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一维闭环微纳米 振动台

阅读：1发布：2020-06-23

专利汇可以提供一维闭环微纳米振动台专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种一维闭环微纳米振动台，是以铍铜簧片作为弹性部件，在铍铜簧片的上表面设置工作台面构成弹性结构，使工作台面仅能在竖直方向形成振动位移；在工作台面的底面设置转接板，转接板与压电陶瓷致动器的位移输出头呈T形连接，由压电陶瓷致动器通过转接板驱动工作台面竖向运动；利用迈克尔逊干涉仪实时检测转接板的运动状态作为检测信号，信号处理及控制系统根据检测信号对压电陶瓷致动器输出控制信号，实现实验台的闭环控制。本发明能够获得高精度的微纳振动，同时具有振幅和频率范围宽、输出振动重复性高、成本低、装调方便以及可以闭环控制等优势。，下面是一维闭环微纳米振动台专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种一维闭环微纳米振动台，其特征是包括：
以铍铜簧片(3)作为弹性部件，铍铜簧片(3)的中央为圆形空腔，所述铍铜簧片(3)利用呈十字分布的簧片螺钉固定在底座(6)的上表面；工作台面(1)置于所述铍铜簧片(3)的上表面，并利用呈十字分布的台面螺钉固定在铍铜簧片(3)上，构成弹性结构，使所述工作台面(1)在水平面上获得限位，并能在竖直方向形成振动位移；
所述底座(6)为底面封闭、顶面敞口的圆柱筒体，在圆柱筒体的底板上嵌装压电陶瓷致动器(4)；在工作台面(1)的底面固定设置转接板(2)，所述转接板(2)位于铍铜簧片(3)的中央圆形空腔内，转接板(2)与压电陶瓷致动器(4)的位移输出头(4a)呈T形连接，由压电陶瓷致动器(4)通过转接板(2)驱动工作台面(1)竖向运动；
在所述底座(6)的圆柱筒体内安装迈克尔逊干涉仪(5)，利用迈克尔逊干涉仪(5)实时检测转接板(2)的运动状态作为检测信号，信号处理及控制系统根据检测信号对压电陶瓷致动器(4)输出控制信号，实现振动台的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一维闭环微纳米振动台，其特征是：所述压电陶瓷致动器(4)在底座(6)中的安装结构为：在底座(6)的底板中央设置台阶孔，压电陶瓷致动器(4)相吻合地嵌装在台阶孔中，使压电陶瓷致动器(4)的外圆周面在台阶孔中得到支撑，限制压电陶瓷致动器(4)的水平位移。
3.根据权利要求2所述的一维闭环微纳米振动台，其特征是：所述压电陶瓷致动器(4)是由位移输出头(4a)、锁紧压板(4b)、压缩弹簧(4c)、堆叠压电陶瓷(4d)、外壳体(4e)，以及封装压电陶瓷致动器底座(4f)组成；通过锁紧压板(4b)和压缩弹簧(4c)的共同作用，向堆叠压电陶瓷(4d)施加预紧力，使堆叠压电陶瓷(4d)产生初始形变。
4.根据权利要求2所述的一维闭环微纳米振动台，其特征是：在所述底座(6)的外圆周面上设置呈十字分布设置固定孔，利用所述固定孔将底座(6)固定在光学平台上，以保持底座(6)的稳定性；在底座(6)的侧壁上设置线缆孔，利用所述线缆孔引出压电陶瓷致动器和迈克尔逊干涉仪的线缆。

说明书全文

一维闭环微纳米振动台

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳米振动台领域，更具体地说是一种可用来对微纳米振动传感器进行测试和标定的振动台，能够产生高精度的微纳振动。

背景技术

[0002] 近年来，越来越多的精密测量仪器被设计制造出来，如微纳米三坐标测量机、原子力显微镜以及高精度激光干涉仪等等。在工作时，这些仪器会受到各种外界干扰的影响，低频微小振动是主要因素之一。比如路面驶过一辆车、有人走过、声音等引起的低频微小振动都会对精密仪器的使用造成干扰。因此，需要研制高精度的低频微振动测量系统。

[0003] 精密测量场合对低频振动的测试提出了更高的要求，如检测的频率范围要达到0-10Hz，振幅的分辨率需要达到纳米级，并能够进行实时高精度测量。而高精度的振动传感器需要由高精度的微纳米振动实验台来标定，因此对于高精度微纳米振动台有很迫切的需求。

[0004] 目前，最常用的振动台是电磁式振动台，以电磁铁为动力，将电能转换为机械动能，可产生高频和大振幅的振动，在使用过程中产生的噪音较大；电磁式振动器的装配方式多采用板簧连接，在使用过程中需要根据产品大小来调节弹簧片的数量，调节费时费力，产生的振动精度较低，仅能提供精度约为1微米的振动，无法产生低至纳米级的振动，无法满足高精度传感器标定和测试的需求。

发明内容

[0005] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种一维闭环微纳米振动台，以期获得高精度的微纳振动，同时具有振幅和频率范围宽、输出振动重复性高、成本低、装调方便以及可以闭环控制的优势。

[0006] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0007] 本发明一维闭环微纳米振动台的结构特点是：

[0008] 以铍铜簧片作为弹性部件，铍铜簧片的中央为圆形空腔，所述铍铜簧片利用呈十字分布的簧片螺钉固定在底座的上表面；工作台面置于所述铍铜簧片的上表面，并利用呈十字分布的台面螺钉固定在铍铜簧片上，构成弹性结构，使所述工作台面在水平面上获得限位，并能在竖直方向形成振动位移；

[0009] 所述底座为底面封闭、顶面敞口的圆柱筒体，在圆柱筒体的底板上嵌装压电陶瓷致动器；在工作台面的底面固定设置转接板，所述转接板位于铍铜簧片的中央圆形空腔内，转接板与压电陶瓷致动器的位移输出头呈T形连接，由压电陶瓷致动器通过转接板驱动工作台面竖向运动；

[0010] 在所述底座的圆柱筒体内安装迈克尔逊干涉仪，利用迈克尔逊干涉仪实时检测转接板的运动状态作为检测信号，信号处理及控制系统根据检测信号对压电陶瓷致动器输出控制信号，实现实验台的闭环控制。

[0011] 本发明一维闭环微纳米振动台的结构特点也在于：所述压电陶瓷致动器在底座中的安装结构为：在底座的底板中央设置台阶孔，压电陶瓷致动器相吻合地嵌装在台阶孔中，使压电陶瓷致动器的外圆周面在台阶孔中得到支撑，限制压电陶瓷致动器的水平位移。

[0012] 本发明一维闭环微纳米振动台的结构特点也在于：所述压电陶瓷致动器是由位移输出头、锁紧压板、压缩弹簧、堆叠压电陶瓷、外壳体，以及封装压电陶瓷致动器底座组成；通过锁紧压板和压缩弹簧的共同作用，向堆叠压电陶瓷施加预紧力，使堆叠压电陶瓷产生初始形变。

[0013] 本发明一维闭环微纳米振动台的结构特点也在于：在所述底座的外圆周面上设置呈十字分布设置固定孔，利用所述固定孔将底座固定在光学平台上，以保持底座的稳定性；在底座的侧壁上设置线缆孔，利用所述线缆孔引出压电陶瓷致动器和迈克尔逊干涉仪的线缆。

[0014] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0015] 1、本发明可以产生低频和中低频微纳振动，输出振幅的重复性高。

[0016] 2、本发明采用铍铜簧片作为弹性部件，可产生的振幅范围大，振动频带宽，且结构稳定性高。

[0017] 3、本发明采用压电陶瓷致动器作为驱动器，具有结构简单、装调方便、成本较低和稳定性好等显著特点。

[0018] 4、本发明以微型迈克尔逊干涉仪为反馈，通过外置基于DSP芯片的信号处理及控制系统，实现了振动台的闭环控制，精度可达纳米级。附图说明

[0019] 图1为本发明整体控制方案示意；

[0020] 图2为本发明外形示意图；

[0021] 图3为本发明内部结构示意图；

[0022] 图4为本发明中铍铜簧片与工作台面以及转接板之间安装位置示意图；

[0023] 图5为本发明中迈克尔逊干涉仪安装位置示意图；

[0024] 图6为本发明中迈克尔逊干涉仪结构示意图；

[0025] 图7为本发明中压电陶瓷致动器结构示意图；

[0026] 图中标号：1工作台面；2转接板；3铍铜簧片；4压电陶瓷致动器；4a位移输出头；4b锁紧压板；4c压缩弹簧；4d堆叠压电陶瓷；4e外壳体；4f封装压电陶瓷致动器底座；5微型迈克尔逊干涉仪；5a为45°反射镜；5b第一光电池1；5c第二光电池；5d第一分光棱镜；5e第三光电池；5f第四光电池；5g 激光器座；5h第二分光棱镜；5i第三分光棱镜；5j第四分光棱镜；5k参考镜；5l干涉仪底板；5m测量镜；6底座。

具体实施方式

[0027] 参见图2和图3，本实施例中一维闭环微纳米振动台的结构形式是：以铍铜簧片3作为弹性部件，铍铜簧片3的中央为圆形空腔，铍铜簧片3利用呈十字分布的簧片螺钉固定在底座6的上表面；工作台面1置于铍铜簧片3的上表面，并利用呈十字分布的台面螺钉固定在铍铜簧片3上，构成弹性结构，使工作台面1在水平面上获得限位，并能在竖直方向形成振动位移；铍铜簧片3的形状及厚度经过ANSYS仿真优化以满足应用需求。

[0028] 如图3和图4所示，底座6为底面封闭、顶面敞口的圆柱筒体，在圆柱筒体的底板上嵌装压电陶瓷致动器4；在工作台面1的底面固定设置转接板2，转接板2位于铍铜簧片3的中央圆形空腔内，转接板2与压电陶瓷致动器4的位移输出头4a利用螺钉呈T形连接，在转接板2与铍铜簧片3之间没有直接的连接关系，由压电陶瓷致动器4通过转接板2驱动工作台面1竖向运动，利用转接板2将压电陶瓷致动器4的单点力输出转化为面输出。

[0029] 在底座6的圆柱筒体内安装迈克尔逊干涉仪5，利用迈克尔逊干涉仪5实时检测转接板2的运动状态作为检测信号，信号处理及控制系统根据检测信号对压电陶瓷致动器4输出控制信号，实现实验台的闭环控制。

[0030] 如图3所示，压电陶瓷致动器4在底座6中的安装结构为：在底座6的底板中央设置台阶孔，压电陶瓷致动器4相吻合地嵌装在台阶孔中，使压电陶瓷致动器4的外圆周面在台阶孔中得到支撑，限制压电陶瓷致动器4的水平位移。

[0031] 如图5所示，在底座6的外圆周面上设置呈十字分布设置固定孔，利用固定孔将底座6固定在光学平台上，以保持底座6的稳定性；在底座6的侧壁上设置线缆孔，利用线缆孔引出压电陶瓷致动器和迈克尔逊干涉仪的线缆。

[0032] 如图6所示，本实施例中迈克尔逊干涉仪5采用微型结构，其包括固定设置在干涉仪底板5l上的45°反射镜5a、第一光电池5b、第二光电池5c、第一分光棱镜5d、第三光电池5e、第四光电池5f、激光器座5g、第二分光棱镜5h、第三分光棱镜5i、第四分光棱镜5j和参考镜5k，并有测量镜5m固定设置在转接板2的底面。其中，第二分光棱镜5h为NPBS，第一分光棱镜5d、第三分光棱镜5i以及第四分光棱镜5j均为PBS。

[0033] 本实施例中微型迈克尔逊干涉仪5的工作原理为：激光器座5g中的半导体激光器发出一束准直激光，经过第三分光棱镜5i后分为两路，一路为透射光，另一路为反射光；透射光经45°反射镜5a偏折90°后到达设置在转接板2的底面上的测量镜5m，反射光到达参考镜5k。从测量镜5m和参考镜5k反射回来的光经过由第三分光棱镜5i、第二分光棱镜5h、第一分光棱镜5d和第四分光棱镜5j构成的棱镜组产生四对干涉光，各干涉光分别由第一光电池5b、第二光电池5c、第三光电池5e和第四光电池5f进行检测，实现针对转接板2和工作台面1的工作状态的实时检测。

[0034] 如图7所示，本实施例中压电陶瓷致动器4是由位移输出头4a、锁紧压板4b、压缩弹簧4c、堆叠压电陶瓷4d、外壳体4e，以及封装压电陶瓷致动器底座4f组成；通过锁紧压板4b和压缩弹簧4c的共同作用，向堆叠压电陶瓷4d施加预紧力，使堆叠压电陶瓷4d产生初始形变；这一结构形式使堆叠压电陶瓷4d在驱动电压的作用下收缩时，压缩弹簧4c可以使位移输出头4a也向下运动，实现位移输出头4a的竖向往复运动。

[0035] 如图1所示，本实施列通过采用高精度的压电陶瓷驱动器，配合具有高灵敏和高稳定性的悬浮式弹性结构，由基于DSP芯片的外部处理及控制系统，高精度信号发生器33519B(是德科技，分辨率为1mv Vp-p)，以及放大倍数为20的放大器的实现精确控制，可以产生最大4000N的推力和400N的拉力，振动台的振幅产生范围为±100μm，最小理论振幅为15nm，设计工作频率为0-200Hz，所产生振动的振幅重复性可达30nm。

[0036] 本实施例中选用的压电陶瓷型号为：PST 150/10/200VS15。

[0037] 表1

[0038]标称位移[μm@150v](±10％) 200
无位移最大推力[N@150v] 4000
刚度[N/μm] 10
谐振频率[KHz] 4
静电容量[μF] 37

[0039] 表1所示为PST 150/10/200VS15型压电陶瓷致动器的性能参数。

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