阅读说明：本技术 具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置及方法 (Two-dimensional rapid deflection adjusting device and method with sensing signal leveling function ) 是由 韩文文 徐明龙 田征 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置及方法,该装置由底座,安装在底座碟簧安装槽内的碟簧,安装在底座传感信号调平电路板安装槽内的传感信号调平电路板,安装在底座上端驱动单元安装槽上的四个具备自传感功能的驱动单元,安装在底座下端的底座后盖,安装在底座侧面的格兰头,与底座通过限位销和顶丝相连接的外壳,安装在外壳钢珠限位槽的钢珠以及穿过碟簧内孔和底座螺杆安装孔且安装在外壳镜托上的螺杆所组成；对调节装置X(或Y)方向的一对驱动单元上的压电堆施加差分电压,可实现镜托X(或Y)轴转动,同时驱动单元自传感模块组全桥产生传感信号,经过传感信号调平电路板调平输出用以调节装置闭环控制。该调节装置驱动传感一体化设计,结构紧凑,可实现负载高精度二维快速偏转调节。(The device comprises a base, a disc spring arranged in a disc spring mounting groove of the base, a sensing signal leveling circuit board arranged in a sensing signal leveling circuit board mounting groove of the base, four driving units with self-sensing function arranged on a driving unit mounting groove at the upper end of the base, a base rear cover arranged at the lower end of the base, a Glan head arranged at the side surface of the base, a shell connected with the base through a limiting pin and a jackscrew, a steel ball arranged in a steel ball limiting groove of the shell and a screw passing through an inner hole of the disc spring and a base screw mounting hole and arranged on a mirror support of the shell; the piezoelectric stacks on a pair of driving units in the X (or Y) direction of the adjusting device are applied with differential voltage, the rotation of the X (or Y) axis of the mirror support can be realized, meanwhile, the driving units generate sensing signals from the full bridge of the sensing module group, and the sensing signals are output by the leveling circuit board for the closed-loop control of the adjusting device. The adjusting device has the advantages of integrated driving and sensing design, compact structure and capability of realizing high-precision two-dimensional rapid deflection adjustment of the load.)

具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置及方法

技术领域

本发明属于精密仪器技术领域，具体涉及具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置及方法。

技术背景

随着航天工程等学科的迅速发展，高精度快速二维偏转调节机构在激光通信光束的快速捕获、精准跟踪以及天文望远镜、图像稳定控制等方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。

以音圈电机为核心器件的电磁类作动装置，往往具有体积大，工作时有电磁泄漏，且位置保持时功耗大、发热严重等不足。

现有二维偏转调节机构传感器体积大，传感信号弱，不利于航天轻型化应用。

传统单纯柔性铰链二维偏转调节机构，结构刚度小，基频低，不能满足航天部门激光通信光学指向高频跟踪控制等应用需求。

压电作动器具有尺寸小、重量轻、功耗低、响应快、作动精度高、输出力大、发热小等特点，广泛应用于高精度调节和作动机构中。

采用应变计粘贴在压电堆侧面组全桥的间接传感方式可实现二维偏转调节装置在保证传感精度的前提下做到传感器轻型化设计。采用加入信号调平电路的方法，对桥路进行配平，消除因桥路初始不平衡导致的传感信号偏置现象。

碟簧具有体积小，重量轻，刚度大等特点，采用碟簧配合柔性交方式可以提高二维偏转调节装置转动刚度，提升调节装置基频。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置及方法，能够实现高精度二维快速偏转调节驱动传感一体化，轻型化设计；该装置具有重量轻、基频高、传感精度高、传感信号调平、能快速响应的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置，该装置由底座1，安装在底座碟簧安装槽1-1内的碟簧2，安装在底座传感信号调平电路板安装槽1-2内的传感信号调平电路板3，安装在底座1上端第一驱动单元安装槽1-3上的第一驱动单元4，安装在底座1上端第二驱动单元安装槽1-4上的第二驱动单元5，安装在底座1上端第三驱动单元安装槽1-5上的第三驱动单元6，安装在底座1上端第四驱动单元安装槽1-6上的第四驱动单元7，安装在底座1下端的底座后盖8，安装在底座侧面螺纹孔1-7的格兰头9，与底座1通过限位销10和顶丝11相连接的由上部的外壳镜托12-5和下部的外壳罩12-7组成的外壳12，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第一限位槽12-1内且与第一驱动单元4上端进行点接触的第一钢珠(13)，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第二限位槽12-2内且与第二驱动单元5上端进行点接触的第二钢珠14，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第三限位槽12-3内且与第三驱动单元6上端进行点接触的第三钢珠15，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第四限位槽12-4内且与第四驱动单元7上端进行点接触的第四钢珠16，以及穿过碟簧内孔2-1和底座螺杆安装孔1-8且安装在外壳镜托12-5上的螺杆17所组成；

所述底座螺杆安装孔1-8为布置在底座1顶部中心且贯穿底座1的通孔；所述底座碟簧安装槽1-1是布置在底座1内部中心，直径大于底座螺杆安装孔1-8的直径且与底座螺杆安装孔1-8下端相接的沉孔；所述底座传感信号调平电路板安装槽1-2是布置在底座1内部中心，直径大于底座碟簧安装槽1-1的直径且与底座碟簧安装槽1-1下端相接的沉孔；

所述第一驱动单元安装槽1-3，第二驱动单元安装槽1-4，第三驱动单元安装槽1-5，第四驱动单元安装槽1-6呈现正方形顶点形式居中布置于底座1上端，且第一驱动单元安装槽1-3与第二驱动单元安装槽1-4呈现相邻位置，第一驱动单元安装槽1-3与第三驱动单元安装槽1-5呈现相对位置；

所述第一驱动单元4由压电堆4-1，粘接在压电堆一端的垫片4-2，粘接在压电堆左侧的第一应变计4-3和粘接在压电堆右侧的第二应变计4-4所组成，定义粘接有垫片4-2的一端为第一驱动单元4上端；所述第二驱动单元5、第三驱动单元6和第四驱动单元7结构与第一驱动单元4结构相同。

所述具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置，外壳12的外壳镜托12-5通过曲梁柔性铰链12-6与外壳罩12-7一体化连接；所述外壳钢珠第一限位槽12-1、外壳钢珠第二限位槽12-2、外壳钢珠第三限位槽12-3和外壳钢珠第四限位槽12-4呈现正方形顶点形式居中布置于镜托12-5内侧，且外壳钢珠第一限位槽12-1与外壳钢珠第二限位槽12-2呈现相邻位置，外壳钢珠第一限位槽12-1与外壳钢珠第三限位槽12-3呈现相对位置。

所述具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置，传感信号调平电路板3布置具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路3-1和Y轴应变全桥电路3-2；

所述具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路3-1将X轴对应第一驱动单元4上的第一应变计4-3两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第一电阻位3-3，第一驱动单元4上的第二应变计4-4两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第三电阻位3-5，第三驱动单元6上的第三应变计6-3两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第二电阻位3-4，第三驱动单元6上的第四应变计6-4两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第四电阻位3-6；第一电阻位3-3和第二电阻位3-4呈现邻桥布置，第一电阻位3-3和第三电阻位3-5呈现对桥布置；第一电阻位3-3并联有桥路第一调平电阻位3-7，第四电阻位3-6并联有桥路第二调平电阻位3-8；定义第一电阻位3-3和第二电阻位3-4连接处为桥路输出正端，定义第三电阻位3-5和第四电阻位3-6连接处为桥路输出负端，定义第二电阻位3-4和第三电阻位3-5连接处为桥路供电，定义第一电阻位3-3和第四电阻位3-6连接处为桥路接地；具备传感信号调平功能的Y轴应变全桥电路3-2布置与X轴相同；

所述具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路3-1调平方法：定义桥路初始状态为所述具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置不施加驱动电压时的状态，定义桥路供电为E，定义桥路初始正端输出为U1，定义桥路初始负端输出为U2，定义桥路初始总输出为ΔU＝U1-U2，定义第一应变计4-3、第二应变计4-4、第三应变计6-3以及第四应变计6-4理想阻值为R，则桥路调平电阻表示为：ΔR＝((2·ΔU+E)/4·ΔU-1)·R；当计算值ΔR<0时，选取电阻值为-ΔR的调平电阻焊接在桥路第二调平电阻位3-8上，当计算值ΔR>0时，选取电阻值为ΔR的调平电阻焊接在第一调平电阻位3-7上；具备传感信号调平功能的Y轴应变全桥电路3-2调平方法与X轴应变全桥电路3-1调平方法相同。

所述外壳镜托12-5与螺杆17之间，底座1与底座后盖8之间均采用螺纹连接方式连接。

所述具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置的调节方法：对调节装置相对安装位置的第一驱动单元4和第三驱动单元6所对应的一对压电堆施加差分电压，基于压电材料的逆压电效应，第一驱动单元4和第三驱动单元6输出相反的位移对镜托12-5进行“推-拉”作动，实现镜托12-5X轴偏转；与此同时，第一驱动单元4和第三驱动单元6上四个应变计组应变全桥输出差分信号，经过传感信号调平电路板3调平输出X轴传感信号；对调节装置相对安装位置的第二驱动单元5和第四驱动单元7所对应的一对压电堆施加差分电压，基于压电材料的逆压电效应，第二驱动单元5和第四驱动单元7输出相反的位移对镜托12-5进行“推-拉”作动，实现镜托12-5Y轴偏转；与此同时，第二驱动单元5和第四驱动单元7上四个应变计组应变全桥输出差分信号，经过传感信号调平电路板3调平输出Y轴传感信号。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1)实现驱动传感一体化设计，结构紧凑，重量轻。

2)采用碟簧配合柔性交方式提高了二维偏转调节装置转动刚度，提升了调节装置基频。

3)实现二维偏转调节装置传感信号调平功能。

4)采用陶瓷压电驱动，功耗低、响应快。

附图说明

图1a为本发明调节装置剖视图，图1b为本发明调节装置去掉外壳的立体图。

图2a为调节装置底座剖视图，图2b为调节机构底座立体图。

图3a为调节装置第一驱动单元立体图，图3b为调节装置第一驱动单元正视图。

图4a为外壳的外壳镜托仰视图，图4b为外壳的剖视图，图4c为外壳的立体图。

图5为碟簧示意图。

图6为具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路和Y轴应变全桥电路在传感信号调平功能电路板上的布置示意图。

图7为具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路示意图。

图8为调节装置作动方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1a和图1b所示。本发明具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置，该装置由底座1，安装在底座碟簧安装槽1-1内的碟簧2，安装在底座传感信号调平电路板安装槽1-2内的传感信号调平电路板3，安装在底座1上端第一驱动单元安装槽1-3上的第一驱动单元4，安装在底座1上端第二驱动单元安装槽1-4上的第二驱动单元5，安装在底座1上端第三驱动单元安装槽1-5上的第三驱动单元6，安装在底座1上端第四驱动单元安装槽1-6上的第四驱动单元7，安装在底座1下端的底座后盖8，安装在底座侧面螺纹孔1-7的格兰头9，与底座1通过限位销10和顶丝11相连接的由上部的外壳镜托12-5和下部的外壳罩12-7组成的外壳12，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第一限位槽12-1内且与第一驱动单元4上端进行点接触的第一钢珠13，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第二限位槽12-2内且与第二驱动单元5上端进行点接触的第二钢珠14，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第三限位槽12-3内且与第三驱动单元6上端进行点接触的第三钢珠15，安装在外壳镜托12-5内侧的外壳钢珠第四限位槽12-4内且与第四驱动单元7上端进行点接触的第四钢珠16，以及穿过碟簧内孔2-1和底座螺杆安装孔1-8且安装在外壳镜托12-5上的螺杆17所组成。

如图2a所示，所述底座螺杆安装孔1-8为布置在底座1顶部中心且贯穿底座1的通孔；所述底座碟簧安装槽1-1是布置在底座1内部中心，直径大于底座螺杆安装孔1-8的直径且与底座螺杆安装孔1-8下端相接的沉孔；所述底座传感信号调平电路板安装槽1-2是布置在底座1内部中心，直径大于底座碟簧安装槽1-1的直径且与底座碟簧安装槽1-1下端相接的沉孔。

如图2b所示，所述第一驱动单元安装槽1-3，第二驱动单元安装槽1-4，第三驱动单元安装槽1-5，第四驱动单元安装槽1-6呈现正方形顶点形式居中布置于底座1上端，且第一驱动单元安装槽1-3与第二驱动单元安装槽1-4呈现相邻位置，第一驱动单元安装槽1-3与第三驱动单元安装槽1-5呈现相对位置。

如图3a和图3b所示，所述第一驱动单元4由压电堆4-1，粘接在压电堆一端的垫片4-2，粘接在压电堆左侧的第一应变计4-3和粘接在压电堆右侧的第二应变计4-4所组成，定义粘接有垫片4-2的一端为第一驱动单元4上端；所述第二驱动单元5、第三驱动单元6和第四驱动单元7结构与第一驱动单元4结构相同。

如图4a、图4b和图4c所示，所述具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置外壳12的外壳镜托12-5通过曲梁柔性铰链12-6与外壳罩12-7一体化连接；所述外壳钢珠第一限位槽12-1、外壳钢珠第二限位槽12-2、外壳钢珠第三限位槽12-3和外壳钢珠第四限位槽12-4呈现正方形顶点形式居中布置于镜托12-5内侧，且外壳钢珠第一限位槽12-1与外壳钢珠第二限位槽12-2呈现相邻位置，外壳钢珠第一限位槽12-1与外壳钢珠第三限位槽12-3呈现相对位置。

如图5所示，为碟簧2的示意图。

如图6所示，所述具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置，传感信号调平电路板3布置具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路3-1和Y轴应变全桥电路3-2。

如图7所示，所述具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路3-1将X轴对应第一驱动单元4上的第一应变计4-3两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第一电阻位3-3，第一驱动单元4上的第二应变计4-4两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第三电阻位3-5，第三驱动单元6上的第三应变计6-3两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第二电阻位3-4，第三驱动单元6上的第四应变计6-4两端引线焊接在X轴应变全桥电路3-1的第四电阻位3-6；第一电阻位3-3和第二电阻位3-4呈现邻桥布置，第一电阻位3-3和第三电阻位3-5呈现对桥布置；第一电阻位3-3并联有桥路第一调平电阻位3-7，第四电阻位3-6并联有桥路第二调平电阻位3-8；定义第一电阻位3-3和第二电阻位3-4连接处为桥路输出正端，定义第三电阻位3-5和第四电阻位3-6连接处为桥路输出负端，定义第二电阻位3-4和第三电阻位3-5连接处为桥路供电，定义第一电阻位3-3和第四电阻位3-6连接处为桥路接地；具备传感信号调平功能的Y轴应变全桥电路3-2布置与X轴相同；

所述具备传感信号调平功能的X轴应变全桥电路3-1调平方法：定义桥路初始状态为所述具备传感信号调平功能的二维快速偏转调节装置不施加驱动电压时的状态，定义桥路供电为E，定义桥路初始正端输出为U1，定义桥路初始负端输出为U2，定义桥路初始总输出为ΔU＝U1-U2，定义第一应变计4-3、第二应变计4-4、第三应变计6-3以及第四应变计6-4理想阻值为R，则桥路调平电阻表示为：ΔR＝((2·ΔU+E)/4·ΔU-1)·R；当计算值ΔR<0时，选取电阻值为-ΔR的调平电阻焊接在桥路第二调平电阻位3-8上，当计算值ΔR>0时，选取电阻值为ΔR的调平电阻焊接在第一调平电阻位3-7上；具备传感信号调平功能的Y轴应变全桥电路3-2调平方法与X轴应变全桥电路3-1调平方法相同。

作为本发明的优选实施方式，所述外壳镜托12-5与螺杆17之间，底座1与底座后盖8之间均采用螺纹连接方式连接。

如图8所示，所述的具备传感信号调理功能的二维快速偏转调节装置的调节方法：对调节装置相对安装位置的第一驱动单元4和第三驱动单元6所对应的一对压电堆施加差分电压，基于压电材料的逆压电效应，第一驱动单元4和第三驱动单元6输出相反的位移对镜托12-5进行“推-拉”作动，实现镜托12-5X轴偏转α角度；与此同时，第一驱动单元4和第三驱动单元6上四个应变计组应变全桥输出差分信号，经过信号调平电路板调平输出X轴传感信号。Y轴作动与传感方式与X轴相同。

所述具备传感信号调理功能的二维快速偏转调节装置驱动传感一体化设计，结构紧凑，可实现负载高带宽二维快速偏转调节和高精度反馈控制。