结合磁场的压电驱动器位移测量系统和测量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种结合磁场的压电驱动器位移测量系统和测量方法，属于精密机械领域。包括驱动模块、驱动器样机、测量模块和电压采集处理模块。驱动模块使驱动器样机输出位移，在磁场力作用下，测量模块的压电晶片随位移输出发生弹性形变，由于压电效应，压电晶片左右表面产生相反电荷，由电荷放大器放大并转换成电压输出，经电压采集处理模块将电压信号采集并进行处理分析，实现对驱动器位移的测量。优点在于：结合磁场将位移转换成电压输出，通过比对标定位移和电压实现对大行程位移的测量；对输出电压的监测可辅助构建反馈控制系统，对改善冲击惯性压电驱动器的步进不稳定性有积极作用。在精密光学、生物医学工程等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
结合磁场的压电驱动器位移测量系统和测量方法
本专利技术涉及精密机械领域，特别涉及一种结合磁场的压电驱动器位移测量系统和测量方法。为高速、大行程压电驱动器的位移测量研究提供一种方案，同时为搭建压电驱动器的反馈控制系统提供一种可行方法。在精密和超精密加工、精密光学、生物医学工程等领域具有广阔的应用前景。
技术介绍
压电驱动技术因其精度高、快速响应和无电磁干扰等显著优势在精密和超精密加工、精密光学、生物细胞显微操作等领域广受关注。利用压电材料的逆压电效应，将电能转化为机械能，提供纳米级的位移输出。目前压电驱动器主要包括直动式和步进式；步进式又分为谐振的超声压电驱动器和非谐振的冲击惯性压电驱动器、粘滑惯性驱动器和尺蠖式压电驱动器。在目前的研究中，提高压电驱动器的输出性能一直是研究者的研究重点，但在压电驱动器的研究过程中，受限于激光测微仪的测量范围的限制，其测量行程受到限制，这不便于高速、大行程驱动器的研究。同时由于压电驱动器实际工作过程中易受到环境的干扰而运动失稳，因此搭建压电驱动器的反馈控制系统对于保证压电驱动器稳定工作具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结合磁场的压电驱动器位移测量系统和测量方法，通过比对标定压电驱动器的位移输出和压电晶片的电信号，得到电压和位移关系，从而找到一种用电压信号来测量位移的方法，为高速、大行程的压电驱动器的位移测量提供一种方案；同时对本系统压电晶片电压的监测将作为反馈信号对输入电压进行负反馈调节，以此维持压电驱动器稳定的工作状态，并且为搭建压电驱动器的反馈控制系统提供一种可行性方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种结合磁场的压电驱动器的位移测量系统，包括驱动模块、驱动器样机1、测量模块和电压采集处理模块，各模块之间通过导线9进行连接；驱动模块使驱动器样机1输出位移，在磁场力作用下，测量模块的压电晶片4随着位移输出发生弹性形变，由于压电效应，压电晶片4左右两表面产生相反电荷，由电荷放大器6进行放大并转换成电压输出，经电压采集处理模块将电压信号采集并进行处理分析，实现对驱动器位移的测量。所述的驱动模块包括信号发生器2和功率放大器3，信号发生器2产生的电压信号经功率放大器3进行放大，作为压电驱动器的驱动电源。所述的驱动器样机1包括螺旋测微头1-1、底座1-2、导轨1-3、紧固螺钉1-4、L形支撑架1-5、柔性铰链1-6、楔形块1-7、压电叠堆1-8、惯性质量块1-9、永磁铁1-10、永磁铁对1-11、簧片1-12、固定块A1-13和固定块B1-14；螺旋测微头1-1采用过盈配合的方式装配在底座1-2上，导轨1-3的滑轨通过紧固螺钉1-4与底座1-2相连，L形支撑架1-5紧固在导轨1-3的滑块上；压电叠堆1-8用楔形块1-7预紧安装在柔性铰链1-6的凹槽内，惯性质量块1-9紧固在柔性铰链1-6的自由端，永磁铁1-10吸附在惯性质量块1-9上，在将柔性铰链1-6用紧固螺钉1-4安装在L形支撑架1-5上；永磁铁对1-11吸附在簧片1-12的顶端，用固定块A1-13和固定块B1-14夹持簧片1-12底部并用紧固螺钉1-4紧固，再将固定块A1-13和固定块B1-14固定在L形支撑架1-5上；这里需要保持永磁铁1-10和永磁铁对1-11的正相对，避免剪切力的产生。所述的测量模块包括压电晶片4、示波器5和电荷放大器6；压电晶片4用环氧树脂胶紧紧粘在簧片1-12右侧，并用导线9将其连接到示波器5上，当簧片1-12在磁场力的作用下发生弯曲变形，粘在上面的压电晶片4随之弯曲，其左右两表面产生相反电荷，由电荷放大器6放大并转换成电压输出，经导线9传到示波器5上，用于观察实验过程中的电压变化。所述的电压采集处理模块包括数据采集卡7和工控机8；数据采集卡7对压电晶片4进行实时电压采集，然后将采集到的电压信号发送给工控机8进行处理分析。利用压电晶片4对压电驱动器位移的测量过程包含以下步骤：a)信号发生器2产生电压信号，作为压电驱动器样机1的驱动电源，经功率放大器3进行电压放大；b)经放大的电压信号驱动压电叠堆1-8得电伸展，使柔性铰链1-6中的柔性关节发生弹性变形，自由端线性伸长带动惯性质量块1-9产生水平线性位移；c)永磁铁1-10和永磁铁对1-11之间的距离减小，在磁场力作用下，永磁铁对1-11产生向右的位移；d)簧片1-12发生弹性变形，并带动贴在其上的压电晶片4发生变形；e)压电晶片4在外力作用下产生电荷，经电荷放大器6放大并转换成电压输出，将机械变形转化为电压值的变化，供示波器5观察以及数据采集卡7采集；f)将采集到的电信号输入工控机8处理，得到电压—时间曲线，将其与经激光测微仪测量的位移—时间曲线进行标定校对，即可实现利用压电晶片4对压电驱动器的位移测量。结合磁场的压电驱动器的位移标定过程包含以下步骤：：a)用导线9将各个模块单元连接起来，并检查连接的准确性；b)将激光测微仪激光正对L形支撑架1-5的光洁区，并调整到合适的检测距离，保证能实时检测到L形支撑架1-5的位移；c)调整示波器5的屏幕显示参数，保证能清晰观察到测量模块的电压信号；d)驱动模块发生锯齿波电压，使驱动器样机工作输出位移；e)经数据采集卡7将输出位移和电压信号采集并通过工控机8处理，得到位移—时间曲线、电压—时间曲线，再经分析处理后，得到位移和电压之间的一一对应关系，用电压对位移进行标定。本专利技术的有益效果在于：驱动器样机利用磁场将冲击惯性压电驱动器的惯性力拓展，从而能有效提高驱动器的输出性能。以此样机为基础结合压电晶片来搭建压电驱动器的位移测量系统及实现测量方法，对驱动器的研究过程中实现高速大行程测量具有重要意义。同时压电晶片的电压输出信号可以作为反馈信号，通过PID反馈控制系统对压电驱动器的输出进行调节，用以达到稳定工作状态。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的测量系统搭建立体示意图；图2为本专利技术的驱动器样机的立体结构示意图：图3为本专利技术的压电晶片与簧片的粘贴示意图；图4为本专利技术的系统信号传输示意图；图5为本专利技术压电晶片变形过程的电压-位移输出曲线图。图中：1、驱动器样机；2、信号发生器；3、功率放大器；4、压电晶片；5、示波器；6、电荷放大器；7、数据采集卡；8、工控机；9、导线。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图3所示，本专利技术的一种结合磁场的压电驱动器的位移测量系统和测量方法，通过磁场将压电驱动器的位移输出转换成簧片1-12的弹性变形，粘在簧片1-12上的压电晶片4随着变形产生电荷，将电荷用电荷放大器6放大并转换成电压输出，将检测到的电压信号同激光测微仪的位移图比对标定，实现用电压信号对驱动器位移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合磁场的压电驱动器位移测量系统，其特征在于：包括驱动模块、驱动器样机(1)、测量模块和电压采集处理模块，各模块之间通过导线(9)进行连接；驱动模块使驱动器样机(1)输出位移，在磁场力作用下，测量模块的压电晶片(4)随着位移输出发生弹性形变，由于压电效应，压电晶片(4)左右两表面产生相反电荷，由电荷放大器(6)进行放大并转换成电压输出，经电压采集处理模块将电压信号采集并进行处理分析，实现对驱动器位移的测量。/n

【技术特征摘要】
1.一种结合磁场的压电驱动器位移测量系统，其特征在于：包括驱动模块、驱动器样机(1)、测量模块和电压采集处理模块，各模块之间通过导线(9)进行连接；驱动模块使驱动器样机(1)输出位移，在磁场力作用下，测量模块的压电晶片(4)随着位移输出发生弹性形变，由于压电效应，压电晶片(4)左右两表面产生相反电荷，由电荷放大器(6)进行放大并转换成电压输出，经电压采集处理模块将电压信号采集并进行处理分析，实现对驱动器位移的测量。


2.根据权利要求1所述的结合磁场的压电驱动器位移测量系统，其特征在于：所述的驱动器样机(1)包括螺旋测微头(1-1)、底座(1-2)、导轨(1-3)、紧固螺钉(1-4)、L形支撑架(1-5)、柔性铰链(1-6)、楔形块(1-7)、压电叠堆(1-8)、惯性质量块(1-9)、永磁铁(1-10)、永磁铁对(1-11)、簧片(1-12)、固定块A(1-13)和固定块B(1-14)；螺旋测微头(1-1)采用过盈配合装配在底座(1-2)，导轨(1-3)的滑轨通过紧固螺钉(1-4)与底座(1-2)相连，L形支撑架(1-5)紧固在导轨(1-3)的滑块上；压电叠堆(1-8)用楔形块(1-7)预紧安装在柔性铰链(1-6)的凹槽内，惯性质量块(1-9)紧固在柔性铰链(1-6)的自由端，永磁铁(1-10)吸附在惯性质量块(1-9)上，在将柔性铰链(1-6)用紧固螺钉(1-4)安装在L形支撑架(1-5)上；永磁铁对(1-11)吸附在簧片(1-12)的顶端，用固定块A(1-13)和固定块B(1-14)夹持簧片(1-12)底部并用紧固螺钉(1-4)紧固，再将固定块A(1-13)和固定块B(1-14)固定在L形支撑架(1-5)上；这里需要保持永磁铁(1-10)和永磁铁对(1-11)的正相对，避免剪切力的产生。


3.根据权利要求1所述的结合磁场的压电驱动器位移测量系统，其特征在于：所述的测量模块包括压电晶片(4)、示波器(5)和电荷放大器(6)；压电晶片(4)用环氧树脂胶紧紧粘在簧片(1-12)右侧，并用导线(9)将其连接到示波器(5)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄虎，刘艳伟，徐智，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22