激光陀螺穩(wěn)頻器壓電陶瓷片微位移自動(dòng)化測(cè)量*

李 欣，王曉東,2，羅 怡,2，任同群,2

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

0 引言

在航空航天等領(lǐng)域，激光陀螺儀作為光學(xué)慣性導(dǎo)航器件，用于測(cè)量物體的轉(zhuǎn)速。其工作原理：通過(guò)檢測(cè)閉環(huán)光路中兩束反向激光束的光程差，計(jì)算得到物體的轉(zhuǎn)速。激光陀螺工作時(shí)，由于溫度和機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，諧振腔長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生微米級(jí)的變化[1]，這將導(dǎo)致陀螺儀工作頻率變化，對(duì)其工作穩(wěn)定性有致命的影響。

以壓電陶瓷片為核心驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)頻器可以調(diào)節(jié)激光諧振腔長(zhǎng)度，穩(wěn)定激光陀螺儀的工作頻率[2-4]。激光陀螺諧振腔長(zhǎng)調(diào)整原理如圖1所示，激光陀螺穩(wěn)頻組件的上、下兩面裝有配對(duì)的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片為環(huán)形薄片結(jié)構(gòu)，通過(guò)穩(wěn)頻控制電路控制壓電陶瓷片的形變量。配對(duì)的壓電陶瓷片在電壓作用下一片伸長(zhǎng)，另一片縮短，從而產(chǎn)生彎曲，使推拉桿作用于基片中心柱?；膹椥员〉卓裳仄浞瓷溏R面法線方向進(jìn)行微小移動(dòng)，達(dá)到雙向調(diào)節(jié)激光陀螺諧振腔長(zhǎng)的目的。穩(wěn)頻器要求壓電陶瓷片依據(jù)位移特性配對(duì)使用，即匹配的陶瓷片在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下位移大小一致。因此，壓電陶瓷片在使用前需要進(jìn)行微位移的精密測(cè)量。

目前，在生產(chǎn)領(lǐng)域中壓電陶瓷片的位移測(cè)量以人工測(cè)量為主，但效率低下，難以保證測(cè)量準(zhǔn)確性，嚴(yán)重影響了激光陀螺的裝配質(zhì)量。因此，有必要開(kāi)發(fā)自動(dòng)化的測(cè)量設(shè)備，高效和準(zhǔn)確地對(duì)壓電陶瓷片的微位移進(jìn)行批量自動(dòng)化測(cè)量。

對(duì)于壓電陶瓷片的位移測(cè)量，通常以光學(xué)法[5]和電學(xué)法[6]為主。激光干涉測(cè)量[7]是目前已被廣泛使用的光學(xué)測(cè)量法，其分辨率可以達(dá)到10-14m。此外，佛羅里達(dá)大學(xué)Mohammad H.Malakooti 和Henry A.Sodano[8]還利用光學(xué)顯微鏡捕獲壓電陶瓷片的圖像，通過(guò)相關(guān)算法處理圖像以獲得其位移。然而，用于干涉測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴，對(duì)工作條件十分敏感，測(cè)量結(jié)果很容易受到溫度、振動(dòng)和環(huán)境等因素的影響，需要操作員具有較高的技術(shù)技能。采用光學(xué)顯微鏡則需要相對(duì)復(fù)雜的算法對(duì)壓電陶瓷片的邊緣進(jìn)行提取，時(shí)間成本較高，也不利于系統(tǒng)集成。電學(xué)測(cè)量法以電容測(cè)量法[9]和電感測(cè)量法[10]為主。采用電容位移傳感器時(shí)，需要將批量的壓電陶瓷片與電容極板固定，難以操作，且不能夠保證固定質(zhì)量。電感法對(duì)測(cè)試表面要求低，精度適中，且易于實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)集成。

本文對(duì)比分析了壓電陶瓷片位移測(cè)量時(shí)單、雙測(cè)頭兩種測(cè)量方式，實(shí)驗(yàn)研究了充放電次數(shù)對(duì)壓電陶瓷片位移量的影響，確定了一種靜態(tài)電壓下精確、快速測(cè)量壓電陶瓷片微位移的方案，研制了微位移自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備，利用設(shè)備進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了誤差分析，目前設(shè)備已應(yīng)用于生產(chǎn)中。

圖1 激光陀螺諧振腔長(zhǎng)調(diào)整原理

1 測(cè)量方案

1.1 微位移測(cè)量方式

壓電陶瓷片微位移測(cè)量時(shí)需要正、負(fù)電極（上、下電極）對(duì)其施加電壓，同時(shí)利用2個(gè)電極壓緊陶瓷片。測(cè)量時(shí)，壓電陶瓷片所受壓力取決于上電極的彈性探針，探針的彈簧壓力為0.98 N。測(cè)頭的驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)，測(cè)量力小于0.2 N。

單測(cè)頭測(cè)量時(shí)，電感測(cè)微儀需要配合固定擋塊測(cè)量，如圖2（a）所示，壓電陶瓷片沿徑向方向產(chǎn)生形變，但一端被擋塊固定，只能單向移動(dòng)，其所受摩擦力可能會(huì)超過(guò)單片陶瓷片的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小。針對(duì)不同規(guī)格的壓電陶瓷片，擋塊的位置難以確定，不容易滿足多規(guī)格壓電陶瓷片微位移的自動(dòng)化測(cè)量。若采用雙測(cè)頭測(cè)量，不僅避免了上述問(wèn)題，而且也消除了電感測(cè)微儀的放置偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。如圖2（b）所示，O 為壓電陶瓷片的圓心，雖因安裝原因?qū)е码p測(cè)頭在水平面之間存在一定的夾角α，但2個(gè)電感測(cè)微儀的測(cè)量結(jié)果均為壓電陶瓷片在徑向產(chǎn)生的位移，可認(rèn)為兩者之和為陶瓷片直徑方向的位移。因此，設(shè)備采用雙測(cè)頭測(cè)量方式。

圖2 測(cè)量方式示意圖

在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別通過(guò)單測(cè)頭與雙測(cè)頭測(cè)量方式對(duì)同一片φ14 mm壓電陶瓷片在100 V靜態(tài)電壓下進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示，結(jié)果證實(shí)了單測(cè)頭測(cè)量時(shí)壓電陶瓷片的位移偏小。

表1 單、雙測(cè)頭測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果 μm

1.2 驅(qū)動(dòng)電壓的加載

壓電陶瓷在外電場(chǎng)的作用下由于逆壓電效應(yīng)[11]會(huì)產(chǎn)生形變，但由于電致伸縮效應(yīng)以及遲滯[12-13]、蠕變[14]特性的存在，導(dǎo)致了壓電制動(dòng)器的位移輸出呈現(xiàn)非線性的復(fù)雜曲線。因此，確定一種穩(wěn)定可靠的測(cè)量工藝方法對(duì)壓電陶瓷片位移測(cè)量設(shè)備的研制具有非常重要的意義。

表2 反復(fù)充放電測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果 μm

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，操作員首先通過(guò)反復(fù)充、放電的方式提高壓電陶瓷片的穩(wěn)定性，然后再進(jìn)行測(cè)量。為了探究充、放電次數(shù)對(duì)壓電陶瓷片位移的影響，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

取5片壓電陶瓷片，分別加載100 V電壓持續(xù)2 s，然后加載0 V 電壓持續(xù)2 s，重復(fù)16 次，每次均記錄其位移量。其中，驅(qū)動(dòng)電源采用專用的壓電控制器，100 V內(nèi)的最大誤差小于30 mV，實(shí)驗(yàn)溫度為20.5 ℃，濕度為18%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，壓電陶瓷片充、放電0 次時(shí)，測(cè)量結(jié)果偏差較大；充、放電1～15 次時(shí)，5 片的測(cè)量結(jié)果與平均值的最大差值分別是 0.07 μm、0.06 μm、0.07 μm、0.05 μm 和0.06 μm。這表明充、放電次數(shù)對(duì)靜態(tài)電壓下壓電陶瓷片位移的影響不大。隨著加壓次數(shù)的增多，陶瓷片的位移量也沒(méi)有明顯的變化。因此，為保證測(cè)量效率和準(zhǔn)確性，在測(cè)量前采用與測(cè)量時(shí)相等的電壓進(jìn)行3次充、放電處理。

2 自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備

壓電陶瓷片微位移的自動(dòng)化測(cè)量過(guò)程可分為上料、測(cè)量與分類下料，利用模塊化設(shè)計(jì)思想，可將自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備分為搬運(yùn)模塊、上、下料模塊和測(cè)量模塊，其整體框圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備整體框圖

設(shè)備通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制一對(duì)位移滑臺(tái)，采用真空吸附技術(shù)，配合光電傳感器實(shí)現(xiàn)陶瓷片的拾取、運(yùn)送與放置。測(cè)量時(shí)，通過(guò)壓電陶瓷激勵(lì)電源對(duì)陶瓷片加載電壓，同時(shí)利用電感測(cè)微儀測(cè)量其位移。電感測(cè)微儀采用氣動(dòng)式，可以通過(guò)精密減壓閥調(diào)節(jié)測(cè)量力。設(shè)備所需控制的部件主要包括位移滑臺(tái)、激勵(lì)電源以及電感測(cè)微儀等，電氣控制框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制框圖

2.1 測(cè)量模塊

測(cè)量模塊是整臺(tái)設(shè)備的核心，完成壓電陶瓷片電壓的加載及其微位移的測(cè)量。該模塊主要由2個(gè)裝有電感測(cè)微儀的直線導(dǎo)軌、1個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)和上、下電極組成，如圖5所示。下電極開(kāi)有吸孔，在陶瓷片被上電極壓緊前，通過(guò)真空吸附的方式，防止陶瓷片滑落。測(cè)量之前，上電極下降至與陶瓷片接觸，由于嵌入在軸承安裝座內(nèi)的線性軸承，軸承安裝座和固定桿之間將存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，安裝座上固定的擋片觸發(fā)光電傳感器產(chǎn)生停止信號(hào)，此時(shí)上電極不僅能夠壓緊陶瓷片，還可保證每次壓緊時(shí)壓力一致。在這個(gè)過(guò)程中，由于上電極和陶瓷片法線方向可能存在夾角，使電極與陶瓷片之間本該面與面之間的接觸變成了線接觸，不能保證電壓加載效果，甚至可能導(dǎo)致陶瓷片因局部應(yīng)力過(guò)大而被損壞。為避免這種現(xiàn)象，該模塊采用了球面軸承和彈性探針組合的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)姿態(tài)調(diào)節(jié)，保證壓電陶瓷片和電極接觸均勻，從而避免了局部應(yīng)力過(guò)大和電壓加載不穩(wěn)定的問(wèn)題。

圖5 測(cè)量模塊

測(cè)量前，直線導(dǎo)軌帶動(dòng)電感測(cè)微儀運(yùn)動(dòng)，以測(cè)微儀初末位置的差值大于或等于500 μm為停止信號(hào)，既保證了電感測(cè)頭與陶瓷片充分接觸，也防止了導(dǎo)軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離過(guò)大損壞電感測(cè)微儀。上、下電極通過(guò)絕緣墊片以及絕緣連接件隔絕了加載于壓電陶瓷片的電壓，保證了設(shè)備及人身安全。另外，電感測(cè)微儀配合可拆卸的陶瓷測(cè)頭，可以滿足不同規(guī)格陶瓷片的位移測(cè)量。

2.2 搬運(yùn)模塊

搬運(yùn)模塊完成壓電陶瓷片的拾取、搬運(yùn)及放置，由一對(duì)位移滑臺(tái)組成，如圖6所示。連接板將上電極和拾取臂共同固定在Z 軸。真空吸盤配合拾取傳感器，通過(guò)真空吸附完成壓電陶瓷片的拾取與放置，其工作原理與上電極壓緊陶瓷片一致。當(dāng)拾取傳感器觸發(fā)時(shí)，記錄Z 軸下降的距離，將拾取臂的下降距離轉(zhuǎn)化成陶瓷片的剩余數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上料臺(tái)陶瓷片剩余數(shù)量的檢測(cè)，避免了因上料臺(tái)壓電陶瓷片的缺失而導(dǎo)致的上、下電極的短路。同時(shí)，如果設(shè)備程序運(yùn)行異常，拾取臂或上電極會(huì)繼續(xù)沿Z 軸向下運(yùn)動(dòng)，安裝在橫梁上面的擋片會(huì)繼續(xù)觸發(fā)急停傳感器，運(yùn)動(dòng)控制卡會(huì)產(chǎn)生急停信號(hào)以保護(hù)設(shè)備與壓電陶瓷片的安全。

圖6 搬運(yùn)模塊

2.3 上、下料模塊

上、下料模塊由上料臺(tái)和下料臺(tái)組成，上料臺(tái)主要由氣缸和對(duì)中夾指組成，下料臺(tái)分為合格品下料臺(tái)和廢品下料臺(tái)，如圖7所示。上料之前，電磁閥控制氣缸，使對(duì)中夾指向內(nèi)夾緊，將堆疊在上料臺(tái)的壓電陶瓷片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)整理。測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)陶瓷片進(jìn)行分類，按照不同類別將陶瓷片分別放置到5 個(gè)合格品下料臺(tái)和1 個(gè)廢品下料臺(tái)中。

圖7 上下料模塊

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

選取10片φ14 mm的壓電陶瓷片，分別通過(guò)激光干涉儀和研制設(shè)備在100 V 靜態(tài)電壓下進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。實(shí)驗(yàn)中，激光干涉儀型號(hào)為Agilent5530，配合線性測(cè)量組件10766A，其分辨率為0.01 μm。

通過(guò)對(duì)比激光干涉儀與研制設(shè)備的測(cè)量結(jié)果，同一片壓電陶瓷片在兩種儀器下測(cè)量結(jié)果的最大偏差為0.126 μm。這表明自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備與激光干涉儀測(cè)量結(jié)果具有較高的一致性。

再次選取10 片φ14 mm 的壓電陶瓷片并將其歸為一組，在100 V靜態(tài)電壓下進(jìn)行測(cè)量，每組測(cè)量6次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖8 測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

表3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果 μm

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差公式計(jì)算可知，10 片壓電陶瓷片標(biāo)準(zhǔn)差小于或等于0.06 μm，如式（1）所示。這表明設(shè)備的重復(fù)性精度優(yōu)于0.06 μm。

式中：N為測(cè)量次數(shù)；xi為第i次測(cè)量數(shù)據(jù)；u為所有測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

設(shè)備采用雙測(cè)頭測(cè)量，避免了電感測(cè)微儀在水平方向上存在夾角而造成的測(cè)量誤差。在豎直方向上的誤差分析如圖9所示，壓電陶瓷片的實(shí)際放置位置與水平面之間的夾角為β，A、B 分別為2 個(gè)電感測(cè)微儀與陶瓷片的接觸點(diǎn)，A′、B′為陶瓷片在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下產(chǎn)生位移時(shí)與測(cè)微儀的接觸點(diǎn)，ΔA、ΔB分別為2個(gè)電感測(cè)微儀的測(cè)量值。陶瓷片的測(cè)量位移值L、實(shí)際位移值S分別如式（2）～（3）所示。

圖9 誤差分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的φ14 mm的壓電陶瓷片，其在100 V電壓下的位移不會(huì)超過(guò)2 μm，假設(shè)β=1h，誤差小于0.3 nm，遠(yuǎn)小于測(cè)量精度，可忽略不計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)激光陀螺穩(wěn)頻器壓電陶瓷片微位移的批量自動(dòng)化精密測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了基于高精度電感測(cè)微儀的雙測(cè)頭測(cè)量方案，確定了采用與測(cè)量時(shí)相等的電壓對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行充放電3次的預(yù)處理方式，研制了自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備。設(shè)備利用一對(duì)移動(dòng)滑臺(tái)配合真空吸盤實(shí)現(xiàn)了陶瓷片的拾取、搬運(yùn)與放置，避免了陶瓷片的損傷；上電極采用球面軸承和彈性探針組合實(shí)現(xiàn)了電極與陶瓷片均勻接觸，保證了壓緊與供電效果；高精度電感測(cè)微儀及專用的壓電控制器確保了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備單片測(cè)量時(shí)間為80 s，相對(duì)于人工測(cè)量減少了約70%的時(shí)間；設(shè)備的重復(fù)性精度優(yōu)于0.06 μm，有效保證了配對(duì)使用的壓電陶瓷片的一致性。