本发明专利技术公开了一种基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统，涉及精密机械和现代控制技术领域。本发明专利技术包括微振动源（00）、传感器（10）、加速度模块（20）、位移模块（30）、速度模块（40）、第一加法器（50）、放大和滤波模块（60）、第二加法器（70）、驱动模块（80）和压电陶瓷（90）。本发明专利技术结构简单，体积小，易于集成；可获得较宽的控制带宽，控制频率可到200Hz甚至更高；采用电阻尼代替机械阻尼，在实现上较为简单；采用位移信号作为低频漂移补偿而不是采用直流反馈的方法进行直流稳定，保证了足够的低频增益和相位裕度，有效提高了控制带宽和压制比。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精密机械和现代控制
，尤其涉及一种基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统；该系统是一种结构简单、体积小、实用性和可扩展性强的一维主动振动隔离系统，可广泛应用于原子力显微镜(AFM)、激光干涉和引力波探测等对振动敏感的系统中。
技术介绍
随着精密测量、高分辨率观测和激光技术的广泛应用，好的隔振技术和隔振平台被迫切需要。在许多精密测量实验中如高精度光学、激光频率稳定、激光干涉引力波探测等，地面振动甚至是声音或是气流引起的微振动，即使在io_5g以下，也对测量结果产生很大的影响。在这些实验中商用的被动隔振平台被广泛地应用。但是大部分的被动隔振平台只能对IOHz以上的振动频率才能达到100倍最好到1000倍的效果，而对于IOHz以下的隔离不强，一般对IHz有不到10倍的抑制，对于IHz以下几乎是不起作用；另外被动隔离平台对环境的声音和气流没有隔离效果。然而IOHz以下的振动是对上述实验产生巨大影响的主要来源。因此研究开发主动隔振技术成为进一步压制低频(〈10Hz)振动的主要技术。目前的主动隔振技术主要是通过传感器来检测振动，在伺服系统下对信号进行处理并反馈给执行机构用于抵消振动。从执行机构上来看，现在大部分的主动振动隔离的执行器件是直接的力产生装置如直线电机，螺线管等，并加上复杂的机械阻尼结构来消除机械谐振，来达到系统的稳定。这些器件一般谐振频率较低(几百Hz以下)，系统在体积上相对较大，结构相对复杂些。首先对于许多需要小体积的实验或应用不适用；其次由于较低的谐振使得控制带宽严重受限，在实现上对其进行相位补偿也相对很困难，这种执行机构一般控制带宽在高频只能到几十Hz。压电陶瓷作为执行机构，相对于直线电机由于压电陶瓷较小的位移量和低频增益，在目前的许多主动振动控制中都放弃采用其作为执行机构，而采用音圈电机去控制振动。但是由于压电陶瓷和压电加速度计体积小而且模块化，结构简单并且谐振频率较高(几 kHz甚至更高)的优点，对于振动控制是一个很好的选择。由于压电陶瓷的这种体积小并且模块化结构可广泛地适用于精密测量的许多微型结构之中。例如它可以被放在原子力显微镜(AFM)中来控制探测样本平台的振动，从而提高原子力显微镜的成像质量和扫描速度； 也能够用在超稳光腔上，降低光腔的振动，提高激光的频率稳定度。另外它也可以方便地进行多维拓展，来实现振动的多维度控制。如果使用压电陶瓷来进行振动控制也存在以下两方面的困难首先压电陶瓷虽然有很好的高频特性但是其谐振以及机械结构的谐振会产生很大的相移，严重影响系统的稳定性；其次是由于压电陶瓷是一种位移产生装置，其产生的加速度随频率的降低而急剧减小(12dB/oct)导致低频增益很小，需要在很大的电路增益作为弥补，这直接导致了电路部分的直流漂移严重甚至饱和，系统无法工作。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统。本专利技术机械结构部分简单，可扩展空间大，其伺服电路和控制方法可用于其他类似的振动控制系统，其方法在原理上具有普遍适用性。本专利技术采用的压电陶瓷作为执行机构来进行主动振动隔离，形成一种结构简单、 模块化、体积小、易于集成的隔振系统，并且获得一个稳定的振动主动控制系统，其控制带宽是I 200Hz，在20Hz处有60倍的压制效果。本专利技术的目的是这样实现的在现有技术的基础上，通过外部伺服系统的设计和改进，来克服上述的困难。一、本系统的结构是压电加速度计与微振动源连接，获得振动信号；压电加速度计、电荷放大器、偏置补偿电路和参考电压依次连接，用于检测和处理加速度信号；应变片、前置放大器、第一积分器和微分器依次连接，用于压电陶瓷产生的位移信号的检测和处理；偏置补偿电路和微分器的输出在第一加法器处相加，第一加法器的输出端、斩波器和锁相放大器、第一滤波电路和第二滤波电路依次连接，得到和信号，并进行放大和滤波； 电荷放大器的输出端、第二积分器和同相放大器依次连接，得到速度信号并进行放大；同相放大器的输出和第二滤波电路的输出在第二加法器处相加，第二加法器的输出端、陷波器、高压放大器和驱动压电陶瓷依次连接，用于驱动压电陶瓷；压电陶瓷固定于微振动源内，来抵消其振动。二、本系统的操作方法①将压电陶瓷固定在所需要进行控制的平台下面，将压电加速度计固定在平台的上面，来检测平台的振动；②打开本系统各部分的电源，待加速度模块的直流稳定后，调节参考电压值使得加速度模块的输出直流很小；③把放大和滤波模块中的锁相放大器的增益调节到最小，时间常数设置为300ms，斜率为 12dB/oct ；④速度模块的增益先加少量，来保证有很小的谐振压制效果；⑤闭合回路，待系统稳定后，逐步提高锁相放大器和速度模块的增益，直到压制效果最好,系统也不振荡。本系统具有以下优点和积极效果①结构简单，体积小，易于集成；②可获得较宽的控制带宽，控制频率可到200Hz甚至更高；③采用电阻尼代替机械阻尼，在实现上较为简单，且适用于不同振动控制系统中的谐振峰压制，在原理上具有普遍适用性。④采用位移信号作为低频漂移补偿而不是采用直流反馈的方法进行直流稳定，保证了足够的低频增益和相位裕度，有效提高了控制带宽和压制比。 附图说明图I是本系统的结构方框图；图2是微振动源和传感器及执行器的结构示意图(剖面图)；图中00—微振动源，01—铝支架，02—铝底盘，03—钢珠，04—钢珠套，05—平头挡；10 一传感器，11一压电加速度计，12一应变片；20—加速度模块，21 一电荷放大器，22—偏置补偿电路，23—参考电压；30一位移模块，31一前置放大器，32—第一积分器,33—微分器；40—速度模块；41 一第二积分器，42—同相放大器；50—第一加法器；60—放大和滤波模块，61—斩波器和锁相放大器，62—第一滤波电路，63—第二滤波电路； 70—第二加法器；80—驱动模块，81—陷波器，82—高压放大器。90—压电陶瓷(执行结构)。图3是两传感器对压电陶瓷的响应曲线；图中a是幅频响应， b是相频响应，曲线I一加速度计和压电陶瓷的响应，曲线2—应变片及前置放大器和压电陶瓷的响应；图4是谐振峰压制曲线；图中a是幅频响应， b是相频响应，曲线I一没有速度反馈的压电陶瓷的响应，曲线2—有速度反馈的压电陶瓷的响应；图5是振动控制谱；图中曲线I一地面的振动谱，曲线2—闭环控制后的振动谱，曲线3—通过地面振动谱和环路增益计算的振动谱，曲线4一闭环后电路部分贡献的噪声，曲线5—电荷放大器独立工作的噪声谱。具体实施方式下面结合附图和实施例对本系统详细说明一、总体如图I，本系统包括微振动源00、传感器10、加速度模块20、位移模块30、速度模块40、 第一加法器50、放大和滤波模块60、第二加法器70、驱动模块80和压电陶瓷(执行器)90 ； 微振动源00包括铝支架01、铝底盘02、钢珠03、钢珠套04和平头挡05 ；传感器10包括压电加速度计11和应变片12 ；加速度模块20由电荷放大器21、偏置补偿电路22和参考电压23组成；位移模块30由前置放大器31、第一积分器32和微分器33组成；速度模块40由第二积分器41和同相放大器42组成；放大和滤波模块60由斩波器和锁相放大器本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统，其特征在于：压电加速度计（11）与微振动源（00）连接，获得振动信号；压电加速度计（11）、电荷放大器（21）、偏置补偿电路（22）和参考电压（23）依次连接，用于检测和处理加速度信号；应变片（12）、前置放大器（31）、第一积分器（32）和微分器（33）依次连接，用于压电陶瓷产生的位移信号的检测和处理；偏置补偿电路（22）和微分器（33）的输出在第一加法器（50）处相加，第一加法器（50）的输出端、斩波器和锁相放大器（61）、第一滤波电路（62）和第二滤波电路（63）依次连接，得到和信号，并进行放大和滤波；电荷放大器（21）的输出端、第二积分器（41）和同相放大器（42）依次连接，得到速度信号并进行放大；同相放大器（42）的输出和第二滤波电路（63）的输出在第二加法器?（70）处相加，第二加法器（70）的输出端、陷波器（81）、高压放大器（82）和驱动压电陶瓷（13）依次连接，用于驱动压电陶瓷（90）；压电陶瓷（90）固定于微振动源（00）内，来抵消其振动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：沈辉，王春，陈李生，李刘锋，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：
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