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计量学报  2021, Vol. 42 Issue (8): 977-985    DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2021.08.01
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高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统设计
罗四维1,乐燕芬1,彭洋1,吴俊杰2,雷李华2,张波2,金涛1
1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093
2.上海计量测试技术研究院,上海 201203
Design of a High Linearity Two-Dimensional Uncoupled Nanometer Piezoelectric Displacement System
LUO Si-wei1,LE Yan-fen1,PENG Yang1,WU Jun-jie2,LEI Li-hua2,ZHANG Bo2,JIN Tao1
1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China
全文: PDF (3417 KB)   HTML (1 KB) 
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 设计了一套具有高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统。提出了一种多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制方案,设计采用基于非线性反馈控制和相似控制相结合的具有接地配置功能的压电控制器。控制器中引入了T型电阻网络,使电容较小的压电致动器能够进行低频线性操作。并对压电陶瓷驱动的位移平台进行了机械结构设计,平台采用嵌套式串联结构来避免耦合位移。通过解析法和ANSYS Workbench有限元仿真两方面对位移平台进行了刚度及位移分析。搭建了一套干涉位移测量系统,对压电位移台的位移、耦合误差及线性度进行了验证测试。实验结果表明:系统满行程内二维位移台的耦合误差最大仅为0.098%,可以将迟滞不对称引起的剩余轨迹偏差减小到0.79%,两个压电陶瓷间的最大轨迹偏差仅为行程范围的0.23%,理论分析和实验验证了所设计多压电电荷控制器的可行性,且系统可有效抑制耦合位移并使定位精度得到明显提高。
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罗四维
乐燕芬
彭洋
吴俊杰
雷李华
张波
金涛
关键词 计量学;纳米压电位移系统二维无耦合;开环压电控制器;柔性铰链;有限元分析;干涉测量    
Abstract:A set of two-dimensional uncoupled nano-piezo displacement system with high linearity is designed. A charge control scheme for simultaneous linear operation of multiple piezoelectric actuators is proposed. The piezoelectric controller with ground configuration function. A T-shaped resistance network is introduced into the controller, which enables piezoelectric actuators with small capacitance to perform low-frequency linear operation. The mechanical structure of the displacement platform driven by piezoelectric ceramics is designed. The platform adopts a nested series structure to avoid coupling displacement. The stiffness and displacement analysis of the displacement platform are carried out through analytical methods and ANSYS Workbench finite element simulation. A set of interference displacement measurement system is built to verify the displacement, coupling error and linearity of the piezoelectric displacement stage. The experimental results show that the coupling error of the two-dimensional stage within the full stroke of the system is only 0.098% at the maximum, and the remaining trajectory deviation caused by hysteresis asymmetry can be reduced to 0.79%. The theoretical analysis and experiments verify the designed two-dimensional pressure. The electric displacement system can effectively suppress the coupling displacement and the positioning accuracy has been significantly improved.
Key wordsmetrology    nanometer piezoelectric displacement system    two-dimensional uncoupled    open-loop piezoelectric controller    flexure hinge    finite element analysis    interferometry
收稿日期: 2020-06-05      发布日期: 2021-08-20
PACS:  TB92  
基金资助:国家重点研发计划(2018YFF0109600);国家自然科学基金(51705324);国家自然科学基金中德科学中心项目(GZ-1287)
通讯作者: 金涛(1985-),男,安徽合肥人,上海理工大学副教授,硕士研究生导师。主要从事光学精密测量方面的研究。Email: jintao@usst.edu.cn     E-mail: jintao@usst.edu.cn
作者简介: 罗四维(1995-),男,内蒙古呼伦贝尔人,上海理工大学硕士研究生,主要研究方向为精密仪器及机械。Email: 694410436@qq.com
引用本文:   
罗四维,乐燕芬,彭洋,吴俊杰,雷李华,张波,金涛. 高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统设计[J]. 计量学报, 2021, 42(8): 977-985.
LUO Si-wei,LE Yan-fen,PENG Yang,WU Jun-jie,LEI Li-hua,ZHANG Bo,JIN Tao. Design of a High Linearity Two-Dimensional Uncoupled Nanometer Piezoelectric Displacement System. Acta Metrologica Sinica, 2021, 42(8): 977-985.
链接本文:  
http://jlxb.china-csm.org:81/Jwk_jlxb/CN/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.08.01     或     http://jlxb.china-csm.org:81/Jwk_jlxb/CN/Y2021/V42/I8/977
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