本發(fā)明涉及一種光電陶瓷實(shí)驗(yàn)裝置，特別是一種光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

光電陶瓷(PLZT)具有將光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的特性，由于光生伏特效應(yīng)其在光照條件下能夠產(chǎn)生數(shù)KV/cm的靜電電壓，同時(shí)由于逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的電壓能夠轉(zhuǎn)變?yōu)檠貥O化方向的形變?；诠怆娞沾傻尿?qū)動(dòng)裝置具有非接觸式控制、無線能量傳輸、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可以被應(yīng)用于光學(xué)儀器、光存儲(chǔ)器、投影儀和掃描儀等設(shè)備中。近年來，諸多學(xué)者展開了光電陶瓷在微驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的預(yù)研工作，然而有關(guān)光電陶瓷輸出位移的控制一直處于開環(huán)階段，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行精確的閉環(huán)控制。

申請(qǐng)人之前的專利《一種光電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微鏡微調(diào)裝置》公開了一種利用光電陶瓷的光致形變效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微鏡進(jìn)行微調(diào)節(jié)裝置，該裝置可以直接將光能轉(zhuǎn)化機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)微鏡平移和旋轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，但是該專利中的具體驅(qū)動(dòng)控制裝置及控制方法有待完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置及控制方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置，包括非接觸式位移傳感器控制臺(tái)、非接觸式位移傳感器探頭、光電陶瓷、光電陶瓷夾具、絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)、絲杠、第一滑動(dòng)導(dǎo)軌、第二滑動(dòng)導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌底座、伺服電機(jī)、計(jì)算機(jī)、紫外光源控制器、光快門控制器、平臺(tái)立柱、紫外光源探頭和光快門；

絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)、絲杠、第一滑動(dòng)導(dǎo)軌、第二滑動(dòng)導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌底座、伺服電機(jī)構(gòu)成了光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制裝置的粗調(diào)節(jié)裝置，滑動(dòng)導(dǎo)軌底座上設(shè)置相互平行的絲杠、第一滑動(dòng)導(dǎo)軌和第二滑動(dòng)導(dǎo)軌，其中絲杠位于第一滑動(dòng)導(dǎo)軌和第二滑動(dòng)導(dǎo)軌之間，絲杠的一端與伺服電機(jī)相連，在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠的另一端設(shè)置絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)，該絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)可相對(duì)第一滑動(dòng)導(dǎo)軌和第二滑動(dòng)導(dǎo)軌沿導(dǎo)軌方向滑動(dòng)，所述伺服電機(jī)在計(jì)算機(jī)的控制下工作；

絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)上固連光電陶瓷夾具和平臺(tái)立柱，光電陶瓷夾具上固連光電陶瓷，光電陶瓷的另一端為自由端，平臺(tái)立柱上設(shè)置紫外光源探頭和光快門，其中紫外光源探頭位于光快門的正上方，紫外光源探頭通過導(dǎo)線與紫外光源控制器相連，紫外光源探頭在紫外光源控制器的控制下工作，光快門通過導(dǎo)線與光快門控制器相連，光快門在光快門控制器的控制下工作，所述紫外光源控制器和光快門控制器均與計(jì)算機(jī)相連；

非接觸式位移傳感器探頭設(shè)置在光電陶瓷的的正前方，用于測(cè)量光電陶瓷自由端的輸出位移，非接觸式位移傳感器探頭通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳遞到非接觸式位移傳感器控制臺(tái)上，該非接觸式位移傳感器控制臺(tái)同時(shí)與計(jì)算機(jī)相連。

一種基于上述光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟1、光電陶瓷的位移由非接觸式位移傳感器探頭測(cè)量并傳送給非接觸式位移傳感器控制臺(tái)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副完成粗調(diào)節(jié)，使光電陶瓷的自由端與非接觸式位移探頭的距離小于等于光電陶瓷的最大伸長(zhǎng)量，然后執(zhí)行步驟2；

步驟2、計(jì)算機(jī)發(fā)送指令給紫外光源控制器控制紫外光源探頭開啟，同時(shí)發(fā)送指令給光快門控制器控制光快門打開，然后轉(zhuǎn)向步驟3；

步驟3、計(jì)算機(jī)接收由非接觸式位移傳感器控制臺(tái)發(fā)送的位移數(shù)據(jù)S，并與設(shè)定的目標(biāo)位移S_t進(jìn)行比較，當(dāng)位移S大于目標(biāo)位移S_t時(shí)，計(jì)算機(jī)將光快門關(guān)閉；否則，執(zhí)行步驟4；

步驟4、計(jì)算機(jī)將光快門保持打開狀態(tài)，并返回步驟3直至位移S等于目標(biāo)位移S_t為止。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)光電陶瓷輸出位移的控制多為開環(huán)控制，本發(fā)明利用非接觸式位移傳感器，光快門等設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)光電陶瓷輸出位移的閉環(huán)伺服控制；2)本發(fā)明的光電陶瓷閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置增加了絲杠螺母副粗調(diào)節(jié)裝置，增加了整個(gè)裝置調(diào)節(jié)的范圍；3)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)對(duì)光快門的控制采用了開環(huán)指令發(fā)送，閉環(huán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方式，在避免程序出錯(cuò)的同時(shí)，提高了光快門的響應(yīng)速度。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2為光電-壓電-靜電復(fù)合驅(qū)動(dòng)微鏡微調(diào)節(jié)裝置平面示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)所代表的含義為：1.非接觸式位移傳感器控制臺(tái)、2.非接觸式位移傳感器探頭、3.光電陶瓷、4.光電陶瓷夾具、5.絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)、6.絲杠、7.滑動(dòng)導(dǎo)軌一、8.滑動(dòng)導(dǎo)軌二、9.滑動(dòng)導(dǎo)軌底座、10.伺服電機(jī)、11.計(jì)算機(jī)、12.紫外光源控制器，13.光快門控制器、14.平臺(tái)立柱、15.紫外光源探頭、16.光快門。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置，包括非接觸式位移傳感器控制臺(tái)1、非接觸式位移傳感器探頭2、光電陶瓷3、光電陶瓷夾具4、絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)5、絲杠6、第一滑動(dòng)導(dǎo)軌7、第二滑動(dòng)導(dǎo)軌8、滑動(dòng)導(dǎo)軌底座9、伺服電機(jī)10、計(jì)算機(jī)11、紫外光源控制器12、光快門控制器13、平臺(tái)立柱14、紫外光源探頭15和光快門16；

絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)5、絲杠6、第一滑動(dòng)導(dǎo)軌7、第二滑動(dòng)導(dǎo)軌8、滑動(dòng)導(dǎo)軌底座9、伺服電機(jī)10構(gòu)成了光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制裝置的粗調(diào)節(jié)裝置，滑動(dòng)導(dǎo)軌底座9上設(shè)置相互平行的絲杠6、第一滑動(dòng)導(dǎo)軌7和第二滑動(dòng)導(dǎo)軌8，其中絲杠6位于第一滑動(dòng)導(dǎo)軌7和第二滑動(dòng)導(dǎo)軌8之間，絲杠6的一端與伺服電機(jī)10相連，在伺服電機(jī)10的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠6的另一端設(shè)置絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)5，該絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)5可相對(duì)第一滑動(dòng)導(dǎo)軌7和第二滑動(dòng)導(dǎo)軌8沿導(dǎo)軌方向滑動(dòng)，所述伺服電機(jī)10在計(jì)算機(jī)11的控制下工作；

絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)5上固連光電陶瓷夾具4和平臺(tái)立柱14，光電陶瓷夾具4上固連光電陶瓷3，光電陶瓷3的另一端為自由端，平臺(tái)立柱14上設(shè)置紫外光源探頭15和光快門16，其中紫外光源探頭15位于光快門16的正上方，紫外光源探頭15通過導(dǎo)線與紫外光源控制器12相連，紫外光源探頭15在紫外光源控制器12的控制下工作，光快門16通過導(dǎo)線與光快門控制器13相連，光快門16在光快門控制器13的控制下工作，所述紫外光源控制器12和光快門控制器13均與計(jì)算機(jī)11相連；

非接觸式位移傳感器探頭2設(shè)置在光電陶瓷的3的正前方，用于測(cè)量光電陶瓷3自由端的輸出位移，非接觸式位移傳感器探頭2通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳遞到非接觸式位移傳感器控制臺(tái)1上，該非接觸式位移傳感器控制臺(tái)1同時(shí)與計(jì)算機(jī)11相連。

所述光電陶瓷3的型號(hào)為0-1極化PLZT陶瓷，組分為3/52/48，在光照條件下能夠沿極化方向伸長(zhǎng)，停止光照后則會(huì)縮短，直至原長(zhǎng)度。

所述光快門16為Thorlabs公司的SHB1光圈快門，可以連續(xù)地以10Hz的頻率進(jìn)行控制，突發(fā)頻率則可以提高至15Hz。

一種基于上述光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟1、光電陶瓷3的位移由非接觸式位移傳感器探頭2測(cè)量并傳送給非接觸式位移傳感器控制臺(tái)1，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)11；計(jì)算機(jī)11通過控制伺服電機(jī)10驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副完成粗調(diào)節(jié)，使光電陶瓷3的自由端與非接觸式位移探頭2的距離小于等于光電陶瓷3的最大伸長(zhǎng)量，然后執(zhí)行步驟2；

步驟2、計(jì)算機(jī)11發(fā)送指令給紫外光源控制器12控制紫外光源探頭15開啟，同時(shí)發(fā)送指令給光快門控制器13控制光快門16打開，然后轉(zhuǎn)向步驟3；

步驟3、計(jì)算機(jī)11接收由非接觸式位移傳感器控制臺(tái)1發(fā)送的位移數(shù)據(jù)S，并與設(shè)定的目標(biāo)位移S_t進(jìn)行比較，當(dāng)位移S大于目標(biāo)位移S_t時(shí)，計(jì)算機(jī)1將光快門16關(guān)閉；否則，執(zhí)行步驟4；

步驟4、計(jì)算機(jī)1將光快門16保持打開狀態(tài)，并返回步驟3直至位移S等于目標(biāo)位移S_t為止。

控制過程中，光快門控制器13每隔0.5s向計(jì)算機(jī)11發(fā)送一次當(dāng)前光快門狀態(tài)變量Z_o的值，并與計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)定的光快門狀態(tài)變量Z_n進(jìn)行比較，如果不一致，則立刻對(duì)Z_n進(jìn)行修正，即將當(dāng)前光快門狀態(tài)變量Z_o的值賦予Z_n。

本發(fā)明的計(jì)算機(jī)對(duì)光快門的控制采用了開環(huán)指令發(fā)送，閉環(huán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方式，在避免程序出錯(cuò)的同時(shí)，提高了光快門的響應(yīng)速度。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置，適用于微驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的非接觸式領(lǐng)域，尤其適用于光電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器輸出位移的閉環(huán)伺服控制領(lǐng)域。該實(shí)驗(yàn)裝置包括絲杠螺母副粗調(diào)節(jié)裝置，光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制裝置。其中，光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制裝置中的光電陶瓷3、光電陶瓷夾具4、平臺(tái)立柱14、紫外光源探頭15、光快門16位于絲杠螺母副粗調(diào)節(jié)裝置的移動(dòng)平臺(tái)5上。

結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明的一種光電陶瓷位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法如下。當(dāng)在計(jì)算機(jī)11中輸入目標(biāo)位移量并按下開始按鈕后，計(jì)算機(jī)11控制伺服電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)5進(jìn)行粗調(diào)節(jié)。在粗調(diào)節(jié)完成以后，計(jì)算機(jī)11首先發(fā)送指令給紫外光源控制器12打開位于絲杠螺母副移動(dòng)平臺(tái)5上的紫外光源探頭15。光電陶瓷3在紫外光源照射下開始發(fā)生形變，由于一端固定在光電陶瓷夾具4上，形變量轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娞沾?自由端的輸出位移，通過非接觸式位移傳感器探頭2進(jìn)行測(cè)量，并由非接觸式位移傳感器控制臺(tái)1返回給計(jì)算機(jī)11。

計(jì)算機(jī)11接收由非接觸式位移傳感器控制臺(tái)1發(fā)送的位移數(shù)據(jù)S，并與目標(biāo)位移S_t進(jìn)行比較。當(dāng)位移S大于目標(biāo)值S_t時(shí)，計(jì)算機(jī)[1]將變量Z_c賦值為OFF，并與計(jì)算機(jī)11內(nèi)的光快門狀態(tài)保存變量Z_n進(jìn)行比較。當(dāng)Z_c與Z_n保存的值不相等時(shí)，計(jì)算機(jī)將Z_c內(nèi)保存的值賦給Z_n，并將該值以指令形式發(fā)送給光快門控制器。光快門控制器13接收到OFF指令，驅(qū)動(dòng)并閉合光快門15，同時(shí)將保存的光快門狀態(tài)變量Z_o變?yōu)镺FF。反之，當(dāng)位移S大于目標(biāo)值S_t時(shí)，計(jì)算機(jī)[1]將變量Z_c賦值為ON，并與計(jì)算機(jī)內(nèi)的光快門狀態(tài)保存變量Z_n進(jìn)行比較。當(dāng)Z_c與Z_n保存的值不相等時(shí)，計(jì)算機(jī)將Z_c內(nèi)保存的值賦給Z_n，并將該值以指令形式發(fā)送給光快門控制器13。光快門控制器13接收到ON指令，驅(qū)動(dòng)并打開光快門15，同時(shí)將保存的光快門狀態(tài)變量Z_o變?yōu)镺N。光快門控制器13每隔0.5s向計(jì)算機(jī)11發(fā)送一次當(dāng)前光快門狀態(tài)變量Z_o的值，并與計(jì)算機(jī)11內(nèi)的光快門狀態(tài)變量Z_n進(jìn)行比較。如果不一致，則立刻對(duì)Z_n進(jìn)行修正，這樣通過開環(huán)指令發(fā)送，閉環(huán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方式，避免了計(jì)算機(jī)11保存的光快門狀態(tài)與實(shí)際光快門狀態(tài)不一致，從而導(dǎo)致發(fā)送錯(cuò)誤指令。

本發(fā)明為光電陶瓷在微驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供的一種位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)裝置及控制方法，為研究光電陶瓷輸出位移的動(dòng)態(tài)特性做了鋪墊。