压电微振动台的光学检测及控制系统研究

摘要

压电微振动台是利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微电子机械系统)技术设计制造的微位移执行器，具有体积小、电磁干扰低、响应快等优点，可用于IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)的长期漂移自校正。本论文以压电微振动台为研究对象，通过设计光学微位移传感器，实现对压电微振动台运动状态检测，进而搭建实验平台，通过Labview软件实现对压电微振动台振动幅值的控制。本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1.通过分析传统振动台与压电微振动台的异同，指出压电微振动台控制系统中控制变量（位移与转角）的检测是实现其稳定振动的关键，进而调研国内外关于位移检测及压电振动台控制方法的研究及进展，提出了微位移传感器的设计需求及对压电微振动台的控制要求。 2.根据压电微振动台的特点设计光学微位移传感器，并通过仿真得到不同结构的传感器输出与检测量间的关系曲线。根据微振动台特点及微位移传感器的仿真结果确定传感器内部器件的最佳布局。 3.用二阶微分方程表征振动台系统的动态性能，通过频域分析法对压电微振动台进行频率特性分析，辨识压电微振动台传递函数的参数，结合有限元仿真结果，得到压电微振动台的二阶模型，在此基础上使用PD极点控制法对系统进行控制仿真，通过仿真结果证明控制方法的可行性。 4.搭建光学传感器的实验平台，完成传感器的位移和角度的检测精度验证实验，最终得到结论：光学微位移传感器的位移检测分辨率能够达到150nm，角度检测精度能够达到0.1°。提出使用黑硅遮光的方法，消除传感器在实验过程总出现的输出振荡现象，提出在传感器内添加反光材料的方校正法传感器输出的长期漂移现象。 5.搭建微振动台控制系统，通过多普勒测振仪测试微振动台运动状态，利用Labview软件对多普勒输出信号进行处理并对电源进行控制，最终通过PID控制方法实现对微振动台的振幅控制。 6.提出光学微位移传感器实现六自由度检测的一种新结构，介绍针对本论文设计的检测及控制系统下一步研究方向。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内外微位移检测研究现状

1.2.2国内外压电振动台控制研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 压电微振动台的光学检测

2.1 光学传感器工作原理

2.2 光学传感器的理论分析

2.2.1 Vcsel及PD的选型

2.2.2 PD接收光强分析

2.3 光学传感器仿真

2.4 本章小结

第三章 微振动台控制系统研究

3.1 振动台建模

3.1.1 压电效应

3.1.2 压电微振动台的有限元模型

3.2 压电微振动台的控制方法研究

3.2.1 压电微振动台的参数辨识

3.2.2 压电微动台控制方法

3.3 本章小结

第四章 压电微振动台检测与控制系统的实验

4.1 光学传感器试验平台搭建

4.2 检测信号振荡现象及消除

4.3 光学检测试验

4.4 压电微振动台的控制系统实验

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果