專利名稱:低壓微位移驅(qū)動電路及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理光學(xué)儀器的光電輪廓儀，特別是一種低壓微位移驅(qū)動電路及控制方法。
背景技術(shù)：
精確測量物體輪廓形狀(三維立體圖)及表面粗糙度(二維平面圖)的光電輪廓儀，由干涉顯微鏡、CMOS攝像頭、微位移驅(qū)動電路等組成。干涉顯微鏡是測量的基準(zhǔn)儀器，測量時不與被測物接觸，主要運用對干涉顯微鏡的參考光路進(jìn)行移相的技術(shù)，由CMOS攝像頭測出干涉條紋的間隔，然后在控制微位移驅(qū)動電路中，作為移相器的壓電陶瓷加上電壓，使壓電陶瓷位移面伸縮(微位移)，推動與之接觸的干涉顯微鏡調(diào)節(jié)手輪的鋼球，鋼球再推動其鏡筒，來調(diào)節(jié)光程差，從而完成相移過程。
但是壓電陶瓷對所加電壓(0～200V)與位移之間具有非線性關(guān)系，存在著相移量的定標(biāo)問題，現(xiàn)在的光電輪廓儀都采用壓電陶瓷非線性較小的高電壓區(qū)(100～200V)，所以其驅(qū)動電路中的運算放大器只能從國外進(jìn)口，成本很高；而運放的高工作電源(±250V)其變壓器大，所以光電輪廓儀顯得十分笨重，使用不便，測量精度也較難適應(yīng)科研及精密制造的要求。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有光電輪廓儀成本高，體積大，操作復(fù)雜，精度較低所存在的技術(shù)問題，而采用的一種由壓電陶瓷低電壓區(qū)構(gòu)成的低電壓微位移驅(qū)動電路及控制方法。
依據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一種低電壓微位移驅(qū)動電路，由微控制器MCU、數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、一級運放A1、二級運放A2、三級運放A3及壓電陶瓷PZT構(gòu)成；其中微控制器MCU輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A輸入端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的輸出端V0與一級運放A1的負(fù)輸入端-連接，一級運放A1的輸出端與二級運放A2的負(fù)輸入端-連接，二級運放A2的輸出端與三級運放A3的正輸入端+連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A接地端7、一級運放A1和二級運放A2的正輸入端+及三級運放A3的電阻R1、壓電陶瓷PZT負(fù)輸入端V-接地；三級運放A3的負(fù)輸入端-與電阻R1和電位器W活動端連接，其輸出端和電阻R2、電位器W的固定端、壓電陶瓷PZT正輸入端V+連接；其中微控制器MCU的輸入端與計算機(jī)PC連接、壓電陶瓷PZT的位移面與干涉顯微鏡的鋼球接觸。
上述電路，其中一級、二級運放A1、A2采用雙運放LF353。
上述電路，其中三級運放A3采用TLE2142。
依據(jù)上述目的，本發(fā)明還提供一種對低壓微位移驅(qū)動電路中壓電陶瓷PZT上所加電壓的控制方法，為了解決壓電陶瓷PZT低電壓區(qū)非線性大所存在的相移量定標(biāo)問題，該方法利用了光電輪廓儀軟件的驅(qū)動指令部分。由計算機(jī)及操作軟件來控制壓電陶瓷PZT上的所加電壓，其控制方法如下設(shè)定相位差設(shè)置值→設(shè)定壓電陶瓷控制電壓初值→驅(qū)動壓電陶瓷伸縮→推動干涉顯微鏡鏡筒→產(chǎn)生不同相位干涉圖→將圖象變?yōu)閿?shù)字信號→算出相位差→實測值與設(shè)置值比較→根據(jù)差值修正壓電陶瓷控制電壓值。實測值與設(shè)置值之間小于允許誤差結(jié)束調(diào)整。
本發(fā)明由于采取了以上技術(shù)措施，使光電輪廓儀具有重量輕、體積小、精度高、造價低、性能全的優(yōu)點，成為納米級精確測量物體輪廓及表面粗糙度的新型儀器。
圖1是本發(fā)明的電路圖。
圖2是本發(fā)明的控制流程圖。
具體實施方式如圖1所示PC計算機(jī)通過串口RS232經(jīng)過微控制器MCU向數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A發(fā)出驅(qū)動指令，轉(zhuǎn)換器D/A輸出端V0輸出模擬信號電壓，再經(jīng)反相放大器一級、二級運放A1、A2放大后進(jìn)入正相放大器三級運放A3再放大，輸出0V-40V的驅(qū)動電壓給壓電陶瓷PZT的正輸入端V+，驅(qū)動壓電陶瓷PZT位移面伸長。其中電阻R1、R2為偏置電阻，電位器W為反饋可變電阻，可改變放大倍數(shù)控制輸出0V-40V電壓。
該電路中的一、二級運放A1、A2的工作電壓為±15V，三級運放A3的工作電壓也只為40V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以前的250V，而且價格從幾千元降到幾十元。從而使儀器重量減輕，體積縮小，還大大降低了生產(chǎn)成本。
如圖2所示由PC計算機(jī)控制壓電陶瓷PZT上所加電壓的電壓值，由CMOS攝像頭攝取圖像，然后算出干涉條紋的間隔，PC計算機(jī)控制壓電陶瓷PZT上所加電壓，直至干涉條紋相位差到達(dá)所要求的值，停止改變電壓并進(jìn)行采樣，這樣即可消除壓電陶瓷PZT所加電壓與位移的非線性誤差。其控制流程如下步驟S1首先將壓電陶瓷PZT上所加電壓從0V增加到40V，使壓電陶瓷PZT和機(jī)械裝置從頭至尾走一遍，起到預(yù)熱作用，然后將所加電壓停在起始位置(10V左右)。該控制方法的相位差設(shè)置值設(shè)定為40°，則需分九擋步距進(jìn)行，(即360°/40°)。根據(jù)需要，相位差設(shè)置值也可定為45°，則需分八檔步距進(jìn)行，以此類推。
步驟S2根據(jù)每步的間隔設(shè)定壓電陶瓷控制電壓初值。若該儀器第一次使用，則每步電壓值取2V作為初值，若儀器已使用過，則取上次調(diào)整后存儲的每步電壓值，作為初值。
步驟S3PC計算機(jī)通過串口RS232向微控制器MCU發(fā)出驅(qū)動指令，通過驅(qū)動電路使壓電陶瓷PZT位移面伸縮。
步驟S4壓電陶瓷PZT位移面推動干涉顯微鏡鏡筒動作，改變參考光路的行程，形成不同的光程差。壓電陶瓷PZT就相當(dāng)于一個移相器。
步驟S5不同的光程差在光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生不同的相位干涉圖像。
步驟S6由CMOS攝像頭攝取圖像，然后通過PC計算機(jī)軟件讀取圖像，進(jìn)行剪輯后，將圖像變?yōu)閿?shù)字訊號。
步驟S7根據(jù)訊號矩陣，用富里葉分析的方法算出相位差。
步驟S8將相位差實測值和設(shè)置值40°比較?？筛鶕?jù)用戶需求非常靈活地調(diào)整設(shè)置值，然后對每步誤差進(jìn)行分析。若每步相位差值均在允許誤差范圍內(nèi)(如將允許誤差設(shè)為3.5°)，則存儲本次調(diào)整后的每步電壓值，以備今后測量使用，然后進(jìn)入后續(xù)動作。若其中有一步或多步超過允許誤差范圍，則自動進(jìn)入步驟S9。
步驟S9調(diào)整超差步距的電壓值，符合要求步距的電壓值不變。在調(diào)整電壓值時，為了避免引起震蕩，必須對誤差值分析，采用不同的電壓調(diào)整值。如當(dāng)誤差值≥±5°時，每步電壓值調(diào)整0.06V；當(dāng)誤差值＜±5°時，每步電壓值調(diào)整0.02V。
調(diào)整后，繼續(xù)執(zhí)行步驟S3，直至每步相位差實測值與設(shè)置值之間小于允許誤差，結(jié)束調(diào)整。
這個方法的優(yōu)點在于不但可以消除壓電陶瓷的非線性誤差，使得開環(huán)電路取得閉環(huán)的效果，而且也降低了機(jī)械零部件裝配的難度。
權(quán)利要求
1.一種低電壓微位移驅(qū)動電路，其特征是由微控制器(MCU)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)、一級運放(A1)、二級運放(A2)、三級運放(A3)及壓電陶瓷(PZT)構(gòu)成；其中微控制器(MCU)輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)輸入端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)的輸出端(V0)與一級運放(A1)的負(fù)輸入端(-)連接，一級運放(A1)的輸出端與二級運放(A2)的負(fù)輸入端(-)連接，二級運放(A2)的輸出端與三級運放(A3)的正輸入端(+)連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)接地端(7)、一級運放(A1)和二級運放(A2)的正輸入端(+)及三級運放(A3)的電阻(R1)、壓電陶瓷(PZT)負(fù)輸入端(V-)接地；三級運放(A3)的負(fù)輸入端(-)與電阻(R1)和電位器(W)活動端連接，其輸出端和電阻(R2)、電位器(W)的固定端、壓電陶瓷(PZT)正輸入端(V+)連接；其中微控制器(MCU)的輸入端與計算機(jī)PC連接、壓電陶瓷(PZT)的位移面與干涉顯微鏡的鋼球接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征是其中一級、二級運放(A1)、(A2)采用雙運放LF353。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征是其中三級運放(A3)采用TLE2142。
4.一種低壓微位移驅(qū)動電路的控制方法，其特征是設(shè)定相位差設(shè)置值→設(shè)定壓電陶瓷控制電壓初值→驅(qū)動壓電陶瓷伸縮→推動干涉顯微鏡鏡筒→產(chǎn)生不同相位干涉圖→將圖象變?yōu)閿?shù)字信號→算出相位差→實測值與設(shè)置值比較→根據(jù)差值修正壓電陶瓷控制電壓值，實測值與設(shè)置值之間小于允許誤差結(jié)束調(diào)整。
專利摘要
本發(fā)明提供一種由壓電陶瓷低電壓區(qū)構(gòu)成的低電壓微位移驅(qū)動電路及控制方法。電路由微控制器MCU、數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A、一級運放A1、二級運放A2、三級運放A3及壓電陶瓷PZT構(gòu)成；其控制方法如下設(shè)定相位差設(shè)置值→設(shè)定壓電陶瓷控制電壓初值→驅(qū)動壓電陶瓷伸縮→推動干涉顯微鏡鏡筒→產(chǎn)生不同相位干涉圖→將圖象變?yōu)閿?shù)字信號→算出相位差→實測值與設(shè)置值比較→根據(jù)差值修正壓電陶瓷控制電壓值，實測值與設(shè)置值之間小于允許誤差結(jié)束調(diào)整。本發(fā)明使光電輪廓儀具有重量輕、體積小、精度高、造價低、性能全的優(yōu)點，成為納米級精確測量物體輪廓及表面粗糙度的新型儀器。
文檔編號G01B11/30GK1995909SQ200610148202
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月28日
發(fā)明者朱紀(jì)忠, 陳若雷, 陸忠 申請人:上海精密科學(xué)儀器有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan