一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法
阅读说明：本技术 一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法 (High-reliability piezoelectric directional adjusting mechanism and implementation method thereof ) 是由 田征 徐明龙 周建 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：压电指向调节机构在卫星激光通信、激光武器、天文光学观测领域广泛应用,由于使用条件特殊,对产品的寿命和可靠性提出极高需求。本发明针对现有压电指向调节机构单个压电堆工作电压较高,由于单个压电堆击穿导致整个机构失效的缺点,提出一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法,通过压电堆串联安装之后再进行差分驱动的工作方式,实现压电堆工作电压、工作电流、热耗大幅降低,压电堆工作寿命大幅度提高。通过在所有压电堆表面粘接电阻应变片,组成应变全桥来实现偏转角度的测量。当偏转轴下某一压电堆击穿或某一偏转轴向下不同压电支撑单元各有一个压电堆击穿时,驱动单元和应变测量单元仍能够正常工作,提高产品的可靠性。(The piezoelectric pointing adjusting mechanism is widely applied to the fields of satellite laser communication, laser weapons and astronomical optical observation, and has special use conditions, so that extremely high requirements are provided for the service life and the reliability of products. The invention provides a high-reliability piezoelectric pointing adjusting mechanism and an implementation method thereof, aiming at the defects that the working voltage of a single piezoelectric stack of the conventional piezoelectric pointing adjusting mechanism is higher and the whole mechanism fails due to the breakdown of the single piezoelectric stack. The surface of all piezoelectric stacks is bonded with a resistance strain gauge to form a strain full bridge to realize the measurement of the deflection angle. When a certain piezoelectric stack under a deflection shaft is broken down or when one piezoelectric stack breaks down in different piezoelectric support units under a deflection shaft, the driving unit and the strain measurement unit can still work normally, and the reliability of the product is improved.)
技术领域
本发明属于光束调节控制领域，具体描述了一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法。
背景技术
光束指向调节机构通常驱动镜片实现光束的反射调节，通常也称为快反镜。指向调节机构常用的驱动元件为压电陶瓷和音圈电机，根据驱动元件的类别可以分为压电型指向调节机构和电磁式指向调节机构。由于压电类指向机构具有尺寸小、指向精度高、重量轻、发热量小等优点，获得了广泛得应用。常规压电指向调节机构根据所需要的偏转范围，选择不同行程的压电堆。以四点支撑的压电精指向机构为例，单轴偏转需要用到两个压电堆，通过两个压电堆差分驱动的方式实现绕某一轴的偏转。通过结构设计上的双轴解耦，四个压电堆实现可实现机构的二维的偏转。
压电堆是电容性负载，压电堆失效形式主要表现为压电堆的击穿，压电堆的失效通常造成功率驱动电路的短路。现有的压电精指向机构，无论是三点支撑还是四点支撑的二维指向调节机构，以及两点支撑的一维调节指向调节机构，一旦压电堆电击穿失效，结构的调节能力就会丧失。由于电路的短路，往往造成驱动器的过流甚至破坏。压电指向调节机构经常应用于高精密光学系统，如卫星激光通信终端，天文光学成像稳定系统中，产品几乎不具备维修性，对所使用的指向调节产品提出了极高的可靠性要求。然而，现有的压电光束调节机构设计方式很难保证高可靠性，因此，单个压电堆的击穿失效可能会付出高昂的代价。针对现有压电指向调节机构往往会采用整体备份的方式，这样会增大所在系统的质量、体积，驱动电路以及控制软件的研制成本，在某些有空间或重量等因素限制的条件下是不允许的。
发明内容
为了弥补现有压电指向调节机构上述缺点，本发明提出了一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法，可有效的提高产品的可靠性，该技术可应用于指向调节机构，同时可以应用到以压电堆为驱动元件做线性位移输出控制的同类装置中。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高可靠性压电指向调节机构，包括含有柔性环的一体化外壳1，含有柔性环的一体化外壳1与底座6同心安装并固定连接，第一压电驱动单元3、第二压电驱动单元12、第三压电驱动单元13、第四压电驱动单元2固定在底座6上，绕底座上安装面圆心90°阵列粘接固定；第一压电驱动单元3、第二压电驱动单元12、第三压电驱动单元13和第四压电驱动单元2结构相同，所述第一压电驱动单元3包括第一缓冲球3.1、第一金属垫片3.2、第一电阻应变片3.3、第二电阻应变片3.4、第一压电堆3.5、第三电阻应变片3.6、第四电阻应变片3.7、第二压电堆3.8；第一压电驱动单元3内部连接关系为：第一缓冲球3.1通过与含柔性环的一体化机壳1相连接，位置由含柔性环的一体化机壳1内部锥形槽约束，第一缓冲球3.1通过含柔性环的一体化机壳安装受力与第一金属垫片3.2接触，第一电阻应变片3.3和第二电阻应变片3.4粘贴在第一压电堆3.5相对的两个光滑面上，居中粘接，第三电阻应变片3.6和第四电阻应变片3.7粘接在第二压电堆3.8 相对的两个光滑面上，居中粘接；第一压电堆3.5和第二压电堆3.8叠层放置且两个电极面对齐放置；
第一压电驱动单元3和第三压电驱动单元13工作输出的偏转方向为X轴，第二压电驱动单元12和第四压电驱动单元2偏转方向为Y轴。
含有柔性环的一体化外壳1经过第一定位销5、第二定位销7和第三定位销 10实现与底座6的同心安装，通过第一紧定螺钉4、第二紧定螺钉8、第三紧定螺钉9和第四紧定螺钉11和底座连接并固定。
含有柔性环的一体化外壳1内部有锥形孔，定位方式与底座上安装的四个压电驱动单元一一对应。
X轴和Y轴二维偏转的驱动信号独立控制，X轴和Y轴双轴驱动电路接线方式相同；同一偏转轴X或Y下的两个驱动单元差分驱动，每个驱动驱动叠层放置的压电堆串联；
第一压电驱动单元3的第一压电堆3.5的正极接固定高压信号+HV，第一压电堆3.5的负极和第二压电堆3.8的正极连接，第二压电堆3.8的负极和外部驱动信号Vin_X连接，第二压电堆3.8的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第三压电驱动单元13中的第五压电堆的13.4的正极连接，第五压电堆的 13.4的负极与第六压电堆13.7的正极连接，第六压电堆13.7的负极与固定负信号-HV连接；控制外部驱动信号Vin_X在-HV至+HV之间变化，实现X下两个驱动单元的的差分式驱动，实现绕X轴的偏转；
所述Y轴下压电驱动单元的电气连接方式与X轴的类似，第二压电驱动单元12的第三压电堆12.5的正极接固定高压信号+HV，第三压电堆12.5的负极和第四压电堆12.8的正极连接，第四压电堆12.8的负极和外部驱动信号Vin_Y连接，第四压电堆12.8的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第四压电驱动单元2中的第七压电堆的2.4的正极连接，第七压电堆的2.4的负极与第八压电堆2.7的正极连接，第八压电堆2.7的负极与固定负信号-HV；控制外部驱动信号Vin_Y在-HV至+HV之间变化，实现Y下两个驱动单元的的差分式驱动，实现绕Y轴的偏转。
X轴下的两个压电堆的八个电阻应变片组成X轴偏转测量应变全桥，所述X 轴偏转测量应变电桥包括依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8；第二电阻R2和第三电阻R3间接电压负极，第六电阻R6和第七电阻R7间接电压负极，第一电阻R1和第八电阻R8间接桥路激励电压正极，第四电阻R4和第五电阻R5间接桥路激励电压负极；
测量绕X轴偏转时，第一压电驱动单元3上的第一电阻应变片3.3、第二电阻应变片3.4、第三电阻应变片3.6、第四电阻应变片3.7和第三压电驱动单元13 上的第九电阻应变片13.3、第十电阻应变片13.4、第十一电阻应变片13.6、第十二电阻应变片13.7组成X轴偏转测量应变电桥，第一电阻应变片3.3位于第一电阻R1位置，第二电阻应变片3.4位于第六电阻R6位置，第三电阻应变片3.6位于第二电阻R2位置，第四电阻应变片3.7位于第五电阻R5位置，第九电阻应变片13.3位于第三电阻R3位置，第十电阻应变片13.4位于第八电阻R8位置，第十一电阻应变片13.6位于第四电阻R4位置，第十二电阻应变片13.7位于第七电阻R7位置；同一桥臂上的电阻应变片电气连接位置能够互换。
测量绕Y轴偏转时，第二压电驱动单元12上的电阻应变片和第四压电驱动单元2上的电阻应变片组成的Y轴偏转测量应变电桥，Y轴偏转测量应变电桥的组成以及与第二压电驱动单元12上的电阻应变片和第四压电驱动单元2上的电阻应变片的对应关系与X轴偏转测量应变全桥相同。
所述的一种高可靠性压电指向调节机构的工作方法，每个压电驱动单元为两个压电堆串联，当作一个压电堆使用，差分接线方式；控制驱动控制信号Vin_X 或Vin_Y实现X轴或Y轴输出偏转角度的控制；电压负极和电压正极接入点和具体数值根据所选用的压电堆规格来匹配确定；
X轴或Y轴由电阻应变片组成的应变测量桥路能够测量偏转角度，且X轴和Y轴桥路电气上相对独立；当驱动控制电压变化时，应变全桥桥路电压也会变化，通过标定应变全桥桥路输出信号与机构偏转角度的关系后，通过应变全桥桥路测量X或Y轴的偏转角度。
所述的一种高可靠性压电指向调节机构的高可靠性实现方法，具体如下：每个压电驱动单元的两个压电堆叠层放置且两个电极面对齐放置，有效避免单个压电堆击穿而导致的机构或关联驱动电路的失效形式；
每个压电驱动单元的两个压电堆串联，正常工作时每个压电堆上的电压为无串联设计压电驱动单元总电压的二分之一，降低压电堆的工作电压，能够大幅提高压电堆的使用寿命；
在压电堆表面粘贴应变片应变输出与压电堆上驱动电压严格对应；当其中某一个压电堆击穿，压电堆电极间表现为短路，其表面电阻应变片无应变输出，该压电驱动单元仍有一个压电堆工作，所在压电驱动单元的驱动电压不变，仍正常工作的压电堆上电压变为故障前驱动电压的两倍，应变输出也变为故障前两倍。因此，任一轴下某一个压电堆失效时，应变电桥仍然能够工作，配合驱动控制电路实现高精度指向调节；
X轴或Y轴下有位于不同压电驱动单元的两个压电堆击穿失效，失效压电堆表面应变片无应变输出，所在压电驱动单元的另一个压电堆驱动电压增长为两倍，应变片输出应变也增加为故障前两倍，压电指向调节机构仍能够实现偏转工作，输出行程和测量功能和性能不受影响。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)通过两个相同规格压电堆结构上叠层安装，驱动电压串联的方式，实现器件的冗余设计，即在某一个轴下任意位置一个压电堆击穿，或某一轴下不同压电驱动单元各有一个压电堆击穿，设备仍可以工作，不会影响机构的功能和性能，提高机构的可靠性；
2)压电堆为容性负载，用两个压电堆电容值相同的压电堆串联，高度方向拼接安装，代替单个压电堆，可降低单个压电堆的驱动电压，可大幅提高压电堆的使用寿命；
3)两个压电堆串联后等效电容值减半，在驱动电压条件不变的情况下，驱动电流也降低为原有形式的一半，从而可以大幅降低压电堆的发热，提高压电堆的使用寿命；
4)通过压电堆表面粘贴应变片组成应变全桥的方式进行偏转角度的测量，多个应变片在保证整体使用可靠性的同时，通过增加桥路电阻，降低电路的功耗和热耗。
附图说明
图1为本发明压电指向调节机构爆炸图。
图2为压电驱动单元组成示意图。
图3a为第一压电驱动单元和第三压电驱动单元电气连接图。
图3b为第二压电驱动单元和第四压电驱动单元电气连接图。
图4为Y轴偏转测量应变电桥具体接线方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明一种高可靠性压电指向调节机构，包括含有柔性环的一体化外壳1，含有柔性环的一体化外壳1经过第一定位销5、第二定位销7和第三定位销10实现与底座6的同心安装，通过第一紧定螺钉4、第二紧定螺钉8、第三紧定螺钉9和第四紧定螺钉11和底座连接并固定，第一压电驱动单元3、第二压电驱动单元12、第三压电驱动单元13、第四压电驱动单元2固定在底座6 上，绕底座上安装面圆心90°阵列粘接固定；含有柔性环的一体化外壳1内部有锥形孔，定位方式与底座上安装的四个压电驱动单元一一对应；第一压电驱动单元3、第二压电驱动单元12、第三压电驱动单元13、第四压电驱动单元2结构相同。如图2所示，所述第一压电驱动单元3自上而下依次为第一缓冲球3.1、第一金属垫片3.2、第一电阻应变片3.3、第二电阻应变片3.4、第一压电堆3.5、第三电阻应变片3.6、第四电阻应变片3.7、第二压电堆3.8。第一压电驱动单元3 内部连接关系为：第一缓冲球3.1通过与含柔性环的一体化机壳1相连接，位置由含柔性环的一体化机壳1内部锥形槽约束，第一缓冲球3.1通过含柔性环的一体化机壳安装受力与第一金属垫片3.2接触，第一电阻应变片3.3和第二电阻应变片3.4粘贴在第一压电堆3.5相对的两个光滑面上，居中粘接，第三电阻应变片3.6和第四电阻应变片3.7粘接在第二压电堆3.8相对的两个光滑面上，居中粘接；第一压电堆3.5和第二压电堆3.8叠层放置且两个电极面对齐放置；
第一压电驱动单元3和第三压电驱动单元13工作输出的偏转方向为X轴，第二压电驱动单元12和第四压电驱动单元2偏转方向为Y轴。
一种高可靠性压电指向调节机构电气连接形式如下：
一种高可靠性压电指向调节机构二维偏转的驱动信号独立控制，双轴驱动电路接线方式相同。如前文所述，第一压电驱动单元3和第三压电驱动单元13偏转方向为X轴，第二压电驱动单元12和第四压电驱动单元2偏转方向为Y轴。同一偏转轴X或Y下的两个驱动单元差分驱动，每个驱动单位叠层放置的压电堆串联。
如图3a所示，第一压电驱动单元3的第一压电堆3.5的正极接固定高压信号 +HV，如100V信号，第一压电堆3.5的负极和第二压电堆3.8的正极连接。第二压电堆3.8的负极和外部驱动信号Vin_X连接，第二压电堆3.8的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第三压电驱动单元13中的第五压电堆的 13.4的正极连接，第五压电堆的13.4的负极与第六压电堆13.7的正极连接，第六压电堆13.7的负极与固定负信号-HV连接，例如0V相连接。控制外部驱动信号Vin_X在-HV至+HV之间变化，可实现X下两个驱动单元的的差分式驱动，实现绕X轴的偏转。
所述Y轴下压电驱动单元的电气连接方式与X轴的类似。如图3b所示，第二压电驱动单元12的第三压电堆12.5的正极接固定高压信号+HV，如100V 信号，第三压电堆12.5的负极和第四压电堆12.8的正极连接。第四压电堆12.8 的负极和外部驱动信号Vin_Y连接，第四压电堆12.8的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第四压电驱动单元2中的第七压电堆的2.4的正极连接，第七压电堆的2.4的负极与第八压电堆2.7的正极连接，第八压电堆2.7的负极与固定负信号-HV，例如0V相连接。控制外部驱动信号Vin_Y在-HV至+HV 之间变化，可实现Y下两个驱动单元的的差分式驱动，实现绕Y轴的偏转。
一种高可靠性压电指向调节机构应变传感电气连接形式如下：
如上文所述，在压电堆表面粘贴有电阻应变片，X或Y轴偏转测量电路独立， X或Y轴下的四个压电堆的八个电阻应变片组成应变全桥。
测量绕X轴偏转时，第一压电驱动单元3上的第一电阻应变片3.3、第二电阻应变片3.4、第三电阻应变片3.6、第四电阻应变片3.7和第三压电驱动单元13 上的第九电阻应变片13.3、第十电阻应变片13.4、第十一电阻应变片13.6、第十二电阻应变片13.7组成X轴偏转测量应变电桥，第一电阻应变片3.3位于第一电阻R1位置，第二电阻应变片3.4位于第六电阻R6位置，第三电阻应变片3.6位于第二电阻R2位置，第四电阻应变片3.7位于第五电阻R5位置，第九电阻应变片13.3位于第三电阻R3位置，第十电阻应变片13.4位于第八电阻R8位置，第十一电阻应变片13.6位于第四电阻R4位置，第十二电阻应变片13.7位于第七电阻R7位置；同一桥臂上的电阻应变片电气连接位置可以互换。图中Eg+和Eg- 分别为桥路激励电压的正负极，V+和V-分别为桥路输出信号的正负极。
测量绕Y轴偏转时，第二压电驱动单元12上的第五电阻应变片12.3、第六电阻应变片12.4、第七电阻应变片12.6、第八电阻应变片12.7和第四压电驱动单元2上的第十三电阻应变片2.3、第十四电阻应变片2.4、第十五电阻应变片2.6、第十六电阻应变片2.7组成Y轴偏转测量应变电桥。具体接线方式如图4所示，第六电阻应变片12.3位于第一电阻R1位置，第六电阻应变片12.4位于第六电阻 R6位置，第七电阻应变片12.6位于第二电阻R2位置，第八电阻应变片12.7位于第五电阻R5位置。第十三电阻应变片2.3位于第三电阻R3位置，第十四电阻应变片2.4位于第八电阻R8位置，第十五电阻应变片2.6位于第四电阻R4位置，第十六电阻应变片2.7位于第七电阻R7位置。同一桥臂上的电阻应变片电气连接位置可以互换。图中Eg+和Eg-分别为桥路激励电压的正负极，V+和V-分别为桥路输出信号的正负极。
本发明一种高可靠性压电指向调节机构工作原理描述如下：
如上文所述，每个压电驱动单元为两个压电堆串联，当作一个压电堆使用，差分接线方式。控制驱动控制信号Vin_X或Vin_Y可实现该轴输出偏转角度的控制。电压正极和电压负极接入点和具体数值可根据所选用的压电堆规格来匹配确定。
如上文所示，X轴或Y轴有电阻应变片组成的应变测量桥路可以测量偏转角度，且X轴和Y轴桥路电气上相对独立。当驱动控制电压变化时，应变全桥桥路电压也会变化，通过标定应变全桥桥路输出信号与机构偏转角度的关系后，可以通过应变全桥桥路测量X或Y轴的偏转角度。
本发明一种高可靠性压电指向调节机构的高可靠性实现描述如下：
压电指向调整机构故障主要表现为压电堆的击穿，常规的同类装置，一旦发生压电堆击穿，整个装置就会失效。本发明中每个压电驱动单元的两个压电堆叠层放置且两个电极面对齐放置，可以有效避免单个压电堆击穿而导致的机构或关联驱动电路的失效形式。
以一个偏转轴X或Y为例，偏转轴采用差分驱动方式，与单个压电堆作驱动单元对比，本发明每个压电驱动单元的两个压电堆串联，正常工作时每个压电堆上的电压为无串联设计压电驱动单元总电压的二分之一。降低压电堆的工作电压，可以大幅提高压电堆的使用寿命。
当其中某一个压电堆击穿，压电堆电极间表现为短路，此时所在压电驱动单元仍有压电堆可以工作，且电压升高为故障前的两倍，仍然可以保证偏转的功能和性能。
本发明在压电堆表面粘贴应变片应变输出与压电堆上驱动电压严格对应。当其中某一个压电堆击穿，压电堆电极间表现为短路，其表面电阻应变片无应变输出，该压电驱动单元仍有一个压电堆可工作，所在压电驱动单元的驱动电压不变，仍正常工作的压电堆上电压变为故障前驱动电压的两倍，应变输出也变为故障前两倍。因此，任一轴下某一个压电堆失效时，应变电桥仍可工作，可配合驱动控制电路实现高精度指向调节。
同理，X轴或Y轴下有位于不同压电驱动单元的两个压电堆击穿失效，失效压电堆表面应变片无应变输出，所在压电驱动单元的另一个压电堆驱动电压增长为两倍，应变片输出应变也增加为故障前两倍，压电指向调节机构仍可以实现偏转工作，输出行程和测量功能和性能不受影响。
此外，压电堆使用寿命和驱动电压关联度极高，通过本发明中压电堆的兼顾串联和差分的接法，可大幅提高压电堆的使用寿命。