一种用于压电驱动微动工作台的测控系统

    压电陶瓷微驱动器是一种利用压电陶瓷压电效应制成的固态驱动器,它提供了一种较为简便的将驱动电压转换成0.1 nm到几十微米尺度运动的有效方式^[1],具有分辨率高,推力大,响应快,功耗小,结构刚度大,无噪声,易于微型化等优点,被广泛应用于微电子机械、精密加工、精密光学、生物医学等领域。随着微纳米技术的发展,压电陶瓷微位移驱动器在纳米级甚至亚纳米级分辨力的仪器设备中展现出极好的应用前景。然而,压电陶瓷微驱动器也存在一些固有的缺陷,其中主要是它的非线性问题。非线性特性的存在使驱动器的重复性降低,转换信号失真,给驱动器精确定位带来误差。要进一步提高微位移驱动器的定位精度,必须对压电陶瓷的非线性进行补偿^[2]。

    1　压电陶瓷的非线性特性

    1.1　位移和电场的关系

    对于如图1所示的压电陶瓷,外加电压为U,

L₀、D₀分别表示陶瓷的轴向长度和径向长度。下面考虑轴向的形变和轴向电场的关系,由逆压电方程S=dTE可得

　　ΔL₁=dE=dU/L₀          (1)

式中d为轴向压电常数。在不考虑受外力的情况下,由电致伸缩效应方程

　　S_i=_sijτ_j+M_imnE_mE_n

可得

　　ΔL₂=ME²=MU²/L²₀           (2)

式中M为轴向电致伸缩系数。压电陶瓷轴向总的伸长量为

　　ΔL=dU/L₀+MU²/L²₀           (3)

即压电陶瓷轴向位移与施加的电压的关系式。

    1.2　迟滞现象

    在理想情况下,压电陶瓷的形变微位移与外加电压成线性关系。但由于压电陶瓷分子间存在阻力和残余极化等原因,压电陶瓷加压时的形变会出现迟滞现象。本设计中,压电陶瓷驱动器采用PI公司的P841.10型,其内置基于柔性铰链的工作台,工作电压为0～100 V(直流),典型位移为0～10μm,最大推力为1 000 N。为了解此压电陶瓷的迟滞特性,用双频激光干涉仪(HP5528A)对它的电压-位移特性曲线进行了测量,图2显示压电陶瓷出现了明显的迟滞现象。

    1.3　蠕变现象

    蠕变是指压电陶瓷的形变和加压时间的关系。当电压加到某个值时,对应的形变不会立即完成,在很短的时间内会完成90%以上,剩余的形变则需较长的时间。完全形变需要一个时间过程。形变与时间的关系一般为: