改善PZT微位移器线性的一种方法

　　引　言

　　在天文自适应系统中,需要一能控制在X,Y方向产生精确微位移的装置,由于压电陶瓷堆(PZT)能产生微米级位移,且精度高、分辨率好,故 PZT成为首选材料,但是,由于PZT本身及其制造工艺上的缺陷,PZT的伸长量与施加在其上面的电压不成正比,是非线性的,故如何控制PZT使其实现线性微米级位移成为一个研究课题。

　　一套完整的用于天文自适应系统中的PZT微位移装置主要由以下三个部分组成:PZT、控制源及放大源。原理框图如图1所示,控制源是一个以 8031单片机为主体的信号发生装置,放大源是将控制源输出的电压控制信号(0～10V)放大为0～300V,从而线性驱动PZT。本文主要就PZT的非线性详细介绍了控制源的硬软件设计。

　　1　压电陶瓷堆(PZT)的非线性及其校正

　　1.1　PZT的非线性

　　PZT的非线性指标反映了施加于PZT上的电压与位移量之间的线性关系(图2),它对精确控制PZT位移及其重要。PZT的非线性可用下式表达

　　1.2　PZT非线性校正

　　PZT的非线性校正是用二次斜波

作为PzT的电压控制信号。式中a为偏置电压，B为线性系数,C为二次项系数,β为放大系数,x为步进数。通过改变A,B,C三个系数,给PZT施加一个非线性电压,再采用文献[3]中叙述的空间载频外差干涉术的方法对PZT的位移进行测量,从而对PZT的非线性进行了校正。每一个PZT对应一个非线性校正曲线。

　　2　控制源的硬、软件设计

　　2.1　控制源的硬件设计

　　图3是该控制源的信号处理、通讯、显示、键盘及D/A转换的原理框图。该控制源的CPU为8031单片机,27128为程序计数器,与外设的通讯接口是一个以8255芯片为主体的并行通讯接口,采用这种接口方式能大大提高通讯速度,从而避免了因减少位数而降低了精度,这是由于通过此接口传递的是 PZT位移应达到的长度。另一个8255芯片与显示数码管和键盘连接,A口口线接数码管的公共极,B口口线接数码管的各个极,两者均通过1413芯片驱动数码管,键盘接在C口高5位上。

　　该控制源具有两路D/A转换、输出信号,以便控制两个不同方向上的PZT微位移,两路信号的电路完全一致,现就一路进行介绍。在本控制源中使用的是AD7520十位D/A转换芯片,由于该转换芯片不带有数据锁存器,因此我们使用了3个数据锁存器74LS377以实现十位数据的同步传输。首先,低八位数据锁存于74LS377(1)中,然后再送高两位,此时,74LS377(2)和74LS377(3)同时被触发,这样十位数据同时传输到 AD7520上,经D/A转换后的信号再由高精度的运放OP07放大输出,其后再紧跟一个运放LM741作为跟随器,以提高信号驱动负载的能力,最后输出的为一0～10.00V的直流电压信号。