一种光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种光电陶瓷位移闭环实验装置及控制方法，光电陶瓷在紫外光源照射下产生光生电压，并由逆压电效应产生形变。通过伺服电机与丝杠螺母副组成的粗调节装置完成粗调节定位后，由光电陶瓷、非接触式位移传感器、光快门和计算机组成的光电陶瓷位移闭环伺服控制装置进行微调节。非接触式位移传感器测量光电陶瓷自由端的输出位移，并实时反馈到计算机中。计算机将位移数据与设定的目标值进行比较，并发送指令给光快门控制器，控制光快门的通断，进而达到控制光源的照射时间，实现光电陶瓷输出位移的伺服控制。本发明为光电陶瓷在微驱动领域的应用提供的一种位移闭环伺服控制实验装置及控制方法，为研究光电陶瓷输出位移的动态特性做了铺垫。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电陶瓷实验装置，特别是一种光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置及其控制方法。

背景技术

光电陶瓷(PLZT)具有将光能直接转化为机械能的特性，由于光生伏特效应其在光照条件下能够产生数KV/cm的静电电压，同时由于逆压电效应，产生的电压能够转变为沿极化方向的形变。基于光电陶瓷的驱动装置具有非接触式控制、无线能量传输、无电磁干扰等优点，可以被应用于光学仪器、光存储器、投影仪和扫描仪等设备中。近年来，诸多学者展开了光电陶瓷在微驱动领域的预研工作，然而有关光电陶瓷输出位移的控制一直处于开环阶段，无法实现对其进行精确的闭环控制。

申请人之前的专利《一种光电陶瓷驱动的微镜微调装置》公开了一种利用光电陶瓷的光致形变效应驱动微镜进行微调节装置，该装置可以直接将光能转化机械能，驱动微镜平移和旋转，使结构更加紧凑，但是该专利中的具体驱动控制装置及控制方法有待完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置及控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置，包括非接触式位移传感器控制台、非接触式位移传感器探头、光电陶瓷、光电陶瓷夹具、丝杠螺母副移动平台、丝杠、第一滑动导轨、第二滑动导轨、滑动导轨底座、伺服电机、计算机、紫外光源控制器、光快门控制器、平台立柱、紫外光源探头和光快门；

丝杠螺母副移动平台、丝杠、第一滑动导轨、第二滑动导轨、滑动导轨底座、伺服电机构成了光电陶瓷位移闭环伺服控制装置的粗调节装置，滑动导轨底座上设置相互平行的丝杠、第一滑动导轨和第二滑动导轨，其中丝杠位于第一滑动导轨和第二滑动导轨之间，丝杠的一端与伺服电机相连，在伺服电机的驱动下转动，丝杠的另一端设置丝杠螺母副移动平台，该丝杠螺母副移动平台可相对第一滑动导轨和第二滑动导轨沿导轨方向滑动，所述伺服电机在计算机的控制下工作；

丝杠螺母副移动平台上固连光电陶瓷夹具和平台立柱，光电陶瓷夹具上固连光电陶瓷，光电陶瓷的另一端为自由端，平台立柱上设置紫外光源探头和光快门，其中紫外光源探头位于光快门的正上方，紫外光源探头通过导线与紫外光源控制器相连，紫外光源探头在紫外光源控制器的控制下工作，光快门通过导线与光快门控制器相连，光快门在光快门控制器的控制下工作，所述紫外光源控制器和光快门控制器均与计算机相连；

非接触式位移传感器探头设置在光电陶瓷的的正前方，用于测量光电陶瓷自由端的输出位移，非接触式位移传感器探头通过数据线将数据传递到非接触式位移传感器控制台上，该非接触式位移传感器控制台同时与计算机相连。

一种基于上述光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、光电陶瓷的位移由非接触式位移传感器探头测量并传送给非接触式位移传感器控制台，同时将数据发送给计算机；计算机通过控制伺服电机驱动丝杠螺母副完成粗调节，使光电陶瓷的自由端与非接触式位移探头的距离小于等于光电陶瓷的最大伸长量，然后执行步骤2；

步骤2、计算机发送指令给紫外光源控制器控制紫外光源探头开启，同时发送指令给光快门控制器控制光快门打开，然后转向步骤3；

步骤3、计算机接收由非接触式位移传感器控制台发送的位移数据S，并与设定的目标位移S_t进行比较，当位移S大于目标位移S_t时，计算机将光快门关闭；否则，执行步骤4；

步骤4、计算机将光快门保持打开状态，并返回步骤3直至位移S等于目标位移S_t为止。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)现有技术对光电陶瓷输出位移的控制多为开环控制，本发明利用非接触式位移传感器，光快门等设备能够实现光电陶瓷输出位移的闭环伺服控制；2)本发明的光电陶瓷闭环伺服控制实验装置增加了丝杠螺母副粗调节装置，增加了整个装置调节的范围；3)本发明的计算机对光快门的控制采用了开环指令发送，闭环状态监测的方式，在避免程序出错的同时，提高了光快门的响应速度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置示意图。

图2为光电-压电-静电复合驱动微镜微调节装置平面示意图。

图中标号所代表的含义为：1.非接触式位移传感器控制台、2.非接触式位移传感器探头、3.光电陶瓷、4.光电陶瓷夹具、5.丝杠螺母副移动平台、6.丝杠、7.滑动导轨一、8.滑动导轨二、9.滑动导轨底座、10.伺服电机、11.计算机、12.紫外光源控制器，13.光快门控制器、14.平台立柱、15.紫外光源探头、16.光快门。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置，包括非接触式位移传感器控制台1、非接触式位移传感器探头2、光电陶瓷3、光电陶瓷夹具4、丝杠螺母副移动平台5、丝杠6、第一滑动导轨7、第二滑动导轨8、滑动导轨底座9、伺服电机10、计算机11、紫外光源控制器12、光快门控制器13、平台立柱14、紫外光源探头15和光快门16；

丝杠螺母副移动平台5、丝杠6、第一滑动导轨7、第二滑动导轨8、滑动导轨底座9、伺服电机10构成了光电陶瓷位移闭环伺服控制装置的粗调节装置，滑动导轨底座9上设置相互平行的丝杠6、第一滑动导轨7和第二滑动导轨8，其中丝杠6位于第一滑动导轨7和第二滑动导轨8之间，丝杠6的一端与伺服电机10相连，在伺服电机10的驱动下转动，丝杠6的另一端设置丝杠螺母副移动平台5，该丝杠螺母副移动平台5可相对第一滑动导轨7和第二滑动导轨8沿导轨方向滑动，所述伺服电机10在计算机11的控制下工作；

丝杠螺母副移动平台5上固连光电陶瓷夹具4和平台立柱14，光电陶瓷夹具4上固连光电陶瓷3，光电陶瓷3的另一端为自由端，平台立柱14上设置紫外光源探头15和光快门16，其中紫外光源探头15位于光快门16的正上方，紫外光源探头15通过导线与紫外光源控制器12相连，紫外光源探头15在紫外光源控制器12的控制下工作，光快门16通过导线与光快门控制器13相连，光快门16在光快门控制器13的控制下工作，所述紫外光源控制器12和光快门控制器13均与计算机11相连；

非接触式位移传感器探头2设置在光电陶瓷的3的正前方，用于测量光电陶瓷3自由端的输出位移，非接触式位移传感器探头2通过数据线将数据传递到非接触式位移传感器控制台1上，该非接触式位移传感器控制台1同时与计算机11相连。

所述光电陶瓷3的型号为0-1极化PLZT陶瓷，组分为3/52/48，在光照条件下能够沿极化方向伸长，停止光照后则会缩短，直至原长度。

所述光快门16为Thorlabs公司的SHB1光圈快门，可以连续地以10Hz的频率进行控制，突发频率则可以提高至15Hz。

一种基于上述光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、光电陶瓷3的位移由非接触式位移传感器探头2测量并传送给非接触式位移传感器控制台1，同时将数据发送给计算机11；计算机11通过控制伺服电机10驱动丝杠螺母副完成粗调节，使光电陶瓷3的自由端与非接触式位移探头2的距离小于等于光电陶瓷3的最大伸长量，然后执行步骤2；

步骤2、计算机11发送指令给紫外光源控制器12控制紫外光源探头15开启，同时发送指令给光快门控制器13控制光快门16打开，然后转向步骤3；

步骤3、计算机11接收由非接触式位移传感器控制台1发送的位移数据S，并与设定的目标位移S_t进行比较，当位移S大于目标位移S_t时，计算机1将光快门16关闭；否则，执行步骤4；

步骤4、计算机1将光快门16保持打开状态，并返回步骤3直至位移S等于目标位移S_t为止。

控制过程中，光快门控制器13每隔0.5s向计算机11发送一次当前光快门状态变量Z_o的值，并与计算机内设定的光快门状态变量Z_n进行比较，如果不一致，则立刻对Z_n进行修正，即将当前光快门状态变量Z_o的值赋予Z_n。

本发明的计算机对光快门的控制采用了开环指令发送，闭环状态监测的方式，在避免程序出错的同时，提高了光快门的响应速度。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

结合图1，本发明的一种光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置，适用于微驱动平台的非接触式领域，尤其适用于光电陶瓷微驱动器输出位移的闭环伺服控制领域。该实验装置包括丝杠螺母副粗调节装置，光电陶瓷位移闭环伺服控制装置。其中，光电陶瓷位移闭环伺服控制装置中的光电陶瓷3、光电陶瓷夹具4、平台立柱14、紫外光源探头15、光快门16位于丝杠螺母副粗调节装置的移动平台5上。

结合图1、图2，本发明的一种光电陶瓷位移闭环伺服控制实验装置的控制方法如下。当在计算机11中输入目标位移量并按下开始按钮后，计算机11控制伺服电机10转动，从而对丝杠螺母副移动平台5进行粗调节。在粗调节完成以后，计算机11首先发送指令给紫外光源控制器12打开位于丝杠螺母副移动平台5上的紫外光源探头15。光电陶瓷3在紫外光源照射下开始发生形变，由于一端固定在光电陶瓷夹具4上，形变量转变为光电陶瓷3自由端的输出位移，通过非接触式位移传感器探头2进行测量，并由非接触式位移传感器控制台1返回给计算机11。

计算机11接收由非接触式位移传感器控制台1发送的位移数据S，并与目标位移S_t进行比较。当位移S大于目标值S_t时，计算机[1]将变量Z_c赋值为OFF，并与计算机11内的光快门状态保存变量Z_n进行比较。当Z_c与Z_n保存的值不相等时，计算机将Z_c内保存的值赋给Z_n，并将该值以指令形式发送给光快门控制器。光快门控制器13接收到OFF指令，驱动并闭合光快门15，同时将保存的光快门状态变量Z_o变为OFF。反之，当位移S大于目标值S_t时，计算机[1]将变量Z_c赋值为ON，并与计算机内的光快门状态保存变量Z_n进行比较。当Z_c与Z_n保存的值不相等时，计算机将Z_c内保存的值赋给Z_n，并将该值以指令形式发送给光快门控制器13。光快门控制器13接收到ON指令，驱动并打开光快门15，同时将保存的光快门状态变量Z_o变为ON。光快门控制器13每隔0.5s向计算机11发送一次当前光快门状态变量Z_o的值，并与计算机11内的光快门状态变量Z_n进行比较。如果不一致，则立刻对Z_n进行修正，这样通过开环指令发送，闭环状态监测的方式，避免了计算机11保存的光快门状态与实际光快门状态不一致，从而导致发送错误指令。

本发明为光电陶瓷在微驱动领域的应用提供的一种位移闭环伺服控制实验装置及控制方法，为研究光电陶瓷输出位移的动态特性做了铺垫。