内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及位移测量技术领域，具体涉及一种内置应变片式压电陶瓷的位移检测 装置及检测方法。
【背景技术】
[0002] 压电陶瓷材料具有高分辨率、高响应频率、大推力等优点，被广泛的应用于航空航 天、半导体、生物工程、精密检测及精密加工等领域。但同时由于压电陶瓷具有磁滞和蠕变 等特性使其无法以开环形式应用于精密位移控制领域以及各种超精密平台中。工程中可将 应变片（SGS)集成于压电陶瓷之中，构成半闭环系统以减小磁滞和蠕变的影响。根据逆压 电效应，压电陶瓷在直流激励作用下产生伸缩变化。将应变片以悬臂梁的结构安装至压电 陶瓷，则可以应力变化的形式检测出压电陶瓷的伸缩变化，从而达到测量的目的。但应变片 检测到的是应力变化，如何将应力变化转换为压电陶瓷对应的位移变化量以及如何使测量 的位移量具有高分辨率成为位移检测技术中的难点。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决现有对压电陶瓷运动过程中的应变片位移检测过程中，存在由于磁 滞以及蠕变引起的压电陶瓷驱动器开环精度低的问题，提供一种内置应变片式压电陶瓷的 位移检测装置及检测方法。
[0004] 内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置，包括微位移运动平台、高压电源、激光测 长干涉仪和隔振平台，还包括位移检测电路，所述微位移运动平台安装在隔振平台上，内置 应变片式压电陶瓷安装在微位移运动平台上，所述激光测长干涉仪角镜安装于微位移运动 平台上，高压电源向内置应变片式压电陶瓷输出电压，所述内置应变片式压电陶瓷驱动微 位移运动平台竖直运动，所述位移检测电路与激光测长干涉仪同时测量内置应变片式压电 陶瓷，计算得到应变片的位移值；
[0005] 所述位移检测电路包括应变片供电电源模块，微弱差分信号放大电路模块，信号 调理与滤波模块，模数转换模块以及微处理器模块，应变片供电电源模块为应变片供电，所 述应变片在压电陶瓷激励下产生的应变量依次经由微弱差分信号放大电路模块、信号调理 与滤波模块、模数转换模块以及微处理器模块后，获得数字化的电压值。
[0006] 内置应变片式压电陶瓷的位移检测方法，该方法由以下步骤实现：
[0007] 步骤一、将内置应变片式压电陶瓷安装在微位移运动平台上，并校准激光测长干 涉仪；
[0008] 步骤二、控制高压电源输出不同的电压使内置应变片式压电陶瓷在全位移行程下 以固定的步进量单向运动，运动至指定位置时，依次采集所述输出不同电压时位移检测电 路电压值与激光测长干涉仪位移值；
[0009] 步骤三、将步骤二中获得的位移检测电路检测的电压值作为输入，激光测长干涉 仪测量的位移值作为输出，采用最小二乘法，获得应变片测量位移值。
[0010] 本发明的有益效果：本发明采用位移检测方法借助位移检测电路实现了内置应变 片式的压电陶瓷在全行程下的位移检测，测量位移分辨率可达5nm。本发明中的位移检测电 路具有结构简单，灵活性强，精度高，成本低等特点；本发明中的位移测试方法具有检测装 置少，安装容易的特点，同时操作流程可通过软件实现，具有简便、自动化程度高的特点。本 发明亦可应用于应变测量的其他领域（如温度、压力测量等）。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置中位移检测电路组 成示意图；
[0012] 图2为本发明所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测装置结构示意图；
[0013] 图3为本发明所述的内置应变片式压电陶瓷的位移检测方法的流程图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0014] 一、结合图1至图3说明本实施方式，内置应变片式压电陶瓷的位移 检测装置，包括微位移运动平台、高压电源7、激光测长干涉仪8和隔振平台5，还包括位移 检测电路6,所述微位移运动平台安装在隔振平台5上，内置应变片式压电陶瓷3安装在微 位移运动平台上，所述激光测长干涉仪角镜1安装于微位移运动平台上，高压电源7向内置 应变片式压电陶瓷3输出电压，所述内置应变片式压电陶瓷3驱动微位移运动平台竖直运 动，所述位移检测电路6与激光测长干涉仪8同时测量内置应变片式压电陶瓷3,计算得到 应变片的位移值；
[0015] 所述位移检测电路6,包括应变片供电电源模块，微弱差分信号放大电路模块，信 号调理滤波模块，模数转换模块以及微处理器模块。应变片在供电电源模块激励下产生的 应变量，依次经由微弱差分信号放大电路模块、信号调理滤波模块、模数转换模块以及微处 理器模块后，得到数字化的电压值。
[0016] 本实施方式中所述的位移检测电路6中应变片供电电源模块的输出是10V直流电 压，采用电压基准芯片和同相比例放大器实现。其中电压基准芯片敷铜设计，同相比例放大 器中电阻采用低温度系数的金属膜电阻。
[0017] 本实施方式所述的应变片供电电源模块采用Maxim公司的电压基准芯片MAX6250 和AnalogDevice公司的运算放大器AD8675搭建同相比例放大器组成，MAX6250的输出为 5V，采用AD8675作为二级输入，将输入电压变换为10V，同时降低电压源部分的输出阻抗， 电压基准芯片敷铜设计，同相比例放大器中电阻采用低温度系数的金属膜电阻；
[0018] 本实施方式所述的位移检测电路6中微弱差分信号放大电路采用仪表放大器设 计实现。其中放大倍数通过增益电阻设置为330倍，增益电阻采用1%。精度的柱状贴片薄膜 电阻器。增益偏移调节通过调节电阻器实现，并增加退耦电容。
[0019] 微弱差分信号放大电路模块米用AnalogDevice公司的仪表放大器AD8221，其中 增益电阻选取1%。精度的柱状贴片薄膜电阻器，其阻值为150欧，设计的差分电压放大倍数 为330倍，同时通过调节电阻器调节增益偏移；
[0020] 所述的位移检测电路6中信号调理与滤波模块通过同相衰减电路将输出电压范 围设定为〇~10V。滤波器采用6阶巴特沃斯低通滤波器实现，其中截止频率为200Hz， 1200Hz的滚降为-60dB。
[0021] 所述的信号调理与滤波模块均采用AnalogDevice公司运算放大器AD8676,通过 同相衰减电路将输出电压范围设定为〇~10V，设计6阶巴特沃斯低通滤波器，其截止频率 为200Hz，1200Hz的滚降为-60dB;模数转换模块芯片采用AnalogDevice公司模数转换芯 片AD7190;微处理器模块采用TexasInstrument公司TMS320F2812型号DSP处理器。
[0022] 本实施方式所述的高压电源7的电压输出电压范围为0~100V;微位移运动平台 实现等比位移输出且位移分辨率小于l〇nm;激光测长干涉仪选用RenishawXL80,其位移 分辨率小于2nm〇
[0023] 本实施方式中所述的微位移运动平台由调节平台2和基座4组成。所述基座安装 在隔振平台上，将内置应变片式压电陶瓷3安装在基座4上，固定调节平台2,并将激光干涉 仪角镜1安装于调节平台2上。
【具体实施方式】 [0024] 二、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为一 所述的内置应变片