本發明專利技術公開了一種基于壓電陶瓷和壓電加速度計的小型主動振動控制系統，涉及精密機械和現代控制技術領域。本發明專利技術包括微振動源（00）、傳感器（10）、加速度模塊（20）、位移模塊（30）、速度模塊（40）、第一加法器（50）、放大和濾波模塊（60）、第二加法器（70）、驅動模塊（80）和壓電陶瓷（90）。本發明專利技術結構簡單，體積小，易于集成；可獲得較寬的控制帶寬，控制頻率可到200Hz甚至更高；采用電阻尼代替機械阻尼，在實現上較為簡單；采用位移信號作為低頻漂移補償而不是采用直流反饋的方法進行直流穩定，保證了足夠的低頻增益和相位裕度，有效提高了控制帶寬和壓制比。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及精密機械和現代控制
，尤其涉及一種基于壓電陶瓷和壓電加速度計的小型主動振動控制系統；該系統是一種結構簡單、體積小、實用性和可擴展性強的一維主動振動隔離系統，可廣泛應用于原子力顯微鏡(AFM)、激光干涉和引力波探測等對振動敏感的系統中。
技術介紹
隨著精密測量、高分辨率觀測和激光技術的廣泛應用，好的隔振技術和隔振平臺被迫切需要。在許多精密測量實驗中如高精度光學、激光頻率穩定、激光干涉引力波探測等，地面振動甚至是聲音或是氣流引起的微振動，即使在io_5g以下，也對測量結果產生很大的影響。在這些實驗中商用的被動隔振平臺被廣泛地應用。但是大部分的被動隔振平臺只能對IOHz以上的振動頻率才能達到100倍最好到1000倍的效果，而對于IOHz以下的隔離不強，一般對IHz有不到10倍的抑制，對于IHz以下幾乎是不起作用；另外被動隔離平臺對環境的聲音和氣流沒有隔離效果。然而IOHz以下的振動是對上述實驗產生巨大影響的主要來源。因此研究開發主動隔振技術成為進一步壓制低頻(〈10Hz)振動的主要技術。目前的主動隔振技術主要是通過傳感器來檢測振動，在伺服系統下對信號進行處理并反饋給執行機構用于抵消振動。從執行機構上來看，現在大部分的主動振動隔離的執行器件是直接的力產生裝置如直線電機，螺線管等，并加上復雜的機械阻尼結構來消除機械諧振，來達到系統的穩定。這些器件一般諧振頻率較低(幾百Hz以下)，系統在體積上相對較大，結構相對復雜些。首先對于許多需要小體積的實驗或應用不適用；其次由于較低的諧振使得控制帶寬嚴重受限，在實現上對其進行相位補償也相對很困難，這種執行機構一般控制帶寬在高頻只能到幾十Hz。壓電陶瓷作為執行機構，相對于直線電機由于壓電陶瓷較小的位移量和低頻增益，在目前的許多主動振動控制中都放棄采用其作為執行機構，而采用音圈電機去控制振動。但是由于壓電陶瓷和壓電加速度計體積小而且模塊化，結構簡單并且諧振頻率較高(幾 kHz甚至更高)的優點，對于振動控制是一個很好的選擇。由于壓電陶瓷的這種體積小并且模塊化結構可廣泛地適用于精密測量的許多微型結構之中。例如它可以被放在原子力顯微鏡(AFM)中來控制探測樣本平臺的振動，從而提高原子力顯微鏡的成像質量和掃描速度； 也能夠用在超穩光腔上，降低光腔的振動，提高激光的頻率穩定度。另外它也可以方便地進行多維拓展，來實現振動的多維度控制。如果使用壓電陶瓷來進行振動控制也存在以下兩方面的困難首先壓電陶瓷雖然有很好的高頻特性但是其諧振以及機械結構的諧振會產生很大的相移，嚴重影響系統的穩定性；其次是由于壓電陶瓷是一種位移產生裝置，其產生的加速度隨頻率的降低而急劇減小(12dB/oct)導致低頻增益很小，需要在很大的電路增益作為彌補，這直接導致了電路部分的直流漂移嚴重甚至飽和，系統無法工作。
技術實現思路
本專利技術的目的就在于克服現有技術存在缺點和不足，提供一種基于壓電陶瓷和壓電加速度計的小型主動振動控制系統。本專利技術機械結構部分簡單，可擴展空間大，其伺服電路和控制方法可用于其他類似的振動控制系統，其方法在原理上具有普遍適用性。本專利技術采用的壓電陶瓷作為執行機構來進行主動振動隔離，形成一種結構簡單、 模塊化、體積小、易于集成的隔振系統，并且獲得一個穩定的振動主動控制系統，其控制帶寬是I 200Hz，在20Hz處有60倍的壓制效果。本專利技術的目的是這樣實現的在現有技術的基礎上，通過外部伺服系統的設計和改進，來克服上述的困難。一、本系統的結構是壓電加速度計與微振動源連接，獲得振動信號；壓電加速度計、電荷放大器、偏置補償電路和參考電壓依次連接，用于檢測和處理加速度信號；應變片、前置放大器、第一積分器和微分器依次連接，用于壓電陶瓷產生的位移信號的檢測和處理；偏置補償電路和微分器的輸出在第一加法器處相加，第一加法器的輸出端、斬波器和鎖相放大器、第一濾波電路和第二濾波電路依次連接，得到和信號，并進行放大和濾波； 電荷放大器的輸出端、第二積分器和同相放大器依次連接，得到速度信號并進行放大；同相放大器的輸出和第二濾波電路的輸出在第二加法器處相加，第二加法器的輸出端、陷波器、高壓放大器和驅動壓電陶瓷依次連接，用于驅動壓電陶瓷；壓電陶瓷固定于微振動源內，來抵消其振動。二、本系統的操作方法①將壓電陶瓷固定在所需要進行控制的平臺下面，將壓電加速度計固定在平臺的上面，來檢測平臺的振動；②打開本系統各部分的電源，待加速度模塊的直流穩定后，調節參考電壓值使得加速度模塊的輸出直流很小；③把放大和濾波模塊中的鎖相放大器的增益調節到最小，時間常數設置為300ms，斜率為 12dB/oct ；④速度模塊的增益先加少量，來保證有很小的諧振壓制效果；⑤閉合回路，待系統穩定后，逐步提高鎖相放大器和速度模塊的增益，直到壓制效果最好,系統也不振蕩。本系統具有以下優點和積極效果①結構簡單，體積小，易于集成；②可獲得較寬的控制帶寬，控制頻率可到200Hz甚至更高；③采用電阻尼代替機械阻尼，在實現上較為簡單，且適用于不同振動控制系統中的諧振峰壓制，在原理上具有普遍適用性。④采用位移信號作為低頻漂移補償而不是采用直流反饋的方法進行直流穩定，保證了足夠的低頻增益和相位裕度，有效提高了控制帶寬和壓制比。 附圖說明圖I是本系統的結構方框圖；圖2是微振動源和傳感器及執行器的結構示意圖(剖面圖)；圖中00—微振動源，01—鋁支架，02—鋁底盤，03—鋼珠，04—鋼珠套，05—平頭擋；10 一傳感器，11一壓電加速度計，12一應變片；20—加速度模塊，21 一電荷放大器，22—偏置補償電路，23—參考電壓；30一位移模塊，31一前置放大器，32—第一積分器,33—微分器；40—速度模塊；41 一第二積分器，42—同相放大器；50—第一加法器；60—放大和濾波模塊，61—斬波器和鎖相放大器，62—第一濾波電路，63—第二濾波電路； 70—第二加法器；80—驅動模塊，81—陷波器，82—高壓放大器。90—壓電陶瓷(執行結構)。圖3是兩傳感器對壓電陶瓷的響應曲線；圖中a是幅頻響應， b是相頻響應，曲線I一加速度計和壓電陶瓷的響應，曲線2—應變片及前置放大器和壓電陶瓷的響應；圖4是諧振峰壓制曲線；圖中a是幅頻響應， b是相頻響應，曲線I一沒有速度反饋的壓電陶瓷的響應，曲線2—有速度反饋的壓電陶瓷的響應；圖5是振動控制譜；圖中曲線I一地面的振動譜，曲線2—閉環控制后的振動譜，曲線3—通過地面振動譜和環路增益計算的振動譜，曲線4一閉環后電路部分貢獻的噪聲，曲線5—電荷放大器獨立工作的噪聲譜。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本系統詳細說明一、總體如圖I，本系統包括微振動源00、傳感器10、加速度模塊20、位移模塊30、速度模塊40、 第一加法器50、放大和濾波模塊60、第二加法器70、驅動模塊80和壓電陶瓷(執行器)90 ； 微振動源00包括鋁支架01、鋁底盤02、鋼珠03、鋼珠套04和平頭擋05 ；傳感器10包括壓電加速度計11和應變片12 ；加速度模塊20由電荷放大器21、偏置補償電路22和參考電壓23組成；位移模塊30由前置放大器31、第一積分器32和微分器33組成；速度模塊40由第二積分器41和同相放大器42組成；放大和濾波模塊60由斬波器和鎖相放大器本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于壓電陶瓷和壓電加速度計的小型主動振動控制系統，其特征在于：壓電加速度計（11）與微振動源（00）連接，獲得振動信號；壓電加速度計（11）、電荷放大器（21）、偏置補償電路（22）和參考電壓（23）依次連接，用于檢測和處理加速度信號；應變片（12）、前置放大器（31）、第一積分器（32）和微分器（33）依次連接，用于壓電陶瓷產生的位移信號的檢測和處理；偏置補償電路（22）和微分器（33）的輸出在第一加法器（50）處相加，第一加法器（50）的輸出端、斬波器和鎖相放大器（61）、第一濾波電路（62）和第二濾波電路（63）依次連接，得到和信號，并進行放大和濾波；電荷放大器（21）的輸出端、第二積分器（41）和同相放大器（42）依次連接，得到速度信號并進行放大；同相放大器（42）的輸出和第二濾波電路（63）的輸出在第二加法器?（70）處相加，第二加法器（70）的輸出端、陷波器（81）、高壓放大器（82）和驅動壓電陶瓷（13）依次連接，用于驅動壓電陶瓷（90）；壓電陶瓷（90）固定于微振動源（00）內，來抵消其振動。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：沈輝，王春，陳李生，李劉鋒，
申請(專利權)人：中國科學院武漢物理與數學研究所，
類型：發明
國別省市：
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