蒙治軍，盛洪江

（北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

該項(xiàng)目系基于單模光纖耦合效率自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)目，其中控制器及壓電陶瓷撓性光學(xué)平臺(tái)是該項(xiàng)目的關(guān)鍵部件，它決定著整個(gè)控制系統(tǒng)能否以亞微米精度尺度對(duì)激光光斑進(jìn)行采集、跟蹤、處理和顯示，同時(shí)隨著基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是程序代碼的快速可構(gòu)建性及功能強(qiáng)這兩大特點(diǎn)[1]，為此筆者應(yīng)用該開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)編制控制程序。本文主要對(duì)控制器平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路、程序編寫、和工作原理進(jìn)行分析，為全光纖激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供了可行的技術(shù)方案[2]。

1 控制要求及控制平臺(tái)選擇

NanoMax301三軸壓電陶瓷撓性光學(xué)平臺(tái)提供獨(dú)立X、Y、Z 3個(gè)通道控制。由于在該研究課題中使用的單模光纖內(nèi)徑約為4微米，而平臺(tái)的最大分辨率為20納米[3]，所以在光纖纖芯直徑范圍內(nèi)可以搜索到大約200個(gè)采樣點(diǎn)，我們的目的是通過閉環(huán)控制3個(gè)軸的位置來實(shí)現(xiàn)光斑最佳位置自動(dòng)跟蹤，控制精度約為0.05微米。下圖1為NanoMax301系列三軸壓電陶瓷撓性平臺(tái)的、控制器實(shí)物圖及LabVIEW控制界面圖。

圖1 三軸撓性光學(xué)平臺(tái)NanoMax301、控制器BPC303實(shí)物圖及LabVIEW儀器面板Fig.1 Three-axis Piezo flexure Max301 optical stage,BPC303 Controller and LabVIEW instrument panel

NanoMax301工作原理是基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的。當(dāng)陶瓷晶體置于外電場(chǎng)中晶體會(huì)發(fā)生形變，形變的大小和外電場(chǎng)強(qiáng)度的大小成正比。NanoMax平行撓性平臺(tái)使用傳統(tǒng)的多軸層疊式平臺(tái)，由于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器接觸過程中任何一個(gè)不以底座為參考的驅(qū)動(dòng)器都會(huì)在裝置內(nèi)產(chǎn)生不必要的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了誤差，因此將NanoMax系列平臺(tái)的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都直接耦合到平臺(tái)底座上，將會(huì)消除這些不利影響。此外，該平臺(tái)的控制精度與傳統(tǒng)的多軸層疊式平臺(tái)相比有很大的優(yōu)勢(shì)，故而本平臺(tái)是亞微米運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用場(chǎng)合的理想選擇[4]。

壓電控制器BPC303是專為納米級(jí)運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合所設(shè)計(jì)的高功率控制器，每通道可提供75 V/1 A。該裝置還結(jié)合了最新的高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、低噪聲模擬電子器件技術(shù)和ActiveX?軟件技術(shù)，柔性控制每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。此外，各控制軸電信號(hào)通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB2.0口與PC機(jī)連接。手動(dòng)控制都位于該控制器儀器面板上，允許使用數(shù)字編碼調(diào)節(jié)旋鈕手動(dòng)調(diào)節(jié)壓電陶瓷施加電壓（去向NanoMax301）或位移傳感器傳輸來的位置（來自NanoMax301）。儀器面板顯示器由5位七段碼組成，易于閱讀，通過切換開關(guān)Volt/Micro設(shè)置為有七段碼顯示施加的電壓（伏特）或位置（微米），該硬件面板還能實(shí)現(xiàn)開閉環(huán)切換及撓性平臺(tái)置零[5]。表1給出了NanoMax300三軸撓性光學(xué)平臺(tái)的機(jī)械參數(shù)及BPC303控制器的電參數(shù)。

表1 Nano Max301三軸撓性光學(xué)平臺(tái)機(jī)械參數(shù)及BPC303控制器的電參數(shù)Tab.1 Nano Max301 tri-axis optical stage mechanical and BPC303 controller electrical parameters

2 程序框圖分析設(shè)計(jì)

基于LabVIEW操作簡(jiǎn)便、快速、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[6]，使用該平臺(tái)對(duì)該控制器的進(jìn)行程序設(shè)計(jì)是最佳的選擇。整個(gè)程序框圖采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)由四幀組成：

第一幀及第二幀對(duì)儀器面板ActiveX控件及指示控件進(jìn)行初始化及邏輯定義。其中MG17Piezo是Piezo BPC303控制器自帶的ActiveX控件，可由LabVIEW控件子選板ActiveX容器引入并完成對(duì)MG17Piezo控件的序列號(hào)設(shè)置及啟動(dòng)。如圖2所示。

圖2 第一幀及第二幀的程序框圖Fig.2 The first and second frame of the block diagram

第三幀由while循環(huán)構(gòu)建一個(gè)主循環(huán)，該循環(huán)里面包含了開閉環(huán)控制、置零和通道指示三個(gè)條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 第三幀while循環(huán)結(jié)構(gòu)程序框圖Fig.3 The third frame:while loop structure block diagram

圖3左側(cè)系閉環(huán)真分支，內(nèi)含2幀平鋪式順序結(jié)構(gòu)，其中第一支完成控制器電壓值（Volts）與位置值（Microns）的平滑切換，第二支調(diào)用MG17Piezo控件方法即節(jié)點(diǎn)Set Control Mode、Set Pos Output、Set Volt Pos Dip Mode及Get Pos Output分別完成控制模式為通道一閉環(huán)、位置輸出設(shè)置、顯示模式為位置及獲取位置輸出；閉環(huán)假分支即開環(huán)時(shí)，程序框圖如圖4左側(cè)所示，調(diào)用節(jié)點(diǎn)SetControlMode、SetVoltOutput、SetVoltPosDipMode及GetVoltOutput分別完成控制模式為通道一開環(huán)、電壓輸出設(shè)置、顯示模式為電壓及獲取電壓輸出，設(shè)置輸出為電壓模式輸出電壓值。圖4右側(cè)系第2個(gè)條件結(jié)構(gòu)，即控制器的置零復(fù)位程序，加入一個(gè)20 s時(shí)延，以保證控制器有足夠的時(shí)間置零，在歸零過程中，Zeroed控件一直處于閃爍顯示狀態(tài)，直到控制器置零完畢后停止閃爍。第3個(gè)條件結(jié)構(gòu)是指示工作通道，此時(shí)控制器BPC303硬件儀器面板可閃爍指示之。

第四幀是結(jié)束程序幀，Piezo Active停止工作，所有控件設(shè)置為禁用變灰的狀態(tài)，以便重啟時(shí)所有控件處于使能狀態(tài)。

圖4 第一分支結(jié)構(gòu)為開環(huán)時(shí)程序框圖及置零、通道指示Fig.4 Bolck diagram when the first branch if structure is open loop and the ones of setting zero，the channel indication

3 運(yùn)行結(jié)果

圖5 閉環(huán)及開環(huán)時(shí)儀器面板Fig.5 Instrument panel when the systemis set to closed or open loop sate

圖6 單模光纖耦合效率自動(dòng)控制系統(tǒng)樣機(jī)及光斑自跟蹤控制Fig.6 Prototype of SMF coupling efficiency automatic control system and laser spot self-tracking controlling

如圖5所示是程序運(yùn)行時(shí)控制器閉環(huán)對(duì)應(yīng)的位置值及開環(huán)對(duì)應(yīng)的電壓值示意圖；圖6是筆者將上述控制VI應(yīng)用于基于單模光纖耦合效率自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目后控制器水平Y(jié)通道和垂直Z通道工作時(shí)采集到的激光的圖像，經(jīng)過分析，圖中所示位置是耦合效率最大時(shí)的自跟蹤位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)光斑最亮。

說明：本設(shè)計(jì)VI前面板控件之一旋鈕系手動(dòng)控制，應(yīng)用時(shí)可連線PID反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)了一種基于壓電陶瓷的適合單模光纖耦合效率控制的亞微米級(jí)控制器，精度可達(dá)50納米，為全光纖激光雷達(dá)系統(tǒng)等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有操作靈活控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1] 特拉維斯，克林.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 閻吉祥，龔順生，劉智深.環(huán)境監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[3] THORLABS.HA0094T Rev.MAX300 Series NanoMax 3-Axis Flexure Stage User Guide.[EB/OL].（2013-7-19）.[2013-8-13].http://www.thorlabschina.cn/Thorcat/10900/MAX 311D-Manual.pdf.

[4] 錢顯毅，唐興國(guó).傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5] THORLABS.HA0247T Rev C.BPC303 Benchtop Piezo Controllers User Guide[EB/OL].（2013-3）.[2013-08-13].http://www.thorlabschina.cn/Thorcat/22800/BPC303-Manual.pdf.

[6] 孫秋野，柳昂，王云爽.LabVIEW8.5快速入門與提高[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2009.