CN202916711U - 基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统 - Google Patents

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梁宇恩
许素安
付祥
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Abstract

一种基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统，包括高频相移信号发生器，高频相移信号发生器的S1端口依次连接激光器、迈克尔逊干涉仪、移动镜和压电陶瓷，所述高频相移信号发生器的S2端口依次连接混频器、数字PID调节器和压电陶瓷，所述S1端口与迈克尔逊干涉仪输出的S3端口之间连接有干涉仪测量电子柜，所述S3端口与混频器之间连接有光电探测器。本实用新型运用光电步进相移法控制压电陶瓷运动，定位系统位移精度和重复性不受压电陶瓷自身的非线性和蠕变的影响；该定位方法可溯源至国际度量衡委员会推荐的米定义标准；控制方法简单，控制系统带宽大，实时性强。

Description

基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统
技术领域
本实用新型涉及一种纳米定位技术，尤其是一种基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统。
背景技术
目前，工业的发展对精密定位技术的需求日益增长，对定位系统提出了纳米级甚至是亚纳米级的定位精度要求。压电陶瓷以其分辨率高，体积小，发热低，配置简单等优点，成为精密定位技术位移发生器的首选。压电陶瓷与柔性铰链组合构成的纳米位移驱动单元得到广泛应用。但压电陶瓷驱动器自身的非线性、迟滞和蠕变限制了位移系统精度和效率的提高，其中迟滞误差对精度的影响最大。
近年来，为提高定位精度，改善压电陶瓷的机械缺陷，采取的压电陶瓷驱动控制办法主要有：1.电容匹配控制法；2、基于神经网络和自适应控制的微位移驱动器控制模型自辨识、参数自整定的控制方法；3、电荷控制法。这些方法的主要缺陷在算法繁杂不能满足定位过程中的实时性要求。
从克服压电陶瓷驱动器非线性、迟滞和蠕变等机械缺陷为出发点，本实用新型拟在迈克尔逊外差激光干涉仪的基础上，基于迈克尔逊干涉仪的反向特性，提出运用相位锁定跟踪来控制压电陶瓷运动的定位控制方法。在锁相回路中，压电陶瓷可根据量化的相移值以相应的步长被步进推动，由于提取的是相位差信息，位移的精度与微位移发生单元-压电陶瓷自身的非线性、迟滞和蠕变无关。
实用新型内容
    本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统，控制方法简单，控制系统带宽大，实时性强。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统，包括高频相移信号发生器，高频相移信号发生器的S1端口依次连接激光器、迈克尔逊干涉仪、移动镜和压电陶瓷，所述高频相移信号发生器的S2端口依次连接混频器、数字PID调节器和压电陶瓷，所述S1端口与迈克尔逊干涉仪输出的S3端口之间连接有干涉仪测量电子柜，所述S3端口与混频器之间连接有光电探测器。
激光器（ZMI 7702A）输出频差为20MHz的两偏振正交激光束作为迈克尔逊干涉仪（Zygo ZMI2001)的激光源。
迈克尔逊干涉仪（Zygo ZMI2001)为商用双程外差激光干涉仪，其作用一为实时测量压电陶瓷的位移变化量，作用二为提供输出信号S3，信号S3的相位因多普勒效应随着移动镜位移的改变而改变。
平面镜固定在压电陶瓷（Thorlabs AE0505D16F）上作为迈克尔逊干涉仪的移动镜。
高频相移信号发生器(AFG3102 Tektronix)的作用为产生两个同步的频率均为20MHz的信号S1和信号S2，信号S1发至激光器（ZMI 7702A）中的晶振以产生外差干涉仪所需的两激光束，信号S1同时发送至干涉仪测量电子柜作为参考信号，信号S2发至混频器。
干涉仪测量电子柜(ZMI 2401)将参考信号S1和来自干涉仪的测量信号S3作相位比较，得出位移测量值。
光电探测器(PDA 155-EC Thorlabs)的作用为将迈克尔干涉仪的输出信号S3转化为电信号。
混频器(ZLW-6 Minicircuit)将来自高频相移信号发生器的信号S2和来自干涉仪的测量信号S3做相位比较，信号S3为俩激光束经过干涉仪后的干涉信号，信号S3含有移动镜的位置信息。
PID调节器(SIM 960 PID Controller )接收来自混频器的相位差信号，其输出作为压电陶瓷(AE0505D16F Thorlabs)的驱动信号。
本实用新型的基于光电相移驱动压电陶瓷的纳米定位系统的工作过程如下：
高频相移信号发生器产生两个频率均为20MHz的同步信号S1和S2，信号S2相对于信号S1可产生一量化的相移值。信号S1一方面被发送干涉仪测量电子柜，作为参考信号，同时信号S1被发送至激光器，在激光器内借助于布拉格电路将信号从超声波段转化为光波波段，产生外差干涉所需的俩激光束。这俩激光束通过迈克尔逊干涉仪。这俩激光束通过迈克尔逊干涉仪后，在干涉仪的输出处重新结合为信号S3，S3包含有移动镜即压电陶瓷的位移信息。信号S1和信号S3在干涉仪测量电子柜内进行相位比较，测量出压电陶瓷的位移量。信号S3经光电探测器转换为电信号后与信号S2同时发送至混频器，得出相位差信号ε，该相位差信号被发送至PID调节器，PID调节器的输出作为压电陶瓷的驱动电压。
二、基于光电相移驱动压电陶瓷的纳米定位方法：
本实用新型提出的基于光电相移驱动的纳米定位方法基于迈克尔逊干涉仪的反向特性。在干涉仪中，由于多普勒效应，移动镜的移动会导致信号S3相对于信号S1或信号S2的相移，误差信号ε变成非零，被发送至PID调节器，压电陶瓷作用于移动镜动作以抵消误差信号，这样就实现了锁相回路位置控制。
由高频相移信号发生器主动生成一定量值的相移，则在由干涉仪、混频器和压电陶瓷组成的锁相闭合控制回路中，移动镜产生相应的位移来补偿参考信号和测量信号两者的相位差。在双程外差干涉仪测长系统中，位移量                                                
Figure 343960DEST_PATH_IMAGE002
与相位差
Figure 323417DEST_PATH_IMAGE004
成正比，表示为
Figure 916204DEST_PATH_IMAGE006
。由高频相移信号发生器连续产生量化的相移值，压电陶瓷执行器可按被量化的位移值一步一步的推进。定位系统中，相移信号发生器的最小相移量为0.01,激光器波长的校准值为632.990577 nm（
Figure 311413DEST_PATH_IMAGE008
），最小理论步距值可达到皮米(10-12)级，实际能实现的最小步距值受干涉仪分辨率和系统噪声的限制。
    本实用新型有益的效果是：本实用新型运用光电步进相移法控制压电陶瓷运动，定位系统位移精度和重复性不受压电陶瓷自身的非线性和蠕变的影响；该定位方法可溯源至国际度量衡委员会推荐的米定义标准；控制方法简单，控制系统带宽大，实时性强。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型不同步距值情况下的步进位移实验结果的示意图；
图3是本实用新型在锁相闭环位置控制回路中的压电陶瓷迟滞性验证实验图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
参照附图：这种基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统，包括高频相移信号发生器，高频相移信号发生器的S1端口依次连接激光器、迈克尔逊干涉仪、移动镜和压电陶瓷，所述高频相移信号发生器的S2端口依次连接混频器、数字PID调节器和压电陶瓷，所述S1端口与迈克尔逊干涉仪输出的S3端口之间连接有干涉仪测量电子柜，所述S3端口与混频器之间连接有光电探测器。
本实施例中的压电陶瓷定位控制系统安放在隔震实验台上，实验室内安装有气象测量仪以监控实验室内的温度(PT100,1=0.01C)，压力（Paroscientific 1=3Pa）和湿度(HygroM4,1=1%)的变化。压电陶瓷的行程为3m（外加电压为30V）。
 本实施例中，第一步是将干涉仪的输出信号S3的相位锁定于与参考信号S1的相位。这样，干涉仪的移动镜处于一固定位置。锁相位置回路的输出被发送至频谱分析仪（Standford-SR785）,可测得作用于压电陶瓷的驱动电压噪声，750Hz带宽信号噪声为1mVrms。这样，移动镜的相应位置噪声约为0.1nm.
 第二步是高频相移信号发生器输出信号均为20MHz的信号S1和信号S2，信号S2相对于信号S1的相移量为
Figure 188102DEST_PATH_IMAGE010
，相移的产生频率为2Hz，则压电陶瓷步进位移的步距理论值为
Figure 322149DEST_PATH_IMAGE012
。其步进位移实验结果如图2（a)所示。如改变相移量的值，可得到不同步距值的步进位移，图2（b)为
Figure 651499DEST_PATH_IMAGE014
，步距理论值为
Figure 850399DEST_PATH_IMAGE016
Figure 332328DEST_PATH_IMAGE018
的实验结果，图2（c)为
Figure 388008DEST_PATH_IMAGE020
，步距理论值为的实验结果.系统采样频率约为10KHz。优化定位系统中PID调节器的PID参数，可将上升时间降低至1ms。
 最后，我们用实验测试了压电陶瓷在锁相闭合回路下的迟滞性。其实验结果如图3所示。图3中，压电陶瓷的行程为3m，压电陶瓷以步距值为5nm的位移量被一步步推动。图3中曲线中心值为0.45nm位移曲线段被放大。图3的实验曲线表明，在我们的锁相闭环位置控制系统中，压电陶瓷的迟滞效应可忽略。
虽然本实用新型已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (1)

1.一种基于光电相移压电陶瓷驱动的纳米定位控制系统，包括高频相移信号发生器，其特征在于：所述高频相移信号发生器的S1端口依次连接激光器、迈克尔逊干涉仪、移动镜和压电陶瓷，所述高频相移信号发生器的S2端口依次连接混频器、数字PID调节器和压电陶瓷，所述S1端口与迈克尔逊干涉仪输出的S3端口之间连接有干涉仪测量电子柜，所述S3端口与混频器之间连接有光电探测器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107167250A (zh) * 2017-05-10 2017-09-15 太原理工大学 一种压电陶瓷微位移光干涉检测控制装置

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