【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及移相器，具体为一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器。
技术介绍
1、干涉仪是一种基于光干涉原理的精密测量仪器，它具有精度高、稳定性好、分辨率高的优点，广泛应用于光学加工、检测领域。由于干涉仪在静态下的干涉图精度低、效率低、稳定性差，移相干涉技术便发展起来。移相器是移相干涉仪中的主要部件。实现相移干涉的方式包括波长移相和机械移相。机械移相是利用压电堆栈驱动器驱动透镜在光轴方向发生连续微动来实现实时相移，具有精度高、重复性好的优点。
2、图23所示为菲索干涉仪的工作原理图。激光器发出的单色光束通过分光镜和准直物镜扩展为平行光束，平行光在带有楔形的参考镜下表面（参考面）分开为测量光束和参考光束两部分。两路光分别经参考镜面和被测件表面反射回来，通过分光镜反射进入下方的目镜，在适当调整后看到等厚干涉条纹。移相器中压电堆栈驱动参考镜产生几分之一波长的微小位移，以改变参考光的相位；ccd摄像机在目镜后方采集到这些随相位变化产生的时间序列上的干涉图，然后传输、存储到计算机中，计算机按照移相算法求解得到被测表面各点的相位值，再经过系列数据处理就可得到被测表面的形貌。
3、压电堆栈驱动器是一种性能优良的高精度位移驱动器，它利用逆压电效应可以在毫秒内产生长度方向的变形，其位移一般为自身长度的0.1%-0.2%。压电堆栈驱动器具有结构紧凑、驱动力大、响应速度快、位移分辨率高（可达到纳米级）、稳定性好、无电磁干扰等优点，在光学系统、航空航天、机器人、微机电工程、医疗机械等行业得到广泛应用。由于自身复杂的
4、基于压电堆栈的上述特性，目前主要有电荷驱动法、前馈补偿法、反馈控制法来实现压电堆栈的线性驱动。电荷驱动法在高频时具有良好的线性度和分辨率，但在低频时由于漏电、漂移等因素导致线性度下降；前馈补偿法能在一定程度上减小迟滞，但模型复杂，实时计算对硬件的要求过高。相较于上述两种方法，反馈控制法工作过程稳定，能够得到良好的线性位移输出，但它仍存在位移分辨率受传感器分辨率限制、动态性能低、传感器易引入噪声导致复杂度和成本增加的问题。
技术实现思路
1、为了消除压电堆栈驱动器非线性、迟滞、蠕变等缺陷，集成闭环控制回路，解决反馈控制中传感器动态性能低、易受外界环境影响的问题，提高移相器分辨率和精度，本专利技术设计了一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器。该移相器通过压电堆栈驱动，利用精密电容位移传感器探测压电堆栈驱动器的实时位移，通过闭环控制回路补偿位移，实现移相器长期位置稳定、运动无漂移和迟滞的运行。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：
3、一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，包括固定端板、连接于固定端板顶部端面上的移动端板、固定连接于固定端板底部端面上的后盖板，所述固定端板、移动端板和后盖板的中心处均开设有同轴且等直径的通孔，所述移动端板的环形孔的内壁上一体设置有可柔性变形的内环形铰链，所述固定端板的内圆环形侧壁的外壁上一体设置有可柔性变形的外环形铰链，所述外环形铰链的顶面与内环形铰链的底面之间固定连接；
4、所述固定端板的底部端面内嵌设有三个围绕通孔的轴线均匀分布的压电驱动器单元和电容位移传感器单元，所述电容位移传感器单元包括固定嵌设于内圆环形侧壁和压电驱动器单元之间且位于外环形铰链下方的电容传感器探头，固定端板的底部端面内固定嵌设有引线转接pcb板，所述压电驱动器单元和电容传感器探头通过引线转接pcb板与外部线缆电连接；
5、所述压电驱动器单元包括固定嵌设于移动端板底部端面内的压电堆定位套、活动套设于压电堆定位套顶部内的压电堆、活动套设于压电堆定位套内并与压电堆底端相抵的压电堆顶柱和活动套设在压电堆顶柱底端外侧的胀紧套，所述胀紧套嵌设于固定端板的底部端面内，且通过胀紧螺栓旋紧作用后，胀紧套外圆周膨胀变形而固定于固定端板内，胀紧套内圆周收缩变形而抱紧压电堆顶柱，从而使压电堆顶柱的一端固定于固定端板内、另一端悬置于压电堆定位套内；
6、压电堆施加电源激励后，压电堆产生位移并推动移动端板移动，使外环形铰链和内环形铰链同时变形，电容位移传感器单元实时检测外环形铰链的位移量，并通过闭环控制回路与预设位移量进行比较，对两者之间的误差进行实时补偿，直至移动端板移动至预设的移相位置。
7、进一步的，所述压电堆定位套与移动端板相配合的一端开设有与压电堆相匹配的安装孔，压电堆位于安装孔内，压电堆定位套的另一端开设有与压电堆顶柱相匹配的套接孔，压电堆顶柱位于套接孔内。
8、进一步的，所述压电堆定位套在安装孔所在端的外圆面上一体设置有均匀分布的齿片状保护环，压电堆定位套在套接孔所在端的外圆面上设置有引线槽。
9、进一步的，所述移动端板的底部端面上开设有与压电堆定位套端部相匹配的嵌装槽孔，所述固定端板的底部端面上开设有与胀紧套相匹配的胀紧套安装孔。
10、进一步的，所述电容位移传感器单元还包括探头、信号调理电路，所述电容传感器探头的电缆芯层与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端通过接口电路与电容传感器探头的电缆内屏蔽层连接，所述信号调理电路通过1:1运算放大器使电容传感器探头的电缆芯层和电缆内屏蔽层具有相同电位。
11、进一步的，所述电容传感器探头包括上、下相对平行设置的第一极片安装座和第二极片安装座，第一极片安装座的底面固定嵌装有目标极板、第二极片安装座的顶面固定嵌装有固定极板，目标极板与固定极板相配合，进行位移测量。
12、进一步的，所述固定端板的内圆环形侧壁的外侧设置有位于外环形铰链下方的探头嵌装凹槽，所述电容传感器探头嵌设于探头嵌装凹槽内，且位于上方的第一极片安装座通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽的顶壁上，位于下方的第二极片安装座通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽的底壁上。
13、还提供了一种压电驱动单元装配预紧工艺，应用于所述的压电驱动单元在移相器主体上的预紧作业，该装配预紧工艺采用的预紧工装包括固定底盘、三个侧插垫板、定位压板和三角施力板，三个侧插垫板在固定底盘的顶面上围绕固定底盘的中心轴线均匀分布并通过螺钉可拆卸地连接在固定底盘上，定位压板的底部活动插接于固定底盘的顶面中心，定位压板的顶部搭设在侧插垫板的顶面上并通过第二螺栓分别与三个侧插垫板活动连接，所述三角施力板的底面三角处分别固定连接有施压杆，三角施力板的顶面中心与压力机的动力输出端固定连接；
14、该装配预紧工艺包括以下步骤：
15、s1、将装配状态下的移相器主体组件以移动端板在下、固定端板在上的位姿放置在固定底盘上；
16、s2、将压电堆置入压电堆本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，包括固定端板（1）、连接于固定端板（1）顶部端面上的移动端板（2）、固定连接于固定端板（1）底部端面上的后盖板（3），所述固定端板（1）、移动端板（2）和后盖板（3）的中心处均开设有同轴且等直径的通孔，其特征在于：所述移动端板（2）的环形孔（202）的内壁上一体设置有可柔性变形的内环形铰链（5），所述固定端板（1）的内圆环形侧壁（101）的外壁上一体设置有可柔性变形的外环形铰链（9），所述外环形铰链（9）的顶面与内环形铰链（5）的底面之间固定连接；
2.根据权利要求1所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述压电堆定位套（41）与移动端板（2）相配合的一端开设有与压电堆（42）相匹配的安装孔（411），压电堆（42）位于安装孔（411）内，压电堆定位套（41）的另一端开设有与压电堆顶柱（43）相匹配的套接孔（412），压电堆顶柱（43）位于套接孔（412）内。
3.根据权利要求2所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述压电堆定位套（41
4.根据权利要求1所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述移动端板（2）的底部端面上开设有与压电堆定位套（41）端部相匹配的嵌装槽孔（203），所述固定端板（1）的底部端面上开设有与胀紧套（44）相匹配的胀紧套安装孔（103）。
5.根据权利要求1所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述电容位移传感器单元还包括探头、信号调理电路，所述电容传感器探头的电缆芯层与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端通过接口电路与电容传感器探头的电缆内屏蔽层连接，所述信号调理电路通过1:1运算放大器使电容传感器探头的电缆芯层和电缆内屏蔽层具有相同电位。
6.根据权利要求5所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述电容传感器探头（7）包括上、下相对平行设置的第一极片安装座（71）和第二极片安装座（72），第一极片安装座（71）的底面固定嵌装有目标极板（73）、第二极片安装座（72）的顶面固定嵌装有固定极板（74），目标极板（73）与固定极板（74）相配合，进行位移测量。
7.根据权利要求6所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述固定端板（1）的内圆环形侧壁（101）的外侧设置有位于外环形铰链（9）下方的探头嵌装凹槽（104），所述电容传感器探头（7）嵌设于探头嵌装凹槽（104）内，且位于上方的第一极片安装座（71）通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽（104）的顶壁上，位于下方的第二极片安装座（72）通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽（104）的底壁上。
...【技术特征摘要】
1.一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，包括固定端板（1）、连接于固定端板（1）顶部端面上的移动端板（2）、固定连接于固定端板（1）底部端面上的后盖板（3），所述固定端板（1）、移动端板（2）和后盖板（3）的中心处均开设有同轴且等直径的通孔，其特征在于：所述移动端板（2）的环形孔（202）的内壁上一体设置有可柔性变形的内环形铰链（5），所述固定端板（1）的内圆环形侧壁（101）的外壁上一体设置有可柔性变形的外环形铰链（9），所述外环形铰链（9）的顶面与内环形铰链（5）的底面之间固定连接；
2.根据权利要求1所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述压电堆定位套（41）与移动端板（2）相配合的一端开设有与压电堆（42）相匹配的安装孔（411），压电堆（42）位于安装孔（411）内，压电堆定位套（41）的另一端开设有与压电堆顶柱（43）相匹配的套接孔（412），压电堆顶柱（43）位于套接孔（412）内。
3.根据权利要求2所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述压电堆定位套（41）在安装孔（411）所在端的外圆面上一体设置有均匀分布的齿片状保护环（413），压电堆定位套（41）在套接孔（412）所在端的外圆面上设置有引线槽（414）。
4.根据权利要求1所述的一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，其特征在于：所述移动端板（2）的底部端面上开设有与压...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯志华，贾志伟，许涛，陈建，
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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