一种菱形陶瓷驱动器的制作方法

本发明涉及压电陶瓷驱动技术领域，尤其涉及一种菱形陶瓷驱动器。

背景技术：

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外，还具有介电性、弹性等，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。

压电陶瓷具有纳米级的定位精度，在微定位方面具有广泛应用，但不能满足稍大范围的微位移要求，所以需要增加位移放大装置。但当使用位移放大装置后，因为位移放大装置呈菱形结构，菱形的形变不规律，且菱形结构的驱动臂形变后会产生非线性位移，导致压电陶瓷位移量与系统位移量存在非线性误差，使测量精度降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种菱形陶瓷驱动器，以解决菱形陶瓷驱动器输出位移产生非线性误差导致测量精度低的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种菱形陶瓷驱动器，包括顺次连接的微处理模块、数模转换模块、驱动电源线性放大模块及压电促动模块，所述微处理模块将一控制信号通过所述数模转换模块后输入所述驱动电源线性放大模块，所述驱动电源线性放大模块将所述控制信号放大以驱动所述压电促动模块伸长，还包括电容测宽模块，所述电容测宽模块设置于所述压电促动模块的压电陶瓷两侧以测量所述压电陶瓷的宽度变化量，并将所述宽度变化量转换为所述压电陶瓷的伸长量以反馈给所述微处理模块，所述微处理模块根据反馈信号得到补偿电压，并将所述补偿电压通过所述数模转换模块后输入所述驱动电源线性放大模块，以补偿所述压电陶瓷的伸长量。

可选的，所述菱形陶瓷驱动器还包括稳压电源模块，所述稳压电源模块为所述微处理模块及所述数模转换模块提供+5v的直流电压，且为所述驱动电源线性放大模块提供+120v与-15v的直流电压。

可选的，所述驱动电源线性放大模块将0v-5v的所述控制信号放大至0v-100v后驱动所述压电促动模块。

可选的，所述电容测宽模块通过所述压电陶瓷的两侧的电容变化量以得到所述压电陶瓷的宽度变化量，并利用如下公式将所述电容变化量转换为宽度变化量：

其中，δc为所述压电陶瓷两侧的电容变化量，δd为所述压电陶瓷的板间距变化量，c0为所述压电陶瓷两侧的初始电容，c′为所述压电陶瓷两侧的测量电容。

可选的，通过如下公式将所述宽度变化量转换为压电促动模块的伸长量：

其中，l3为所述压电陶瓷的伸长量，l1为所述压电陶瓷的宽度变化量，s33为所述压电陶瓷在高度方向上的弹性系数，s31为所述压电陶瓷在宽度或长度方向上的弹性系数。

可选的，设所述压电陶瓷需要的伸长量为l，则通过如下公式计算出所述补偿电压u：

l-l3＝s33u。

本发明具有如下有益效果：通过在压电促动模块两侧增加电容测宽模块，检测压电促动模块的压电陶瓷的板间距的变化，进而到压电陶瓷的伸长量，再反馈到处理器以产生补偿电压，对所述压电促动模块的输出做补偿，提高了位移输出精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的菱形陶瓷驱动器的结构框图；

图2为本发明实施例提供的4路30v直流稳压电路串联得到120v稳压电路的电路图；

图3为本发明实施例提供的1路±15v稳压电路得到-15v稳压电路的电路图；

图4为本发明实施例提供的使用7805得到+5v稳压电源的电路图；

图5为本发明实施例提供的驱动电源线性放大模块的电路图；

图6为本发明实施例提供的压电促动器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的压电陶瓷盒的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的放大机构的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的压电陶瓷逆变效应的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种菱形陶瓷驱动器，包括顺次连接的微处理模块10、数模转换模块20、驱动电源线性放大模块30及压电促动模块40，所述微处理模块10将一控制信号通过所述数模转换模块20后输入所述驱动电源线性放大模块30，所述驱动电源线性放大模块30将所述控制信号放大以驱动所述压电促动模块40伸长，还包括电容测宽模块50，所述电容测宽模块50设置于所述压电促动模块40的压电陶瓷两侧以测量所述压电陶瓷的宽度变化量，并将所述宽度变化量转换为所述压电陶瓷的伸长量以反馈给所述微处理模块10，所述微处理模块10根据反馈信号得到补偿电压，并将所述补偿电压通过所述数模转换模块20后输入所述驱动电源线性放大模块30，以补偿所述压电陶瓷的伸长量。

具体的，由于所述压电陶瓷的逆压电效应，所述压电陶瓷的伸长量与其输入电压之间存在正比关系，又因本实施例驱动所述压电陶瓷的输入电压为所述驱动电源线性放大模块30，所以所述微处理模块10的输出电压＝所述压电陶瓷的输入电压/驱动电源线性放大模块30的线性放大倍数。实际工作中，设所述压电陶瓷实际需要的伸长量为l，需要所述微处理模块10发出控制信号，通过数模转换模块20后转换成模拟信号，所述模拟信号经所述驱动电源线性放大模块30的线性放大后，驱动所述压电促动模块40，所述压电陶瓷在所述压电促动模块40的作用下输出位移。所述压电陶瓷伸长的同时，其宽度也会发生变化，其长度与宽度变化之间存在固定的正比关系，所以可以通过宽度变化量来得到所述压电陶瓷的实际伸长量。进一步，通过加装在所述压电陶瓷两侧的电容测宽模块50实时测得所述压电陶瓷宽度变化量，并将所述宽度变化量转换为所述压电陶瓷的实际伸长量并反馈，反馈信号经模数转换后，反馈给微处理模块10。微处理模块10将所述压电陶瓷的实际伸长量与所述压电陶瓷需要的伸长量反馈相减得到补偿值，并由补偿值计算得到补偿电压，所述微处理模块10输出所述补偿电压，所述驱动电源线性放大模块30将所述补偿电压线性放大后再驱动所述压电陶瓷输出补偿位移。

进一步，所述菱形陶瓷驱动器还包括稳压电源模块60，所述稳压电源模块60为所述微处理模块10及所述数模转换模块20提供+5v的直流电压，且为所述驱动电源线性放大模块30提供+120v与-15v的直流电压。如图2所示，采用4路30v直流稳压电路串联得到120v直流稳压电路，具体的，变压器将工频220v交流电转换为36v直流电压，滤波后采用三端稳压芯片lm338将36v直流电压稳压在30v，串联4个直流稳压电路得到120v直流稳压电路。如图3所示，采用1路±15v稳压电路得到-15v稳压电路，具体的，变压器将工频220v交流电压转换为有公共抽头的两个18v交流电压，滤波后采用三端稳压芯片lm7815与lm7915相组合的电路得到±15v的直流稳压电路。如图4所示，使用7805得到+5v直流稳压电路，具体的，变压器将工频220v交流电转换为9v直流电压，滤波后经三端稳压管7805得到+5v直流稳压电路。

接下来，所述控制信号由所述微处理模块、模数转换模块及滤波电路产生，其中，所述模数转换模块采用16位的模数转换器，在5v满量程的分辨率为：(5v)/65536＝7.6*10^-5＝0.076mv，pa85的失调电压为0.5mv，当前置电压失调量远小于0.5mv，可得到高精度的放大电压。如图5所示，所述驱动电源线性放大模块采用精密放大器pa85作为功率放大器，当输入0-5v的控制电压时，可以得到0-120v输出电压，如图5所示，所述压电陶瓷可视为容性负载，用c6表示，采用两个放大器并联驱动电路，可增加压电陶瓷的输入电流，达到大功率输出的要求。

进一步，所述压电促动器的结构如图6所示，压电陶瓷1设置于两端开口、中部中空的柱形管状壳2中，柱形管状壳2有端盖，所述端盖包括上盖3和下盖4，可封紧整个壳体，所述上盖3留有开口，可使压电陶瓷的位移输出端盖板5伸出壳体，所述上盖3上留有孔7，预留输出位移杆安置，上盖3与盖板5之间安置有限位块6；所述压电陶瓷1两侧有绝缘漆8，绝缘漆8外部是隔离层9，同时与外壳相连的部分也是隔离层9，两隔离层9之间是电容板10。所述压电陶瓷1低端为下盖4，下盖4预留有孔11，可供压电陶瓷电源线与电容板电源线进出。当驱动电源线性放大模块驱动压电陶瓷1时，压电陶瓷1伸长，同时宽度变窄。所述压电陶瓷1伸长位移推动盖板5向上运动，通过孔7与外部相连输出位移。限位块6限制盖板5的位移量，防止其伸长过量。当压电陶瓷1伸长的同时，其宽度变窄，电容板10之间的间距会发生变化，因为电容对位移量的变化很敏感，可测得微小移动，故电容变化量可充分反映压电陶瓷的宽度变化量。

进一步，如图7所示，压电陶瓷盒将压电促动器置于其内，为其提供位移放大的作用。所述压电陶瓷盒整体为一中空柱体，上下有盖。上盖开孔供压电陶瓷的位移输出，底盖留孔供电源线输出。一放大机构固定在压电陶瓷盒两壁的悬臂13分别连接两根柔性杆，两根柔性杆分别为底杆14和顶杆15，底杆14的下部通过连接杆16与孔7相连，上部通过连接杆17与顶杆15相连；顶杆15在压电陶瓷产生位移时，通过位移输出杆18将位移量输出。压电促动器通过盖板5的孔7与连接杆16相连输出位移，压电促动器输出位移时，连接杆16推动底杆14上移，底杆14上移推动连接杆17带动顶杆15上移，顶杆15上移带动位移输出杆18上移，得到位移输出。

如图8所示，放大机构为总体为一菱形结构，压电陶瓷盒12与上连接板19及下连接板20相接；上连接板19及下连接板20两侧为菱形连接杆21，菱形连接杆21与左连接块22及右连接块23相连；其中左连接块22固定，右连接块23为位移输出块。当压电陶瓷通过压电陶瓷盒输出位移时，其位移输出杆18推动上连接板19向上位移，下连接板20向下位移，使菱形结构发生形变。当上连接板19及下连接板20相对位置变大时，菱形连接杆21会带动两个位移块向中间靠拢。因左连接块22固定，则右连接块23发生向左位移，得到位移输出。

所述压电陶瓷是一弹性体，服从胡克定律“弹性限度内，应力与应变成正比”在逆压电效应中，应变与电场强度成正比。即：

δl＝su；

其中δl为压电陶瓷的伸长量，s为弹性系数，u为压电陶瓷的输入电压。

如图9所示，在压电陶瓷逆变效应中，因压电陶瓷堆栈在高度方向进行极化，且电场强度与高度方向平行，设压电陶瓷的三个物理长度“长宽高”分别对应方向1、2、3。s33为压电陶瓷在高度方向的弹性系数；s31＝s32为压电陶瓷在宽度与长度方向上的弹性系数。(压电陶瓷制作之后，在长度与宽度方向上的弹性系数相等，为负数，高度方向为压电陶瓷伸长方向)。

在所述压电陶瓷高度方向上施加电压时，压电陶瓷会产生在高度方向上的伸长量：

δl＝s33u；

而在宽度方向的宽度变化量为：

δb＝s31u。

对于平行板电容来说，在不考虑边缘效应时，其电容量为：

其中c0为初始电容，ε0为真空介电常数，εr为极板间介质相对介电常数，d0为两平行板之间初始距离，s为极板覆盖面积。

当电容板间距由d0减小δd时，电容的变化量：

其中，δc为电容板电容变化量，δd为电容板的板间距变化量，c0为所述电容板的初始电容，c′为电容板的测量电容。

由上式可知，δc与δd之间为双曲线关系，为使δc与δd之间呈近似线性关系，需要值很小，因压电陶瓷宽度变化量为其伸长量的一半还少(由s33和s31可知)，而压电陶瓷的总伸长量在十个微米到几十个微米之间，所以其宽度变化量为几个微米到十几个微米，设电容板间距为毫米极，即可达到较好的线性关系。

接下来，因s33和s31分别为压电陶瓷高度与宽度的弹性系数，所以很容易得到宽度变化量与伸长量之间的关系：

其中，l3为所述压电陶瓷的伸长量，l1为所述压电陶瓷的宽度变化量。

当所述压电陶瓷需要的伸长量为l时，微处理器输出控制信号，经数模转换和线性放大后驱动压电陶瓷形变，电容板因压电陶瓷宽度变化引起板间距变化δd时，电容变化δc；由δc可求出板间距d的变化量δd，即可得到压电陶瓷的宽度变化l1；由l1得到压电陶瓷伸长量l3，将l3反馈给微处理模块，将需要伸长量l-l3得到补偿量δl，由δl计算得到补偿电压(l-l3＝s33u)，所述微处理模块输出补偿电压经数模转换和线性放大后补偿压电陶瓷的伸长量。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。