白光干涉检测仪微位移系统的精确控制方案

    在光学干涉检测仪中,微位移系统用来控制扫描装置的进给和定位,对位移的精度有很高的要求。微位移系统的核心微位移器有多种类型:如电致伸缩微位移器、压电陶瓷微位移器、磁致伸缩微位移器等。本文涉及的白光干涉检测仪采用压电陶瓷微位移器,这种微位移器具有体积小,位移分辨率高,频响高,承载力大,无噪声,不发热等特点,是一种理想的纳米微位移元件^[4];但是由于压电陶瓷存在迟滞、蠕变和位移非线性等不足^[1-2],而且位移输出不但和所处的电场强度、输入电压有关,还与压电陶瓷所处的环境温度、陶瓷片之间连接材料、驱动器受到的外力等因素有关,这给压电陶瓷微位移系统的控制带来了困难^[2]。

    本文根据小推力压电陶瓷器件所特有的迟滞曲线特性,结合实际情况,设计出一套有针对性的开环控制方案。实验显示,该方案实用性强,满足白光干涉检测仪微位移系统的的各项指标要求。

    1　白光干涉检测仪微位移系统

    白光干涉检测仪是利用白光干涉原理检测物体的微观表面的仪器,其微位移系统控制待测物体作步进式移动,使检测仪可以对物体表面的不同位置进行精确扫描。系统的结构如图1所示:压电陶瓷驱动电源采用基于LM3524的新型压电陶瓷驱动电源,压电陶瓷型号为WTYD0808020,耐压范围为0~200V,行程22μm,电容2200nF±10%,推力500N。

    1. 1　单片机控制电路

    本系统采用单片机控制,控制电路设计如图2:

    D/A转换器的位数决定了系统的分辨率,D/A转换速度也是整个系统频响组成部分之一,AD7520是一个无缓冲器的器件,利用三片74LS373以便同时满足12位数据进行D/A处理,控制步进48mV。同时,只要控制缓冲器的时序就可以控制D/A。

    1. 2　驱动电源设计

    本文设计了一种计算机控制的压电陶瓷驱动电源如图3所示:输入电压Ein由单片机控制在0~5V变化,输出电压0~200V线性变化。控制精度70mv,由此引起的位移的改变量10nm左右。

    2　白光干涉检测仪微位移系统的数学建模

    白光干涉检测仪微位移系统属于小推力微位移系统,由于所用的压电陶瓷电容较小,该位移系统具有相对规则的迟滞曲线,如下图所示:图4为白光干涉检测仪所用的压电陶瓷的迟滞曲线模型。

    从图4可以看出,白光干涉检测仪微位移系统采用的压电陶瓷具有相对简单的迟滞曲线,可以分为上升和下降两条曲线,这种情况下利用曲线拟合方法进行数学建模会有较高的拟合度;而从理论演绎的数学模型往往无法包含外部因素,实际应用中要进行必要的修正,使得模型复杂化;因此本着简单实用的原则,本文采用最小二乘曲线拟合的方法对压电陶瓷微位移器进行数学建模。