一种闭环控制压电驱动在线监测装置的制作方法
本发明涉及压电驱动技术领域，尤其涉及一种闭环控制压电驱动在线监测装置。
背景技术：
随着精密仪器领域的迅速发展，对于精密位移驱动提出了更高的要求。纳米机器人，新型纳米材料的力学行为表征，精密定位装置等前沿领域都需要大量使用压电驱动装置。
目前，压电驱动装置可分为谐振式和非谐振式。其中，谐振式压电驱动装置具有较大的驱动力，但位移分辨率较低，无法实现精确定位。非谐振式压电驱动装置可以实现较高的位移分辨率，但是驱动力较小。以上两者均是开环控制，在位移多次进给时，将会形成误差的累积，无法保证实际位移与理论值相符，难以应用在高精密位置控制领域。同时以上两种位移加载装置，均不含力测量装置，无法实时获得力-位移曲线。在工业化应用方面，压电驱动装置常常集成在大型精密机械内部。传统压电驱动装置获得数据均保存在本地，无法实现远距离在线上传，将会极大影响产品的集成性，难以与其余精密机械协同使用。
因此，如何解决压电驱动装置位置控制精度问题，实现位置移动的闭环控制，如何实现在线监测压电驱动装置的位移，如何实现在线监测样品的机械力，如何实现远端客户端对数据实时监控，以便与其余精密机械协同工作，是一项亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种闭环控制压电驱动在线监测装置，能够解决压电驱动装置位置控制精度问题，实现位置移动的闭环控制，实现在线监测压电驱动装置的位移，实现在线监测样品的机械力，实现远端客户端对数据实时监控，以便与其余精密机械协同工作。
本发明提供了一种闭环控制压电驱动在线监测装置，包括：电压源、压电驱动装置、样品台、位移测量装置、力和位移控制装置、力测量装置、单片机和在线监测系统；其中：
所述压电驱动装置与所述电压源相连，通过所述电压源提供的周期性的电压信号产生位移，以驱动与所述压电驱动装置相连的样品台上的样品；
所述位移测量装置与所述样品台相连，用于测量所述样品台上样品的位移；
所述力和位移控制装置分别与所述单片机和所述电压源相连，用于控制所述压电驱动装置的位移量；
所述力测量装置与所述样品台相连，用于测量所述样品台上样品的机械力；
所述单片机与所述位移测量装置和所述力测量装置相连，用于对所述位移测量装置采集的位移量和所述力测量装置采集的机械力进行模数转换；
所述在线监测系统与所述单片机相连，用于存储所述单片机发送的监测数据。
优选地，所述压电驱动装置包括：基板、第一驱动台、第二驱动台、压电陶瓷、滚珠、螺母、弹簧、螺栓和垫圈；其中：
所述基板上设有三个与所述滚珠直径相等的圆柱形通孔；
所述基板设置在所述第一驱动台和所述第二驱动台之间，所述第一驱动台和所述第二驱动台上设置有螺纹孔，还对称设置有两个细长凹槽并与所述滚珠形成配合关系；
所述第一驱动台和所述第二驱动台通过所述螺母、弹簧、螺栓以及垫圈固定在一起。
优选地，所述位移测量装置包括：激光器、第一透镜、第二透镜、光阑、第一反射镜、分束器、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和相位板；其中：
所述激光器发出红光，通过所述第一透镜、第二透镜和光阑形成一个扩束系统；
光束在经过第一反射镜后，通过所述分束器分为两束，一束反射至所述第二反射镜和所述第三反射镜作为参考光束，另外一束反射至所述压电驱动装置运动端的第四反射镜，作为测量光束；
所述第四反射镜与所述压电驱动装置的运动端固定，使得第四反射镜能够与所述压电驱动装置同时移动；
参考光束与测量光束再次经过所述分束器，形成两路干涉信号，分别由光电探测器接收，其中一路干涉信号经过相位板，增加一个π/2的相位，可逆计数器通过这组信号的关系，进行干涉条纹变化的周期数的计算。
优选地，所述力测量装置包括：力测量电桥电路、移相系统、差动放大电路、相敏检波器、低通滤波器和f/v表；其中：
将所述力测量电桥电路得到的输出电压通过所述移相系统改变相位使其稳定后再通过所述差动放大电路提高传感器线性度同时抑制其共模信号带来的干扰；
将信号通入所述相敏检波器和低通滤波器，在参考信号对其相位和频率进行鉴别后将对输入信号进行调制和选频处理；
经过调制和选频处理过的信号由所述f/v表转换输出电压值。
优选地，所述在线监测系统包括：电子计算机和数据库。
综上所述，本发明公开了一种闭环控制压电驱动在线监测装置，包括：电压源、压电驱动装置、样品台、位移测量装置、力和位移控制装置、力测量装置、单片机和在线监测系统；其中：压电驱动装置与电压源相连，通过电压源提供的周期性的电压信号产生位移，以驱动与压电驱动装置相连的样品台上的样品；位移测量装置与样品台相连，用于测量样品台上样品的位移；力和位移控制装置分别与单片机和电压源相连，用于控制压电驱动装置的位移量；力测量装置与样品台相连，用于测量样品台上样品的机械力；单片机与位移测量装置和力测量装置相连，用于对位移测量装置采集的位移量和力测量装置采集的机械力进行模数转换；在线监测系统与单片机相连，用于存储单片机发送的监测数据。本发明能够解决压电驱动装置位置控制精度问题，实现位置移动的闭环控制，实现在线监测压电驱动装置的位移，实现在线监测样品的机械力，实现远端客户端对数据实时监控，以便与其余精密机械协同工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的一种闭环控制压电驱动在线监测装置的结构示意图；
图2为本发明公开的压电驱动装置的爆炸图；
图3为本发明公开的压电驱动装置的外形图；
图4为本发明公开的压电陶瓷输出位移-驱动电压曲线图；
图5为本发明公开的电压源电压-时间曲线图；
图6为本发明公开的位移测量装置示意图；
图7为本发明公开的光电探测器探测光强-驱动电压曲线图；
图8为本发明公开的力测量电桥电路示意图；
图9为本发明公开的力传感器探测力-电压曲线图；
图10为本发明公开的力与位移反馈系统示意图；
图11为本发明公开的力与位移测量装置示意图；
图12为本发明公开的在线监测系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明公开的一种闭环控制压电驱动在线监测装置，所述装置可以包括：电压源、压电驱动装置、样品台、位移测量装置、力和位移控制装置、力测量装置、单片机和在线监测系统；其中：
压电驱动装置与电压源相连，通过电压源提供的周期性的电压信号产生位移，以驱动与压电驱动装置相连的样品台上的样品；
具体的，由于压电驱动装置中压电陶瓷本身的最大位移较小，只有几十个微米，故压电驱动装置通过给压电陶瓷施加周期性的电压信号，则压电陶瓷向前移动挤压梁，同时使梁产生形变，则基板和滚珠产生摩擦力，推动外侧的驱动台向前运动。在式(1)中，对于长距离的位移要求l，只需依据步长d计算所需的电压加载次数n即可。
l＝n*d(1)
位移测量装置与样品台相连，用于测量样品台上样品的位移；
具体的，如果物体发生移动，则两光程差发生变化，光斑会发生明暗条纹的转化。位移测量装置中的光电探测器能观察到相长干涉和相消干涉的光强变化，测量距离等于条纹数乘以所选激光波长的一半。其中明条纹对应示波器输出曲线的波峰，暗条纹对应示波器的波谷，光强变化随电压变化曲线如图7所示。在式(2)中，n为干涉条纹变化的周期数，λ为干涉光的波长，l为测量物体的位移。
力和位移控制装置分别与单片机和所述电压源相连，用于控制压电驱动装置的位移量
具体的，对于给定加载力，由于样品的力学性能未知，则无法获知所需的驱动电压和所需的周期性电压信号的重复次数，故在每次加载单次的电压信号之后都需要将力传感器的测量值与目标力值相比较，增加驱动电压的周期数直到达到目标力值。
对于给定的电压，对应压电陶瓷的位移并不时时相等，从而产生了位移误差。力和位移控制装置将每次预定位移分为多次进给，将每次位移测量数值与设计值进行比较，若位移值超过或不足预定值，则在下次进给时，相应调节电压值，从而控制位移量，确保最终的总位移值在误差范围之内。式(3)中，k为正向通道总传递系数，k1为传感变送系数，k2为放大系数，k＝k1k2，β为反馈系数。
力测量装置与样品台相连，用于测量样品台上样品的机械力；
具体的，利用电桥式压力传感器对样品机械力进行监测及测量，将应变片通过粘合剂紧密的粘合在产生力学应变的梁上，当其受力发生应力变化时，电阻应变片也随之一起产生变形使得应变片的阻值发生变化，从而使得电桥输出电压发生变化。选用金属应变片和全桥电路，如图8所示，当电桥平衡时，r1*r3＝r2*r4，电桥输出为零，这里取r1＝r3＝r2＝r4＝r。若桥臂阻抗相对变化为：
单片机与位移测量装置和力测量装置相连，用于对位移测量装置采集的位移量和力测量装置采集的机械力进行模数转换；
具体的，根据力测量装置，位移测量装置采集到的模拟信号，经过单片机控制数模转换，采用逐次渐进型进行数模转换，转换器主要包括d/a转换器，电压比较器，锁存器，移位寄存器和逻辑控制单元组成。将传感器接收到的模拟电压uinput输入端口a，d/a转换器输出的电压udigital输入电压比较器的端口b。通过a、b两个端口电压数值的比较，得到反馈信号，从而调整输出电压与输入电压相等，那么此时b端口输出的数字量就是对应的输入模拟量。
在线监测系统与单片机相连，用于存储单片机发送的监测数据。
具体的，单片机随后将采集到的数据经串口传递到本地计算机的客户端，通过数据库的访问接口，将数据输入数据库中。数据的传输过程分为：加载并注册数据库驱动，建立到数据库的连接并访问数据库。此时数据库中将保存当前采集的数据，位于本地客户端的用户可访问并获取数据。
在外地客户端，用户通过在浏览器中输入网址来访问web服务器，web服务器将访问请求交给servlet容器，servlet容器实例化servlet，对响应进行处理，访问数据库，将数据库中的数据返回给web服务器，则数据可以通过web浏览器进行浏览。
综上所述，本发明能够解决压电驱动装置位置控制精度问题，实现位置移动的闭环控制，实现在线监测压电驱动装置的位移，实现在线监测样品的机械力，实现远端客户端对数据实时监控，以便与其余精密机械协同工作。
具体的，在上述实施例中，如图2和图3所示，压电驱动装置主体包括基板1、第一驱动台2、第二驱动台3以及压电陶瓷9和滚珠8，零件分别为螺母4、弹簧5、螺栓6以及垫圈7。其中，金属基板1为黄铜所制，上面加工出三个与滚珠直径相等的圆柱形通孔。第一驱动台2和第二驱动台3也为黄铜所制，其上表面除加工出螺纹孔外还对称加工有两个细长凹槽并与滚珠形成配合关系。第一驱动台2和第二驱动台3通过螺母4、弹簧5、螺栓6以及垫圈7固定在一起同时运动。
当给压电陶瓷9施加一定的电压时，压电陶瓷9将向上产生微小位移从而挤压基板1的横梁使其发生微弱形变，这时，滚珠8的外表面与基板1的圆柱孔内表面由于相对滑动将产生相互作用的摩擦力。同理，每个滚珠的外表面与第一驱动台2和第二驱动台3的开口槽之间也将产生一对方向相反的滑动摩擦力，并且第一驱动台2和第二驱动台3受到的是向上的摩擦力进而将产生向上的位移。这里将加载到压电陶瓷9上的驱动电压信号设置为一周期信号，通过每次微小位移的累积便可实现较大的位移传动。压电陶瓷9输出位移-驱动电压曲线图如图4所示，电压源电压-时间曲线图如图5所示。
具体的，在上述实施例中，位移测量装置如图6和图11所示，可以由激光器10发出波长为632微米的红光，其中，激光器10可以为氦氖激光器，发出的红光通过第一透镜11、第二透镜13和小孔光阑12形成一个扩束系统，使光斑直径扩大，同时减小光的发散角。光束在经过第一反射镜14后，通过分束器18，此时光束分为两束，一束反射至反第二发射镜19和第三反射镜15作为参考光束，另外一束反射至压电驱动装置运动端的第四反射镜17，作为测量光束。其中，第四反射镜17与压电驱动装置的运动端固定，使得第四反射镜17能够与压电驱动装置同时移动。参考光束与测量光束再次经过分束器18，形成两路干涉信号，分别由光电探测器接收。其中一路干涉信号由于经过相位板16，人为的增加了一个π/2的相位，可逆计数器可通过这组信号的关系，进行干涉条纹变化的周期数的计算，如式(2)所示。光电探测器探测光强-电压曲线图如图7所示，波峰对应干涉光斑的明条纹，波谷对应干涉光斑的暗条纹。
具体的，在上述实施例中，力测量装置如图8和图11所示，当电桥网络中的应变片受到力的作用时，其阻值将发生变化使得整个电桥网络的输出电压也发生变化，并且输出电压与阻抗相对变化成如下线性关系：
v0＝(δr/r)vb(5)
由于力测量装置选用的是金属应变片和全桥网络，故待测力与全桥网络输出电压的关系如式(4)所示。
将全桥网络得到的输出电压通过移相系统改变相位使其稳定后再通过差动放大电路提高传感器线性度同时抑制其共模信号带来的干扰。接着，将信号通入相敏检波器和低通滤波器，在参考信号对其相位和频率进行鉴别后将对输入信号进行调制和选频处理。即，相敏检波器将参考信号和输入信号相乘，得到的信号既包含有两信号频率之差的成分，同时还有两信号频率之和的成分，通过低通滤波器滤去高频成分，保留有用的低频部分。经过调制和选频处理过信号由f/v表转换输出电压值并将电压值输入电子计算机做进一步分析处理，测得的力传感器探测力-电压曲线图如图9所示。
具体的，在上述实施例中，在进行力加载时，单次电压加载所获得的力将传输至单片机与目标力值相比较，如果被测力未达到目标值，则触发下一个电压加载，直到达到目标力值。
在进行位移加载时，设定位移将被分为n次分别加载，则每次加载的位移量是总位移的n分之一。单次电压加载所获得的位移将传输至单片机与目标力值相比较，如果被测位移未达到单次位移目标值，则下一次电压加载值将增大，如果被测位移超过单次位移目标值，则下一次电压加载值将减小。具体的，力与位移反馈系统示意图如图10所示。
具体的，在上述实施例中，如图11和图12所示，将传感器采集到的力和位移信号，传递至单片机，进行数模转换，具体步骤如下：
(1)首先判断最高信号位的比较数字量。锁存器输出信号的最高位置1，其余位置0，并将该数据送入d/a转换器。
(2)d/a转换器按照输入的数字信号输出对应电压udigital，这个电压与输入模拟电压uinput送入电压比较器进行比较。
(3)如果uinput大于udigital，则电压比较器输出高电平，控制逻辑单元将保持寄存器输出的最高位为1，反之，将保持寄存器输出的最高位置0。
(4)对较低的一位进行判断。重复(2)～(3)完成一位的判断，直到所有位都比较完。只需要重复n次比较便可以得到输入模拟量对应n位的数字量。
将得到的数字量经过串口与电子计算机进行通讯，电子计算机将加载并注册数据库驱动，通过数据库的地址建立与数据库的连接，同时还需要输入数据库的用户名和密码。在连接建立完成之后，数据将被写入数据库。写入数据包括力和对应位移数据。
本地用户可以通过本地java应用程序，调用数据库专用访问接口jdbcapi，从而使用jdbc驱动程序，建立计算机与数据库的连接，调用数据库中的数据，实现对数据库的访问。
异地用户可以通过异地客户端，在web浏览器上输入对应服务器的域名，对服务器进行访问，建立服务器与客户端的连接。之后客户端向服务器发送对传感器接收数据的请求，服务器将访问请求交给servlet容器，servlet容器实例化servlet，对响应进行处理，访问数据库，将数据库中的数据返回给web服务器，则异地用户可以通过web浏览器对数据进行监控。在完成数据传输之后，异地客户端与服务器的连接将中断。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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