压电陶瓷微位移的光干涉检测及复合控制研究

发布时间：2017-12-16 02:02

  本文关键词：压电陶瓷微位移的光干涉检测及复合控制研究

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【摘要】：随着精密测量技术的发展,纳米级的位移检测对相关系统、设备的定位精度和分辨力提出了更高的要求。因此需要更稳定、更高精度的致动器与控制装置来实现位移的精准定位,为工业生产及科学研究提供保障。压电陶瓷作为一种可快速产生微位移的致动器,具有体积小、灵敏度高、重量轻、功耗低等特点,但由于自身的迟滞、蠕变等非线性特性,压电陶瓷致动器微位移的纳米级定位需要更高精度的检测手段并结合相应的控制方法来实现。针对压电陶瓷致动器的非线性问题,本文通过前馈与反馈结合的复合控制器对压电陶瓷进行位移控制,提高了光干涉装置对压电陶瓷的实时位移的检测精度,具体研究内容如下:(1)设计了压电陶瓷驱动的多次反射装置以提高迈克尔逊干涉仪位移测量的分辨率。对该装置的数值计算发现光入射角β与动定镜的夹角α在一定条件下可使放大率提高100倍以上,理论上可使迈克尔逊干涉装置的检测精度提高到纳米量级;并使用光学仿真软件对理论计算结果进行验证。通过分析计算压电陶瓷和光电探测器的响应时间以及位移放大倍数对位移测量系统分辨率的影响,结合光电探测器与高速数据采集系统,搭建了基于位移放大的光干涉测量平台。(2)针对压电陶瓷致动器的迟滞特性,以椭圆极坐标方式进行数学建模,设计了前馈控制器方案。测量了开环控制方案下以补偿电压驱动压电陶瓷的实时位移,并与电感测微仪测得的更高精度的结果进行对比校正,发现当驱动电压在0~10V范围内时,误差低于22.6nm,可满足微米级位移调节的精度要求;当驱动电压在10~110V之间误差较大,控制误差的均方差为46.6nm。(3)在开环控制的基础上结合反馈以复合控制的方式提高了压电陶瓷控制系统的响应速度与稳定性。通过遗传算法对PID控制器的参数进行整定,在Kp=36、Ki=0.14、Kd=0.029时,系统调节时间可低至1.8ms,稳态误差仅为标称位移的0.23%。经过复合控制系统的整定,理论上可实现误差为6.2nm的精准定位。通过进一步提高数据采集速率,该系统可以远低于电感测微仪的成本实现压电陶瓷纳米级的精准定位。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP273;O436.1

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