压电作动器在微力微位移装置中的应用

    1　前言

    为了能够建立一种有效的微构件力学性能测试法,我们研制采用了微力微位移法进行微构件力学性能测试的微机械力学性能测试仪,并进行微构件力学性能测试评价体系和材料力学库的积累的研究。该测试仪主要是获得精确的载荷位移曲线,并具有大行程和位移的高分辨率(<10 nm)的特点。为此必须研究一种装置能够具有大位移、高分辨率,且能够满足加载力的要求。微位移、微力的实现方法通常有电磁驱动、压电陶瓷驱动等,其中压电陶瓷驱动具有不发热,分辨率高等优点^[1,2]。为此我们设计整体式两级加载机构实现微力微位移的加载,第一级实现50μm的加载,并在50μm实现大于1 N的加载力,采用压电作动器驱动;第二级实现1 mm的加载范围,采用直线电机驱动。装置的位移通过电容测微仪获得,加载力由输入电压和输出位移计算得到。本文主要介绍了压电作动器驱动的第一级微力微位移装置的原理,并给出了实验结果。

    2　装置和原理

    整体式两级加载机构实现微力微位移的装置。第一级是杠杆放大机构,柔性平行四杆机构作为弹性导轨,第二级通过杠杆缩小机构将位移缩小,平行片簧机构为弹性导轨。一级加载装置的杠杆支点和柔性连杆的所有铰链均采用双圆弧柔性铰链,双圆弧的柔性铰链力学模型采用Paros的方法^[3],柔性铰链与杆件相连采用Renyi Yang的方法^[4],这样一级加载机构简化为一个杠杆放大,平行四连杆支承的机构;二级加载机构的平行片簧的简化采用悬臂梁结构。以这些模型设计了微力微位移加载机构。　

    图1为微力微位移实验装置图,主要硬件有三部分。一级驱动由PI公司的PZT驱动器P840.20完成,二级驱动由PI公司的M-222.20完成,微位移通过Queensgate的NXD1电容测微仪测量,电容测微仪选用NS2000驱动。PZT作动器P840.20,采用应变反馈闭环式驱动器控制,选用PI的单通道电压控制放大器E-610.S0控制。

    压电作动器采用闭环控制,可消除迟滞和蠕变。闭环有位移和应变两种检测形式。P840.20压电作动器的应变式闭环控制器E-610.S0驱动器工作原理图见图2。E-610.S0带直流传感器电源和校正,传感器电源为5 V直流,低通切断频率为100 Hz。图3为压电作动器在闭环电压控制下的输出曲线。具有非常好的线性,并消除了迟滞,在满量程范围内输出位移达30μm,其位移分辨率可达0.6 nm。

Queensgate的大量程电容测微仪NXD1,该电容测微仪在满量程1.25 mm的范围内可获得0.5 nm位移分辨率,在1.25 mm时,两极板间电容是2 pF,名义比例系数为0.125 /mm,噪声为0.188/ Hz,线性误差<0.02%。Queensgate电容测微仪的驱动器为模拟式的NS2000型。电压的输入输出通过16位的高精度数据采集卡采集或提供。