Пособие пьезоисполнительные устройства. А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, В. В. Григорьев, П. В. Карев исполнительные устройства
 Скачать 3.72 Mb.
|
|
4.5 Цифровой контрольно-измерительный стенд 4.5.1 Функциональная схема измерительного стенда Во всех разработках, связанных с прецизионным позиционированием в микрометровом диапазоне с погрешностями в десятки нанометров, центральное 90 место занимают вопросы, связанные с градуировкой датчиков положения, сня- тием статических и динамических характеристик исполнительных пьезоприво- дов, настройкой и юстировкой различных оптических элементов. Для их решения обычно разрабатывают специализированные контрольно-измерительные стенды с использованием различных измерительных средств повышенного разрешения. Рассмотрим, в качестве примера, один из вариантов построения такой изме- рительной системы [10–11]. На рисунке 4.14 показана функциональная схема измерительного стенда. Рисунок 4.14 – Функциональная схема измерительного стенда (1 –ЭВМ верхнего уровня, 2 – блок управления, 3 – управляемое зеркало, 4 – светоделитель, 5 – опорное зеркало, 6 – расширитель пучка, 7 – газовый лазер, 8 – экран, 9 – видеокамера, ПД1–ПД3 – исполнительные пьезодвигатели, Д1–Д3 – датчики перемещения) Оптическая часть измерительного стенда построена по схеме интерфе- рометра Майкельсона, в состав которого входят: газовый лазер 7, расширитель пучка 6, светоделительная пластина 4, неподвижное опорное зеркало 5, плоское управляемое зеркало 3, экран 8. Зеркало 3 является аналогом сегмента составного зеркала телескопа и перемещается тремя пьезодвигателями ПД1–ПД3. Пере- мещение зеркала измеряется встроенными датчиками Д1–Д3. В качестве прием- ника изображения используется цифровая видеокамера 9. Интерференционная картина в цифровом виде передается в компьютер 1 через порт USB. Блок управления 2 построен на базе микроконтроллера и осуществляет управление тремя приводами, получая задания на перемещения зеркала от компьютера 1. Таким образом, зеркало с тремя пьезоприводами, блок управления и видеокамера связаны с компьютером 1, образуя единый контрольно-измерительный комплекс. 4.5.2 Принцип действия стенда Расширитель пучка преобразует квазиплоский волновой фронт волны ла- зерного излучения в сферический. В результате сложения падающей и от- раженной волн на экране 8 наблюдается чередование концентрических колец, 91 соответствующих минимумам и максимумам интенсивности интерференционной картины, как показано на рисунке 4.15. При продольном перемещении зеркала на величину, равную четверти длины волны лазерного излучения, в центре интерференционной картины наблюдается максимальный размер кольца с минимумом освещенности. При перемещении на величину, равную половине длины волны, в центре интерференционной картины наблюдаем максимальный размер кольца с максимумом освещенности. Рисунок 4.15 – Типовые интерферограммы для двух различных положений управляемого зеркала Наклон зеркала, вызванный линейным перемещением испытуемого привода, приводит к смещению центра интерференционных колец относительно пер- воначального положения. Два дополнительных пьезопривода используются для компенсации указанного смещения. Измерение перемещения штока испытуемого пьезоактюатора выполняется по способу компенсации наклонов зеркала. Для этого после перемещения штока испытуемого пьезоактюатора на некоторую величину выполняется компенсация наклона зеркала посредством контроля интерференционной картины и управля- емого перемещения штоков дополнительных приводов. После завершения ком- пенсации наклона величина продольного перемещения зеркала определяется по интерференционной картине и считается равной линейному перемещению штока испытуемого пьезоактюатора. Использование в измерительном интерферометре дополнительных пье- зоприводов позволяет повысить вибрационную устойчивость измерительной схемы. Измерение микроперемещений оптическим прибором на базе интерфе- рометра Майкельсона имеет очень высокое разрешение. Это позволяет ис- пользовать данное измерительное средство как для снятия статических ха- рактеристик пьезодвигателей, так и для градуировки датчиков Д1–Д3 пере- мещения зеркала. Использование в стенде видеокамеры с передачей изображения на ЭВМ верхнего уровня позволяет автоматизировать этот процесс. Настройка локальных регуляторов микроперемещений зеркального сегмента для достижения заданных динамических показателей систем управления 92 выполняется на втором этапе по данным датчиков Д1–Д3. Следует отметить, что применение интерферометра Майкельсона с видеокамерой для этих целей про- блематично. Связано это обычно с относительно низкой скоростью передачи и обработки изображений цифровыми средствами. Специализированные датчика Д1–Д3, откалиброванные на первом этапе настройки системы, справляются с этой задачей значительно эффективнее. На последнем этапе настройки выполняется контроль стабильности по- зиционирования и погрешности отработки типовых задающих воздействий за- мкнутой системой управления положением зеркального сегмента. На этом этапе очень эффективно применение высокоточного интерферометра Майкельсона. Автоматизация процесса контроля позволяет не только упростить и ускорить процесс настройки системы управления, но и обеспечить протоколирование ре- зультатов измерений и настройки. 4.5.3 Структурная схема измерительной системы Структурная схема измерительной системы представлена на рисунке 4.16. По командам ЭВМ верхнего уровня блок управления формирует напряжение, которое подается на пьезоактюатор. Пьезоактюатор перемещает управляемое зеркало на некоторое расстояние, что приводит к изменениям в интерферограмме, которые фиксируются видеокамерой и передаются в компьютер. По специальной программе рассчитывается линейное перемещение пьезоактюатора, со- поставляемое сигналу датчика микроперемещений. На рисунке 4.16 приняты следующие обозначения: W м – передаточная функция преобразователя, W и – пе- редаточная функция исследуемого пьезоактюатора, W к – передаточная функция компенсирующего пьезоактюатора, K ди (l) – нелинейная передаточная характери- стика исследуемого датчика, K дк – коэффициент передачи датчика микропере- мещений, K pи – коэффициент передачи разомкнутогопьезопривода, W pк – переда- точная функция регулятора, компенсирующего пьезопривода, W pЭВМ – переда- точная функция регулятора верхнего уровня, S − параллельное перемещение зеркала, K x , K y – углы наклона зеркала. Исследуемый пьезопривод построен по разомкнутой схеме управления. Управление перемещением штока пьезоактюатора выполняется непосредственно по командам компьютера и контролируется по интерферограмме. Параллельно на компьютер поступает оцифрованный сигнал с датчика микроперемещения. Дополнительные пьезоприводы выполнены как следящие системы с об- ратной связью. Сигналы обратной связи снимаются с датчиков микроперемеще- ний, преобразующих линейное перемещение штока пьезоактюатора в напряже- ние с коэффициентом передачи K дк . Передаточные функции W pк регуляторов пьезоприводов реализованы программным способом на микроконтроллере блока управления. Система управления верхнего уровня реализована на базе персонального компьютера. С него на блок управления поступает задание на перемещение штока испытуемого пьезоактюатора и снимается оцифрованный сигнал градуируемого датчика микроперемещения. 93 Рисунок 4.16 – Структурная схема измерительной системы С другой стороны, цифровая обработка видеосигнала позволяют получить информацию об истинном перемещении зеркала. По интерференционной картине определяются величина продольного перемещения зеркала и два угла его наклона. Система управления верхнего уровня в автоматическом режиме выра- батывает сигналы задания на дополнительные пьезоприводы, обеспечивая не- прерывную компенсацию наклона зеркала. 4.5.4 Математическая модель процесса измерения Процесс измерения перемещения штока испытуемого пьезоактюатора ос- нован на измерении пространственного перемещения зеркала и связан с опреде- лением его передаточной матрицы. Передаточная матрица зеркала М связывает величины линейных перемещений штоков трех пьезоактюаторов (вектор входов Х) с величинами пространственного перемещения зеркала(векторY) Y=M*X, dimY=dimX=3. Введем обозначение: нумеруем пьезодвигатели: испытуемый − 1, дополни- тельные − 2 и 3. Параллельное перемещение зеркала при работе трех пьезодви- гателей обозначим как L; перемещения штоков пьезоактюаторов обозначим как L 1 , L 2 , L 3 соответственно, обозначим как K 1X , K 2X , K 3X коэффициенты передачи зеркала по наклону к оси X, для первого, второго, третьего пьезоактюаторов со- ответственно; обозначим как K 1У , K 2У , K 3У коэффициенты передачи зеркала по наклону к оси у для первого, второго, третьего пьезоактюатора соответственно. Тогда передаточная матрица зеркала будет иметь вид 94 М зерк = [ 𝐿 1 ∆𝐿 𝐿 2 ∆𝐿 𝐿 3 ∆𝐿 𝐾 1𝑋 𝐿 1 𝐾 2𝑋 𝐿 2 𝐾 3𝑋 𝐿 3 𝐾 1𝑌 𝐿 1 𝐾 2𝑌 𝐿 2 𝐾 3𝑌 𝐿 3 ] Знание передаточной матрицы зеркала позволяет по измеренным значения компонент вектора Y перемещения зеркала вычислить неизвестный вектор пе- ремещений штоков пьезоактюаторов Х, используя обратную передаточную мат- рицу зеркала 𝑀 зерк −1 = [ 𝐿 1 ∆𝐿 𝐿 2 ∆𝐿 𝐿 3 ∆𝐿 𝐾 1𝑋 𝐿 1 𝐾 2𝑋 𝐿 2 𝐾 3𝑋 𝐿 3 𝐾 1𝑌 𝐿 1 𝐾 2𝑌 𝐿 2 𝐾 3𝑌 𝐿 3 ] −1 Расчетное уравнение Х=M -1 Y содержит 9 параметров, каждый из которых определен с некоторой погрешностью. Погрешности параметров передаточной матрицы зеркала линейно входят в формулу погрешности вычисления положения зеркала. Применение дополнительных пьезоактюаторов позволяет в ходе измерительного эксперимента сводить практически к нулю углы наклона зеркала. За счет этого число параметров измерительного уравнения сводится до 3, что существенно снижает погрешность вычисления искомого положения зеркала. Первой задачей по обработке изображения интерферограммы является нахождения центра интерферограммы (центра колец). Так как геометрический центр интерферограммы в общем случае не совпадает с энергетическим центром оптического изображения, то для его нахождения используется специальный ал- горитм. Второй задачей является нахождение перемещения пьезоактюатора по наклону зеркала. Для этого составляется матрица преобразования, составленная из коэффициентов пересчета угловых перемещений в линейные в точках контакта зеркала с пьезоактюатором. Полученный результат измерений координат центра умножаются на матрицу преобразования, в итоге получается грубая оценка перемещения пьезоактюатора. Третья задача заключается в нахождении точного значения перемещения зеркала по площади центрального кольца. По площади центрального кольца оценивается перемещение штока в интервале до половины длины волны. Ис- пользование алгоритма подсчета площади сводит временную задачу усреднения с накоплением большого количества измерений к пространственной. В результате при однократном измерении достигается погрешность 0.05 мкм. 95 Характеристики измерительного стенда. Измерительный стенд на базе ин- терференционного измерителя положения зеркала с цифровой обработкой изоб- ражения на базе компьютера и активными управляемыми пьезоприводами поз- воляет полностью автоматизировать процесс определения параметров пьезоак- тюатора и градуировки датчика микроперемещения. Используемые пьезоактюа- торы обеспечивают линейное перемещение зеркала до 12 мкм. Центр колец ин- терференционной картины остается в пределах поля зрения видеокамеры при наклонах зеркала до 2 угл.мин. На стенде уверенно определяются перемещения испытуемого пьезоактюатора с разрешением 0.01 мкм. 96 ЛИТЕРАТУРА 1. В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006. – 632 с. 2. Р.Г. Джагупов, А.А. Ерофеев Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления: Справочник. – СПб: Политехника, 1994. – 608 с. 3. И.А. Глозман Пьезокерамика. – М.: Энергия, 1972. – 288с. 4. К. Окаузаки Технология керамических диэлектриков. – Нано и микросистемная техника. №3. 2008. Стр 34–41. 5. В.В. Лавриненко, И.А. Карташев, В.С. Вишневский Пьезоэлектрические двигатели. – М.: Энергия, 1980. – 110 с. 6. А.А. Никольский Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 160 с. 7. А.А. Бобцов, С.В. Быстров, В.И. Бойков, А.Б. Бушуев, В.В. Григорьев Пьезоэлектрический привод. – Патент на полезную модель № 87043 рег.20 сентября 2009. 8. В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьв, Р.А. Карташев Система управления положением сегментов составного зеркала адаптивного телескопа. – Известия ВУЗов Приборостроение, том 47, №8, 2004, с.67–69. 9. В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев, Д.Е. Обертов Пьезопривод на основе тонкопленочного пакетного пьезоактюатора. – Изв. вузов. Приборостроение. 2009.Т.52, №11.С. 72–77. 10. А.А. Бобцов, С.В. Быстров, В.И. Бойков, А.Б. Бушуев, В.В. Григорьев Устройство для испытания пьезоэлектрического привода и его элементов. Патент на полезную модель №76138, рег. 10.09.2008. 11. В.И. Бойков, С.В. Быстров, А.Н. Коровьяков, И.П. Салмыгин Экспериментальное исследование характеристик пьезоприводов нового поколения. – Изв.вузов.Приборостроение.2009.Т.52, №11.С.77–82. 12. В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев, А.Ю. Королёв Широтно- импульсное управление пьезоактюатором // Материалы V Международной научной конференции "Системный синтез и прикладная синергетика", 2013. – Т. III. – С. 24–30 13. В.И. Бойков, С.В. Быстров, А.Ю. Королёв Динамика пьезопривода с управлением от широтно-импульсного модулятора с тремя состояниями // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2013. – Т. 56. – № 4. – С. 81 – 85 14. В.А. Бардин, В.А. Васильев Актюаторы нано- и микро-перемещений для систем управления, контроля и безопасности // Современная техника и технологии, 2014. №2 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2014/02/3057 (дата обращения: 15.02.2016). 15. С. В. Быстров, В. В. Григорьев, О.А. Малофеева Нестабильность параметров пьезокерамики и ее влияние на характеристики пьезодвигателей. // Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 2 (23), 2016 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ стр. 31 – 34 97 16. http://www.avrora-elma.ru – сайт фирмы Аврора-Элма (г. Волгоград) 17. http://www.elpapiezo.ru– сайт фирмы ЭЛПА (г.Зеленоград) 18. http://www.physikinstrumente.com – сайт фирмы Physik Instrumente (Германия). 19. www.americanpiezo.com – сайт фирмы как APC International Ltd.16. 20. www.apexmicrotech.com – сайт компании APEX Microtechnology 21. http://www.keramosinc.com/k12.htm – сайт фирмы Keramos, США 22. http://www.piezo.com/ – сайт фирмы Piezo Systems,Inc., США 23. www.pi.ws – сайт фирмы PI, Великобритания 98 Приложение А СЕГНЕТОМЯГКИЕ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Таблица А1 – Основные параметры материалов Параметр Ед. измерения ЦТС- 19 ЦТС- 26 ЦТС- 36 НЦТС -1 НЦТБС -1 НЦТС -2 ЦТС- 46 ЦТС- 50 Tk °С 290 350 350 175 140 130 260 260 ε T 33/ε0 - 1750 1700 670 4000 5700 5100 2100 2200 ε T 11/ε0 - 1450 - 1130 - - - - - tg δ, не более % 2,5 2 2,5 2 2,8 3 2 2,5 Qm - 80 80 80 50 40 60 70 80 V E 1 ×10 3 м/с 3 2,9 3 2,87 3 2,95 2,9 2,9 σp - 0,37 0,38 0,3 - 0,38 - 0,33 0,33 kp - 0,55 0,6 0,57 0,6 0,62 0,61 0,63 0,64 k15 - 0,6 - 0,73 - - - - - k33 - 0,67 0,68 0,7 - - 0,74 0,72 0,73 d31 ×10 -12 Кл/Н -160 -160 -90 -260 -310 -310 -190 -200 d33 ×10 -12 Кл/Н 350 340 220 550 650 800 450 470 d15 ×10 -12 Кл/Н 400 - 440 - - - - - g31 ×10 3 м/с -10,3 -10,6 -15,2 -7,3 -6,2 -6,9 -10,2 -10,3 g33 ×10 3 м/с 22,6 22,6 37,1 -15,5 12,9 17,7 23,1 24,1 (ООЧ)р % 0,8 - 3 - - - - - (ООЧ)сд % 0,9 - 1,1 - - - - - (ООЧ)сж % 1 - 2 - - - - - Tраб °С 200 250 200 100 85 80 180 180 ρv, не менее При 100 °С, 1 1 1 1 1 1 1 1 ρ ×10 8 Ом·м 7,5 7,6 7,7 7,4 7,6 7,8 7,5 7,6 Условные обозначения T k – температура точки Кюри; ε T 33 /ε 0 , ε T 11 /ε 0 – относительная диэлектрическая проницаемость; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь в слабых полях при Е=25 кВ/м; Q m – механическая добротность; V E 1 – скорость звука; σ p – планарный коэффициент Пуассона; k p – коэффициент электромеханической связи планарной моды; k 15 – коэффициент электромеханической связи сдвиговой моды; k 33 – коэффициент электромеханической связи моды растяжения-сжатия по толщине; d 31 , d 33 , d 15 – пьезоэлектрические модули; 99 g 31 , g 33 – электрические константы по напряжению (чувствительность в режиме приема); (ООЧ)р – относительное отклонение частоты в интервале температур - 60…+85°С планарной моды; (ООЧ)сд – относительное отклонение частоты в интервале температур - 60…+85° С сдвиговой моды; (ООЧ)сж – относительное отклонение частоты в интервале температур - 60…+85° С моды растяжения-сжатия по толщине; T раб – рекомендуемая повышенная температура; ρ v , – удельное объемное электрическое сопротивление; ρ – плотность. |