一种低热耗散压电陶瓷旋转台，包括机械放大结构、驱动装置、角度传感系统和总控系统，其中：机械放大结构，包括两组互相垂直放置的全同子结构，相对的两个子结构组成一组，两组子结构通过静摩擦力交替搓动转轴，避免滑动摩擦，从而降低旋转产生的热耗散；角度传感系统，包括由探测电极、输入电极、接地电极和输出电极构成的电容阻抗传感器，所述角度传感系统用于无热耗散高精度测量旋转角度，传递信号给控制系统以实现闭环控制；总控制系统，包括用于测量电容传感器信号的测量系统、用于控制压电陶瓷堆电激励的压电陶瓷控制系统和作为总控制系统的输入和输出的计算机。制系统的输入和输出的计算机。制系统的输入和输出的计算机。
【技术实现步骤摘要】
极低温低热耗散精密压电陶瓷旋转台
[0001]本专利技术涉及精密旋转控制
和极低温测量
，尤其涉及一种极低温低热耗散精密压电陶瓷旋转台。
技术介绍
[0002]精密压电陶瓷旋转台被广泛应用于电学输运测量系统与光学度量衡系统等精密测量系统中用来精确转动样品或者实验装置。压电陶瓷位移台受制于压电陶瓷本身形变量较小，大行程的各类位移台一般需要由柔性铰链和杠杆放大结构构成机械放大结构，并配合多组压电陶瓷堆的交替动作来实现。在压电陶瓷的动作方式上主要有惯性驱动、尺蠖驱动与行走驱动等。
[0003]惯性驱动的基本原理是压电陶瓷堆通过电激励形变，利用静摩擦力将位移台面或者转轴等被驱动部件向目标方向移动，然后反向电激励使得压电陶瓷迅速回复初始状态，被驱动部件由于惯性作用基本不受压电陶瓷堆的反向回复动作影响，通过反复这一过程，使得位移台能实现大行程位移。
[0004]尺蠖驱动的原理是通过压电陶瓷管在导杆两侧依次加紧导杆，然后再通过一组压电陶瓷管形变推动导杆和压电陶瓷管运动，从而实现步进，实现大行程位移。
[0005]行走驱动则利用同时能够进行伸长形变和切向形变的压电陶瓷堆，或者将切向形变压电陶瓷堆粘接再伸长形变的压电陶瓷堆上。导杆两侧的压电陶瓷堆交替成对进行压紧导杆然后再切向形变使得导杆向目标方向位移。
[0006]在现有技术中公开了一种利用摩擦片带动通过轴承固定的位移台的旋转结构，即是一种惯性驱动位移台，这种惯性驱动的缺点是运动精度不高，无法用于亚纳米级精密驱动控制，且往往无法避免滑动摩擦产生的热量。对于极低温获得装置，在100mK温度下其制冷功率通常仅有数百微瓦，很容易被前述的滑动摩擦产生的发热功率压制，使得系统在位移台动作之后需要等待较长时间才能达到目标工作温度；尺蠖驱动可以具有较高驱动精度，但是和惯性驱动一样无法避免滑动摩擦的出现；行走驱动可以实现无滑动的摩擦驱动，但是对于极低温系统，压电陶瓷本身的形变量受热胀冷缩效应影响会大幅减小，仅通过压电陶瓷自身形变的驱动效率很低，并且行走驱动对于负责伸缩的压电陶瓷堆加工精度要求较高，易受温度变化影响。
[0007]通过利用机械放大结构可以提高位移台的动作效率，但是会降低结构的整体刚度和位移分辨率，而且机械结构本身在极低温环境下整体结构的热形变大小可以达到与压电陶瓷堆自身的形变相比拟，使得极低温下正常驱动需要采用与常温下不同的结构尺寸或者校准量，使用起来较为繁琐。结构刚度低会导致位移台共振频率降低，导致位移台容易与环境机械振动噪音耦合，不利于精密驱动。
[0008]压电位移台的定位传感装置通常使用碳膜电阻，碳膜电阻自身结构会导致滑动摩擦，碳膜电阻测量时通电也会直接产生电阻热，会对制冷装置产生较大负面影响。
技术实现思路
[0009]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种极低温低热耗散精密压电陶瓷旋转台，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
[0010]为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，提供了一种低热耗散压电陶瓷旋转台，包括机械放大结构、驱动装置、角度传感系统和总控系统，其中：
[0011]机械放大结构，包括两组互相垂直放置的全同子结构，相对的两个子结构组成一组，两组子结构通过静摩擦力交替搓动转轴，避免滑动摩擦，从而降低旋转产生的热耗散；
[0012]角度传感系统，包括由探测电极、输入电极、接地电极和输出电极构成的电容阻抗传感器，所述角度传感系统用于无热耗散高精度测量旋转角度，传递信号给控制系统以实现闭环控制；
[0013]总控制系统，包括用于测量电容传感器信号的测量系统、用于控制压电陶瓷堆电激励的压电陶瓷控制系统和作为总控制系统的输入和输出的计算机。
[0014]其中，所述全同子结构包括由位于靠外圈位置的用于提供径向形变的径向放大结构、位于靠内圈位置的用于提供切向驱动的切向放大结构、连接内圈切向放大结构和机械放大结构框架的弹簧片、安装在放大结构内作为形变和动力来源的压电陶瓷堆和提供预应力的预紧片。
[0015]其中，所述径向放大结构的自由端与切向放大结构相连。
[0016]其中，所述径向放大结构包括两组柔性铰链和分别与柔性铰链连接的两组杠杆放大结构，其中，柔性铰链固定在压电陶瓷堆伸长方向的两个端面上，杠杆放大结构与压电陶瓷堆端面之间的夹角为π/2+θ，其中θ决定了机械放大倍率。
[0017]其中，所述径向放大结构的两组柔性铰链的扭转方向相反，其中一组的杠杆放大结构的自由端固定，因此另一组杠杆放大结构的位移量是压电陶瓷形变量的1/θ倍。
[0018]其中，所述切向放大结构包括两组柔性铰链、分别与柔性铰链连接的两组杠杆放大结构和传动框架；其中，柔性铰链固定在压电陶瓷的伸长方向的两个端面上。
[0019]其中，所述切向放大结构的两组柔性铰链的扭转方向相同，杠杆放大结构的自由端向同一方向位移，位移量是压电陶瓷位移量的1/2θ倍。
[0020]其中，所述传动框架位于切向放大结构的内侧，与两组杠杆放大结构的自由端相连，传动框架上镶嵌氧化铝片，用于与转轴进行摩擦传动。
[0021]其中，所述弹簧片位于由切向放大结构的外侧柔性铰链引出并连接至机械放大结构的外框架上，所述弹簧片用于提高系统刚度和热形变的自补偿效应。
[0022]其中，所述压电陶瓷旋转台的材料为钨铜合金；所述机械放大结构由一块钨铜合金用线切割慢走丝工艺加工而成。
[0023]基于上述技术方案可知，本专利技术的极低温低热耗散精密压电陶瓷旋转台相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
[0024]1、本专利技术所提出的低热耗散极低温超高真空用精密压电陶瓷伺服旋转台，在机械结构上具有机械放大设计，具有较好的驱动效率；在驱动方式上避免了滑动摩擦的出现，实现了无轴承驱动，使得旋转台整体的热耗散功率显著降低，显著减轻了在极低温设备中使用时对制冷造成的压力。在1Hz的驱动频率下，旋转台整体的热耗散功率仅为约12μW，驱动速度可达到10μm/s。旋转台的机械放大设计本身具有温度自补偿特性，旋转台的驱动特性
受极低温环境影响较小，使得旋转台能稳定的在从室温至极低温的温度区间内正常工作，避免了由热形变造成的性能损失和调试困难。旋转台所使用的钨铜合金材料和旋转台的机械放大结构经过考究设计，其最低共振频率在1300Hz以上，能有效避免与环境机械振动噪声耦合。
[0025]2、本专利技术所提出的电容阻抗传感器，具有低于1μW的热耗散功率和6.3
×
10-7
rad的测量精度，其角度测量范围可达到5
°
至355
°
，能满足高精度、大行程的测量需求。电容阻抗传感器的设计，避免了部件之间的滑动摩擦，同时电容阻抗可以较容易的做的很大，使得电阻热很小，如果采用同一种金属材料制作电极，所有电极本身的容抗随温度同步变化，能较好的适应大范围温度变化的工作环境。
附图说明
[0026]图1是本专利技术实施例的旋转台总装配体的爆炸本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种低热耗散压电陶瓷旋转台，其特征在于，包括机械放大结构、驱动装置、角度传感系统和总控系统，其中：机械放大结构，包括两组互相垂直放置的全同子结构，相对的两个子结构组成一组，两组子结构通过静摩擦力交替搓动转轴，避免滑动摩擦，从而降低旋转产生的热耗散；角度传感系统，包括由探测电极、输入电极、接地电极和输出电极构成的电容阻抗传感器，所述角度传感系统用于无热耗散高精度测量旋转角度，传递信号给控制系统以实现闭环控制；总控制系统，包括用于测量电容传感器信号的测量系统、用于控制压电陶瓷堆电激励的压电陶瓷控制系统和作为总控制系统的输入和输出的计算机。2.根据权利要求1所述的压电陶瓷旋转台，其特征在于，所述全同子结构包括由位于靠外圈位置的用于提供径向形变的径向放大结构、位于靠内圈位置的用于提供切向驱动的切向放大结构、连接内圈切向放大结构和机械放大结构框架的弹簧片、安装在放大结构内作为形变和动力来源的压电陶瓷堆和提供预应力的预紧片。3.根据权利要求2所述的压电陶瓷旋转台，其特征在于，所述径向放大结构的自由端与切向放大结构相连。4.根据权利要求2所述的压电陶瓷旋转台，其特征在于，所述径向放大结构包括两组柔性铰链和分别与柔性铰链连接的两组杠杆放大结构，其中，柔性铰链固定在压电陶瓷堆伸长方向的两个端面上，杠杆放大结构与压...
【专利技术属性】
技术研发人员：程光磊，王浩远，蔡方煦，黄成园，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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