專利名稱：一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動器及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柔性結(jié)構(gòu)精密非接觸作動裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前用于柔性結(jié)構(gòu)控制的作動器有傳統(tǒng)的機(jī)電式、液壓式作動器和基于壓 電陶瓷、形狀記憶合金、電致伸縮陶瓷、磁致伸縮陶瓷和電磁流變液等功能材 料作動器。這些現(xiàn)有的作動器由于其工作原理和材料自身屬性，分別存在如下
缺點(diǎn)
1、 傳統(tǒng)機(jī)電式或液壓式作動器，由于其自身結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的復(fù)雜性和對 機(jī)械/液壓系統(tǒng)和使用結(jié)構(gòu)空間的要求，限制了其應(yīng)用場合和工作周期，如微 精密機(jī)電系統(tǒng)和宇航空間結(jié)構(gòu)控制等。
2、 現(xiàn)有的電、磁激勵的功能材料作動器局限性在于a)纜線電磁噪聲。 如基于壓電陶瓷、電/磁致伸縮陶瓷的作動器往往需要硬件線纜與傳輸動力源 f目連接，并通過命令激活執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在長距離數(shù)據(jù)傳輸時，信號傳輸總線很容 易在電場和磁場的交互作用下引起電磁噪聲干擾，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí) 時性，而使控制命令可能不被正確執(zhí)行，進(jìn)而引起控制的不可靠和不穩(wěn)定問題。 b)驅(qū)動能源限制。基于不同的固有屬性，現(xiàn)有的功能材料作動器受到驅(qū)動能 源的限制，如壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷作為作動器需要較高的控制電壓(幾百 伏至上千伏)，磁致伸縮作動器需要附加設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)磁場等。同時，強(qiáng)電、磁 的作用會影響其它電子器件的正常工作。c)工作條件限制。形狀記憶合金(SMA) 雖然具有很大的形變和控制力，但因工作中需要電源加熱，限制了它的工作范 圍，而且響應(yīng)頻率很低， 一般用于10Hz以下的振動響應(yīng)控制，且長期使用后， 材料本身會產(chǎn)生蠕變，工作穩(wěn)定性差。d)結(jié)構(gòu)尺寸限制。如電磁流變液作動 器為防止功能材料的泄露和吸收，必須要求封裝在密封腔體中，在實(shí)際應(yīng)用中 受到作動器結(jié)構(gòu)尺寸的制約。同時，由于它需要很強(qiáng)的控制電場，給電路的設(shè) 計及實(shí)施帶來一定的困難。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的作動器在控制過程中存在的驅(qū)動能源、工作條件和 結(jié)構(gòu)尺寸限制的弊端，以及纜線電磁噪聲干擾、附加設(shè)備復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì) 微小型化的問題，而提出了一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動器及裝 置。
本發(fā)明的非接觸光電作動器1由鐵電陶瓷片1-1、上表面電極1-2和下表 面電極l-3組成；鐵電陶瓷片1-1為矩形片，在鐵電陶瓷片1-1與其極化方向 垂直的兩個端面上分別鍍有上表面電極l-2和下表面電極1-3。用于柔性結(jié)構(gòu) 控制的非接觸光電作動裝置由非接觸光電作動器1、觸發(fā)光源2和控制器組成； 控制器由非接觸激光測振計3-1、非接觸溫度傳感器3-2和處理器3-3組成； 至少有一個光電動作器1貼附于被控器件的被控制部位上，控制器中的非接觸 激光測振計3-l采集被控器件的振動信號，非接觸溫度傳感器3-2采集作動器 1的溫度信號，非接觸激光測振計3-l的輸出端和非接觸溫度傳感器3-2的輸 出端分別連接到處理器3-3的兩個輸入端上，處理器3-3的輸出端連接觸發(fā)光 源2的輸入端， 一個觸發(fā)光源2對應(yīng)一個光電動作器1，觸發(fā)光源2光束的光 斑均勻照射覆蓋在光電動作器1的受光面上。
本發(fā)明的工作過程是首先確定被控柔性結(jié)構(gòu)的靜態(tài)變形要求或動態(tài)振動特 性，根據(jù)控制要求確定出準(zhǔn)確的激勵位置，將基于鐵電陶瓷材料制作的非接觸 光電作動器緊密粘貼于指定位置。其次，按照上文描述的用于柔性結(jié)構(gòu)控制的 非接觸光電作動裝置中非接觸激光測振計3-1、非接觸溫度傳感器3-2和處理 器3-3構(gòu)成非接觸光電控制反饋系統(tǒng)。再次，通過特定波長和頻率的高能光束 均勻照射到分布式非接觸光電作動器表面，由于其本體由具有光致伸縮作用的 鐵電陶瓷制成，所以在光能激勵情況下其內(nèi)部產(chǎn)生光電流，從而形成光電場， 在非接觸光電作動器的兩個電極面間產(chǎn)生光生電壓；在逆壓電效應(yīng)的作用下， 貼片產(chǎn)生應(yīng)變，從而得到控制力/力矩，實(shí)現(xiàn)對被控結(jié)構(gòu)的激勵和控制作用。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于通過光源照射作為激勵，不采用電磁信號， 從激勵源上避免了外界電磁場對被控結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的干擾；采用極化鐵電陶瓷貼 片作為作動器，由于材料本身結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，體積小，質(zhì)量 輕，從而為在特定條件下的使用提供了可能。概括來說采用高能光束驅(qū)動的光 電作動器與傳統(tǒng)的機(jī)電式作動器相比，具有非接觸式激勵、避免電磁擾動影響、 實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)小尺寸等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明成果將有力地推動眾多新的機(jī)電裝置和結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)的產(chǎn)生，在機(jī)電一體化領(lǐng)域，典型的應(yīng)用包括高精密定位裝置(例如激光、 儀器和生物醫(yī)學(xué)裝置)、機(jī)器人和操作手、微機(jī)電系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)(例如實(shí)現(xiàn) 太陽能帆板自動跟蹤、自適應(yīng)光學(xué)干涉儀糾正控制、光學(xué)微驅(qū)定位和光學(xué)開 關(guān))；在結(jié)構(gòu)電子學(xué)領(lǐng)域，潛在的應(yīng)用包括主動振動控制(阻尼和頻率)、自適 應(yīng)形狀和輪廓、主動變形鏡面、主動約束阻尼層、噪音控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控和 診斷等。


圖1是非接觸光電作動器1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具體實(shí)施方式
四的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖3是具體實(shí)施方式
五的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意 圖；圖5是不同光照強(qiáng)度下的非接觸光電作動器l溫度-時間響應(yīng)曲線圖；圖6 是本發(fā)明用于懸臂梁結(jié)構(gòu)振動時被控結(jié)構(gòu)自由端在不同光照強(qiáng)度下的位移-時 間響應(yīng)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1、圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式
的非接觸光電作動器1由鐵電陶瓷片1-1、上表面電極1-2和下表面電極1-3 組成；鐵電陶瓷片1-1為矩形片，鐵電陶瓷片l-l采用具有光致伸縮作用的鑭 改性鋯鈦酸鉛(PLZT)，在鐵電陶瓷片1-1與其極化方向垂直的兩個端面上分別 鍍有上表面電極1-2和下表面電極1-3，鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)與其他鐵電陶 瓷一樣，在前呈極化前是各向同性的，而且不管是處于順電相、鐵電相或反鐵 電相，在宏觀上都十分均勻，極化以后其中絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?；上表?電極l-2和下表面電極1-3用于確定極化鐵電陶瓷片1-1的極化方向和用于測 量內(nèi)部電壓設(shè)定光照參數(shù)的作用；鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)鐵電陶瓷具有反常的 光生伏打效應(yīng)，即均勻的鐵電晶體受到特定波長的光均勻輻照時，晶體兩端將 產(chǎn)生相當(dāng)高的光生伏打電壓，同時，鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)鐵電陶瓷又是良好 的壓電陶瓷，當(dāng)光生伏打效應(yīng)和逆壓龜效應(yīng)共同作用時，會產(chǎn)生光致伸縮效應(yīng)， 即以特定波長光均勻輻照鐵電體表面，該材料在極化方向上產(chǎn)生應(yīng)力/形變。 鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)材料的光致電壓、伸縮量與光強(qiáng)度的關(guān)系為
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S(t)為作動器1的應(yīng)變量，d3i為壓電應(yīng)變常數(shù)，E(t)為電場強(qiáng)度，x為熱應(yīng)力常 數(shù)，e為某時刻的溫度值，Ya為作動器l的楊氏模量。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的鐵電陶瓷片
1-1的極化方向是與矩形片的縱向方向平行，側(cè)表面為受光面。其它組成和連 接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式二不同點(diǎn)在于鐵電陶瓷片1-1由第一鐵電陶瓷片1-1-1和第二鐵電陶瓷片 1-1-2組成；第一鐵電陶瓷片1-1-1的一個側(cè)表面與第二鐵電陶瓷片1-1-2的一 個側(cè)表面采用不導(dǎo)光和熱的膠粘接，第一鐵電陶瓷片1-1-1的另一個側(cè)表面與 第二鐵電陶瓷片1-1-2的另一個側(cè)表面為受光面，第一鐵電陶瓷片1-1-1與第 二鐵電陶瓷片1-1-2的極化方向相反，與第一鐵電陶瓷片1-1-1和第二鐵電陶 瓷片1_1_2的極化方向相垂直的上截面共用一個上表面電極1-2，與第一鐵電 陶瓷片1-1-1和第二鐵電陶瓷片1-1-2的極化方向相垂直的下截面共用一個下 表面電極1-3。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
二相同。當(dāng)用觸發(fā)光源2 照射第一鐵電陶瓷片1-1-1時，將會在該層陶瓷片內(nèi)產(chǎn)生與極化方向相反的光 電流，從而在上表面電極1-2和下表面電極1-3之間產(chǎn)生光電壓，使鐵電陶瓷 片1-1-1在逆壓電效應(yīng)的作用下伸長；同時，第二鐵電陶瓷片1-1-2在逆壓電 效應(yīng)的作用下縮短增大了控制的效果。
^具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的鐵電陶瓷片 1-1的極化方向?yàn)榫匦纹暮穸确较蚱叫?，鐵電陶瓷片1-1的上表面電極1-2 和下表面電極1-3采用透明的導(dǎo)電材料制成，透明的導(dǎo)電材料有銦錫氧化物 (-Indium Tin Oxide)或銦鋅氧化物(-Indium Zinc Oxide)，受光面是與鐵電陶瓷片 1-1的極化方向相垂直的端面，其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。 本實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的光電作動器具有較高的響應(yīng)頻率(可以超過100Hz)，尤其適 用于柔性結(jié)構(gòu)低頻主模態(tài)的振動控制。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是使用非接觸 光電作動器控制柔性結(jié)構(gòu)的作動裝置由非接觸光電作動器1、觸發(fā)光源2和控 制器組成；控制器由非接觸激光測振計3-l、非接觸溫度傳感器3-2和處理器 3-3組成；至少有一個非接觸光電作動器1貼附于被控器件的被控制部位上，
控制器中的非接觸激光測振計3-l采集被控器件的振動信號，非接觸溫度傳感
^ 3-2采集非接觸光電作動器1的溫度信號，非接觸激光測振計3-1的輸出端 和非接觸溫度傳感器3-2的輸出端分別連接到處理器3-3的兩個輸入端上，處 理器3-3的輸出端連接觸發(fā)光源2的輸入端， 一個觸發(fā)光源2對應(yīng)一個非接觸 光電作動器1，觸發(fā)光源2光束的光斑均勻照射覆蓋在非接觸光電作動器1的 受光面上。非接觸激光測振計3-1的型號為BKLaserDopplerVibrometer 8338， 非接觸溫度傳感器3-2的型號為Fluke576紅外溫度傳感器，處理器3-3的型號 為基于dSPACE DS1005組件開發(fā)的智能控制系統(tǒng)，具體包括A/D、 D\A轉(zhuǎn)換， 模態(tài)速度濾波器及控制算法等多個功能模塊。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五不同點(diǎn)在于觸發(fā)光源2 頭紫外光光源；紫外光光源光束的波長為300 400nm。其它組成和連接方式 與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同點(diǎn)在于紫外光光源 為紫外激光器，紫外激光器提供波長為355nm的連續(xù)或高頻脈沖光束；其它 組成和連接方式與具體實(shí)施方式
六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同點(diǎn)在于紫外光光源 為高壓紫外光源，高壓紫外光源提供波長為300 400nm具有全譜能量成分的 準(zhǔn)靜態(tài)紫外光線，其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
六相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八不同點(diǎn)在于高壓紫外光 翻波長為355 375nm，含有能量50%;其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同點(diǎn)在于紫外光光源 為紫外發(fā)光二極管電光源，紫外發(fā)光二極管電光源提供波長為365nm的連續(xù) 高能純紫外光束。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
六相同。
權(quán)利要求
1、一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動器，其特征在于非接觸光電作動器(1)由鐵電陶瓷片(1-1)、上表面電極(1-2)和下表面電極(1-3)組成；鐵電陶瓷片(1-1)為矩形片，在鐵電陶瓷片(1-1)與其極化方向垂直的兩個端面上分別鍍有上表面電極(1-2)和下表面電極(1-3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動器， 其特征在于鐵電陶瓷片(l-l)的極化方向是與矩形片的縱向方向平行，側(cè)表面為 受光面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動器， 其特征在于鐵電陶瓷片(l-l)由第一鐵電陶瓷片(l-l-l)和第二鐵電陶瓷片(l-l-2)鄉(xiāng)且成；第一鐵電陶瓷片(l-l-l)的一個側(cè)表面與第二鐵龜陶瓷片(l-l-2)的一個側(cè) 表面采用不導(dǎo)光和熱的膠粘接，第一鐵電陶瓷片(l-l-l)的另一個側(cè)表面與第二 鐵電陶瓷片(l-l-2)的另一個側(cè)表面為受光面，第一鐵電陶瓷片(l-l-l)與第二鐵 電陶瓷片(l-l-2)的極化方向相反，與第一鐵電陶瓷片(l-l-l)和第二鐵電陶瓷片 (l-l-2)的極化方向相垂直的上截面共用一個上表面電極(l-2)，與第一鐵電陶瓷 片(l-l-l)和第二鐵電陶瓷片(l-l-2)的極化方向相垂直的下截面共用一個下表 面電極(l-3)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動器， 其特征在于鐵電陶瓷片(l-l)的極化方向?yàn)榫匦纹暮穸确较蚱叫?，鐵電陶瓷片 (l-l)的上表面電極(l-2)和下表面電極(l-3)采用透明的導(dǎo)電材料制成，受光面是 與鐵電陶瓷體(l-l)的極化方向相垂直的端面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作 動器，其特征在于鐵電陶瓷片(l-l)采用鑭改性鋯鈦酸鉛。
6、 一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動裝置，其特征在于它由非接 觸光電作動器(l)、觸發(fā)光源(2)和控制器組成；控制器由非接觸激光測振計 (3-1)、非接觸溫度傳感器(3-2)和處理器(3-3)組成；至少有一個非接觸光電作動 器(l)貼附于被控器件的被控制部位上，控制器中的非接觸激光測振計(3-l)采 集被控器件的振動信號，非接觸溫度傳感器(3-2)采集非接觸光電作動器(l)的 溫度信號，非接觸激光測振計(3-l)的輸出端和非接觸溫度傳感器(3-2)的輸出端 分別連接到處理器(3-3)的兩個輸入端上，處理器(3-3)的輸出端連接觸發(fā)光源(2) 的輸入端， 一個觸發(fā)光源(2)對應(yīng)一個非接觸光電作動器(1)，觸發(fā)光源(2)光束 的光斑均勻照射覆蓋在非接觸光電作動器(l)的受光面上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動裝置， 其特征在于觸發(fā)光源(2)為紫外光光源;紫外光光源光束的波長為300 400nm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動裝置， 其特征在于紫外光光源為紫外激光器，紫外激光器提供波長為355nm的連續(xù) 或高頻脈沖光束。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動裝置， 其特征在于紫外光光源為高壓紫外光源，高壓紫外光源提供波長為355 375nm具有全譜能量成分的準(zhǔn)靜態(tài)紫外光線。
10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動裝 置，其特征在于紫外光光源為紫外發(fā)光二極管電光源，紫外發(fā)光二極管電光源 提供波長為365nm的連續(xù)高能純紫外光束。
全文摘要
一種用于柔性結(jié)構(gòu)控制的非接觸光電作動器及裝置。本發(fā)明涉及柔性結(jié)構(gòu)精密非接觸作動裝置領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有作動裝置普遍存在的線纜電磁干擾、驅(qū)動設(shè)備復(fù)雜、受工作條件和尺寸限制難以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)小型化等問題。非接觸光電作動器由PLZT鐵電陶瓷制成的矩形片，沿其極化方向的兩個截面上分別鍍有上、下表面電極。非接觸光電作動裝置的非接觸光電作動器貼于被控結(jié)構(gòu)表面，激光測振計和溫度傳感器分別采集振動和溫度信號，并輸入到處理器中；經(jīng)過計算后處理器通過控制信號觸發(fā)紫外光源，高能紫外光束均勻輻照在作動器的受光面上，使其產(chǎn)生控制力矩，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的精密控制。本發(fā)明具有非接觸式激勵，避免電磁擾動，可實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)小尺寸等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01L31/00GK101174655SQ20071014448
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月24日
發(fā)明者京 孫, 岳洪浩, 時慧如, 鄧宗全, 鄒鴻生 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)