本發(fā)明涉及一種壓電材料制成的振動(dòng)臺(tái)，尤其是涉及一種在線微型振動(dòng)臺(tái)。

背景技術(shù)：

大型振動(dòng)臺(tái)的研究和應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)了很久了，但是隨著在20世紀(jì)70年代末MEMS技術(shù)在美國(guó)和日本的商業(yè)化浪潮的興起，作為應(yīng)用于MEMS傳感器或微位移輸出裝置的微型振動(dòng)臺(tái)越來(lái)越占有重要的地位。而微型振動(dòng)臺(tái)是屬于MEMS技術(shù)中的一個(gè)單元，主要包括微馬達(dá)、微諧振器等，用來(lái)產(chǎn)生力并實(shí)現(xiàn)位移。MEMS的起源可追溯到20世紀(jì)50年代，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體Si的壓阻效應(yīng)后開始了對(duì)Si傳感器的研究工作。到1987年，馮龍生等人研制出可動(dòng)的硅微型靜電電機(jī)，使人類從傳感器研究轉(zhuǎn)向真正的MEMS研究。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校于1988年用硅片刻蝕工藝研制出轉(zhuǎn)子直徑為60-120μm的靜電微電機(jī)，在世界上引起震動(dòng)和學(xué)術(shù)界的重視，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開展了微機(jī)電系統(tǒng)的研究，中國(guó)的MEMS研究始于1989年，在國(guó)家“八五”至“十五”期間得到政府和各部門立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)達(dá)5億元。我們MEMS研發(fā)單位主要集中在高等院校和研究院。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，精密加工和超精密加工是先進(jìn)制造領(lǐng)域的重要方向之一，它的發(fā)展是其他尖端技術(shù)的基礎(chǔ)，是推動(dòng)整個(gè)科技向更高層次發(fā)展的重要手段，也是現(xiàn)階段必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)從“九五”規(guī)劃開始，己將其列為關(guān)鍵技術(shù)之一。其中微型執(zhí)行器既可構(gòu)成微機(jī)械的動(dòng)力部分，亦可成為微機(jī)械的操作或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外的著名大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都將有關(guān)微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)、加工制造技術(shù)及測(cè)控技術(shù)等研究作為超精密加工技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)研究的一個(gè)重要方向和突破口。

在研制微執(zhí)行器或者微結(jié)構(gòu)的技術(shù)中，壓電材料有很大的活躍性，它既具備感知功能，又具備響應(yīng)功能，且具有易于智能化、集成化和微型化的特點(diǎn)，成為近年來(lái)功能材料方面研究的熱點(diǎn)?；趬弘姴牧蠟轵?qū)動(dòng)元件的微執(zhí)行器已在現(xiàn)代精密加工、航空、航天飛行器、醫(yī)學(xué)、建筑和工程及機(jī)器人等領(lǐng)域得到應(yīng)用。其最大的特點(diǎn)是微米，納米量級(jí)的位移或運(yùn)動(dòng)提供了新手段和新途徑，并具有線性好，控制方便，位移分辨率高，頻率響應(yīng)好，不發(fā)熱及無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，所以壓電微執(zhí)行器已經(jīng)成為一種理想的微位移驅(qū)動(dòng)裝置，日本是最早進(jìn)行壓電微執(zhí)行器技術(shù)研究的國(guó)家之一。其中DENSO公司研制的用于工業(yè)管道自動(dòng)化檢測(cè)的微型機(jī)器人使用了壓電元件作為執(zhí)行器，只是世界上最早將壓電微執(zhí)行器用于機(jī)器人上，并取得了很好的效果，隨后德國(guó)Karlsrule大學(xué)用壓電驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)單元研制成功的定位機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)3自由度的運(yùn)動(dòng)，起最大線性速度為0.02m/min，旋轉(zhuǎn)速度為1r/min，驅(qū)動(dòng)電壓為-20到+20V，運(yùn)動(dòng)精度為175nm。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)結(jié)合仿生學(xué)原理，研制了用于微飛行昆蟲的振翅壓電微執(zhí)行器。該執(zhí)行器為壓電雙晶片型，質(zhì)量為15mg，驅(qū)動(dòng)電壓為200V，機(jī)械傳動(dòng)效率高達(dá)95％，執(zhí)行器的振動(dòng)頻率可達(dá)150Hz。驅(qū)動(dòng)器的最大速度為0.9mm/s，最大步長(zhǎng)為36μm，最小步長(zhǎng)0.142μm。韓國(guó)的Ryu等人在1999年就研制出分辨力達(dá)7～8nm的微定位工作臺(tái)。

微執(zhí)行器在超精密加工中的廣泛應(yīng)用將推動(dòng)超精密加工技術(shù)朝著高精度、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展，最終使之成為現(xiàn)代制造業(yè)的主導(dǎo)。我國(guó)在這方面的研究起步比較晚，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)與其他國(guó)家相比發(fā)展相對(duì)落后，但近年來(lái)我國(guó)的功能材料驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器技術(shù)研究進(jìn)步很快。我國(guó)在壓電材料及其微執(zhí)行器技術(shù)方面的研究成果已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，已取得的研究成果主要有中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所以壓電陶瓷微位移執(zhí)行器。該執(zhí)行器用在兩個(gè)方面：一是對(duì)工作臺(tái)的微動(dòng)臺(tái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，目的是為了解決工作臺(tái)定位的準(zhǔn)確性，另一個(gè)是對(duì)導(dǎo)軌直線進(jìn)行誤差補(bǔ)償。天津大學(xué)利用壓電陶瓷作為微位移執(zhí)行器，研制的微進(jìn)給工作臺(tái)，其位移最大可達(dá)15μm，分辨率為0.1μm。同濟(jì)大學(xué)根據(jù)“尺蠖式”進(jìn)給原理，研制了“雙腳步推式”壓電執(zhí)行器，利用該執(zhí)行器研制了在大范圍具有高分辨率、能連續(xù)平穩(wěn)進(jìn)給的微型進(jìn)給機(jī)構(gòu)。上海交通大學(xué)研制了很多用于驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的壓電執(zhí)行器，如彈性足式壓電驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的壓電執(zhí)行器，如彈性足式壓電驅(qū)動(dòng)器等。上海大學(xué)研制了以壓電疊堆作為驅(qū)動(dòng)元件的微小夾持器。這些壓電微執(zhí)行器大多在實(shí)際中得到應(yīng)用，并收到很好的效果。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的高頻振動(dòng)國(guó)家基準(zhǔn)始建于上世紀(jì)70年代末，該振動(dòng)臺(tái)存在的主要問題是在工作頻段范圍內(nèi)(2—50kHz)有2個(gè)諧振峰，高頻基準(zhǔn)在諧振峰頻段內(nèi)無(wú)法進(jìn)行量值傳遞?；谠哳l振動(dòng)臺(tái)存在的缺陷，通過對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用施加準(zhǔn)確預(yù)應(yīng)力的方法代替環(huán)氧樹脂粘結(jié)法，使新研制的振動(dòng)臺(tái)的失真度、諧振峰這2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都有很大改善。

隨著精密加工技術(shù)的不斷推進(jìn)，一些重要的設(shè)備在組裝完成之后在失效之前不可以拆卸檢查各個(gè)部件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其中某些傳感器或者其他的利用位移工作的微型設(shè)備的檢查。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可實(shí)現(xiàn)在不拆卸設(shè)備的情況下測(cè)試傳感器的在線微型振動(dòng)臺(tái)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種在線微型振動(dòng)臺(tái)，包括反饋層、振動(dòng)主體、粘合層、正弦驅(qū)動(dòng)電路和反饋控制電路，所述的反饋層、振動(dòng)主體和粘合層依次疊加，所述的反饋層為單層壓電片，用于放置傳感器，所述的振動(dòng)主體為多層壓電片，所述的多層壓電片在電氣上為并聯(lián)連接，所述的粘合層帶有粘性，用于粘附在設(shè)備表面，所述的正弦驅(qū)動(dòng)電路與振動(dòng)主體連接，所述的反饋控制電路分別與反饋層和正弦驅(qū)動(dòng)電路連接；

所述的振動(dòng)臺(tái)與設(shè)備連接后，在對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所述的正弦驅(qū)動(dòng)電路為振動(dòng)主體施加正弦電壓，所述的反饋層將振動(dòng)主體的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并輸出給反饋控制電路，所述的反饋控制電路將反饋控制信號(hào)發(fā)送給正弦驅(qū)動(dòng)電路以消除諧波，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)傳遞給傳感器，用于對(duì)傳感器進(jìn)行功能測(cè)試。

所述的反饋控制電路包括放大電路和控制器，所述的放大電路的正輸入端和負(fù)輸入端與反饋層的正極和負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，放大電路輸出端與控制器的輸入端連接，控制器的輸出端與正弦驅(qū)動(dòng)電路連接。

所述的反饋層設(shè)上有穿孔，所述的穿孔用于放大電路的一個(gè)輸入端與反饋層的靠?jī)?nèi)側(cè)的電極之間的連接。

所述的反饋層與振動(dòng)主體的壓電片厚度相同。

所述的正弦驅(qū)動(dòng)電路的輸出為小于或等于5V的正弦電壓。

所述的反饋層、振動(dòng)主體和粘合層依次疊加成長(zhǎng)方體形。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)使用本振動(dòng)臺(tái)，不需要將待測(cè)傳感器從設(shè)備上拆卸下來(lái)，就可以對(duì)傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的在線測(cè)試，通過反饋控制消除了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的諧波，提高測(cè)試精度。

(2)振動(dòng)主體的多層壓電片并聯(lián)連接，因此只需要一個(gè)很小的驅(qū)動(dòng)電壓就可以實(shí)現(xiàn)較大的振幅，提高反饋層輸出電壓的幅值。

(3)反饋控制電路包括放大電路，將電壓信號(hào)放大，有利于消除諧波便于計(jì)算分析。

(4)反饋層設(shè)上有穿孔，用于放大電路的一個(gè)輸入端與反饋層的靠?jī)?nèi)側(cè)的電極之間的連接，接線方便。

(5)反饋層與振動(dòng)主體的壓電片厚度相同，制作工藝上面，兩種壓電片厚度一樣方便生產(chǎn)制作，成本低。

(6)反饋層、振動(dòng)主體和粘合層依次疊加成長(zhǎng)方體形，振動(dòng)主體中各壓電片的相同電極可引至長(zhǎng)方體的同一個(gè)側(cè)面，有利于正弦驅(qū)動(dòng)電路接線的方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)施例反饋層結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

如圖1所示，一種在線微型振動(dòng)臺(tái)，包括反饋層1、振動(dòng)主體2、粘合層3、放大電路4、正弦驅(qū)動(dòng)電路5和控制器6，反饋層1、振動(dòng)主體2和粘合層3依次疊加成長(zhǎng)方體形，反饋層1為單層壓電片，用于放置傳感器7，振動(dòng)主體2為多層壓電片，多層壓電片在電氣上為并聯(lián)連接，粘合層3帶有粘性，用于粘附在設(shè)備表面，正弦驅(qū)動(dòng)電路5與振動(dòng)主體2連接，放大電路4的正輸入端和負(fù)輸入端與反饋層1的正極和負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，放大電路4輸出端與控制器6的輸入端連接，控制器6的輸出端與正弦驅(qū)動(dòng)電路5連接；

振動(dòng)臺(tái)與設(shè)備連接后，在對(duì)傳感器7進(jìn)行測(cè)試時(shí)，正弦驅(qū)動(dòng)電路5為振動(dòng)主體2施加5V的正弦電壓，反饋層1將振動(dòng)主體2的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過放大電路4輸出給控制器6，控制器6將反饋控制信號(hào)發(fā)送給正弦驅(qū)動(dòng)電路5以消除諧波，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)傳遞給傳感器7，用于對(duì)傳感器7進(jìn)行功能測(cè)試。

在線微型振動(dòng)臺(tái)的規(guī)格為長(zhǎng)6mm，寬5mm，高1-1.2mm左右的長(zhǎng)方體形狀，主體結(jié)構(gòu)分為三部分，最上面的為反饋層1，該層為單獨(dú)設(shè)計(jì)的厚度為0.05mm的壓電層，反饋層1的作用是利用其正壓電效應(yīng)，將整個(gè)微型振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)狀態(tài)通過反饋層1上的電信號(hào)讀取出來(lái)，如果振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)狀態(tài)并不是需要的或者與要求的有誤差，通過反饋控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于加到振動(dòng)臺(tái)上的電壓信號(hào)的修正，達(dá)到預(yù)期的振動(dòng)狀態(tài)。中間部分為本在線微型振動(dòng)臺(tái)的主體，它是產(chǎn)生振動(dòng)的原因，這部分是由20層且每層厚0.05mm的壓電片堆疊在一起，從兩個(gè)側(cè)面分別引出兩個(gè)電極，正極和負(fù)極，實(shí)現(xiàn)所有的壓電片并聯(lián)。最下面的部分為一層粘合層3，本身不需要該層產(chǎn)生壓電效應(yīng)或者逆壓電效應(yīng)，目的是將振動(dòng)臺(tái)與應(yīng)用的設(shè)備實(shí)現(xiàn)更好的粘合，并且保證粘合不會(huì)出現(xiàn)問題，此微型振動(dòng)臺(tái)為在線的，即裝到設(shè)備上就不會(huì)拆除掉，確保其在一定的時(shí)限內(nèi)的有效性。

反饋層11設(shè)上有穿孔，穿孔用于放大電路44的一個(gè)輸入端與反饋層11的靠?jī)?nèi)側(cè)的電極之間的連接。如圖2所示，正極A為正面的一塊區(qū)域，負(fù)極B是通過背面的一塊負(fù)極區(qū)域中邊角部分打一個(gè)小洞將電極引到正面來(lái)。

本實(shí)施例振動(dòng)臺(tái)2的主要指標(biāo)：

尺寸：長(zhǎng)寬厚＝6×5×1～1.2mm

材料：PZT5或PZT8

振動(dòng)臺(tái)位移：＞20nm

振動(dòng)臺(tái)頻率：1KHz～40KHz

驅(qū)動(dòng)電壓：小于5V

負(fù)載能力：主要驅(qū)動(dòng)加速度計(jì)

在對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)電路或者振動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)會(huì)有諧波產(chǎn)生，除基波之外，二次諧波和三次諧波是比較主要的成分，因此加入反饋控制但消除掉諧波，實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)或者其他信號(hào)的振動(dòng)。

對(duì)于整個(gè)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)反饋控制，其中振動(dòng)臺(tái)本身具有輸入驅(qū)動(dòng)電路，在振動(dòng)臺(tái)最上面一層的反饋壓電層充當(dāng)傳感器的角色，將下面振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)狀態(tài)用電信號(hào)反應(yīng)出來(lái)，經(jīng)過放大電路4放大得到的電信號(hào)送入控制器6中進(jìn)行分析計(jì)算，最后將控制信號(hào)加入到振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電路中，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)的正弦振動(dòng)或者其他形式信號(hào)的振動(dòng)。具體為：首先通過放大電路4將信號(hào)放大后在控制器6中對(duì)信號(hào)做FFT分析，得到反饋信號(hào)的頻譜，并且得到諧波量的分布和相位，然后利用控制器6輸出相反相位的電壓信號(hào)添加到振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路中，實(shí)現(xiàn)修正振動(dòng)臺(tái)狀態(tài)，反饋算法利用PID控制算法，逐步修正振動(dòng)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差為零。

對(duì)傳感器的測(cè)試包括以下幾步：

第一步：設(shè)備組裝完成之后，首先打開振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路提供給振動(dòng)臺(tái)5V電壓的信號(hào)。

第二步：振動(dòng)臺(tái)施加電壓之后振動(dòng)會(huì)啟動(dòng)，振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)最上層的反饋壓電片做相應(yīng)的振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)之間采用的是并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)電壓只需要加5V就可以實(shí)現(xiàn)所有的20層壓電片都施加了5V的電壓。

第三步：反饋層1振動(dòng)后，由于正壓電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，通過設(shè)計(jì)的正負(fù)電極將電信號(hào)引出。反饋層1是本發(fā)明的重點(diǎn)，利用壓電片作為傳感器并將其電壓信號(hào)進(jìn)行放大。

第四步：將反饋層1的電信號(hào)引入到放大電路4中，反饋層1產(chǎn)生的電信號(hào)比較小不利于分析計(jì)算，需要放大。放大電路4這里可以用任何能夠放大電壓信號(hào)的都可以。

第五步：將放大的信號(hào)輸入到控制器6中，利用FFT分析其頻譜，得到諧波分量的相位，根據(jù)相應(yīng)的相位通過控制器6生成相應(yīng)的反相位的電壓信號(hào)并輸出?？刂扑惴ㄊ褂肞ID控制算法。

第六步：將控制器6輸出的反相位諧波電壓信號(hào)施加到振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路上。

第七步：通過反饋控制，將振動(dòng)狀態(tài)調(diào)節(jié)至一個(gè)消除諧波量影響的正弦振動(dòng)，消除穩(wěn)態(tài)誤差。

第八步：測(cè)試傳感器的輸出數(shù)據(jù)，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較，判斷傳感器是否正常工作。