的中部相对外侧。
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