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)重點實驗室，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實驗室，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，用于測量物體的轉(zhuǎn)速。其工作原理：通過檢測閉環(huán)光路中兩束反向激光束的光程差，計算得到物體的轉(zhuǎn)速。激光陀螺工作時，由于溫度和機(jī)械振動等環(huán)境因素的影響，諧振腔長度會發(fā)生微米級的變化[1]，這將導(dǎo)致陀螺儀工作頻率變化，對其工作穩(wěn)定性有致命的影響。

以壓電陶瓷片為核心驅(qū)動的穩(wěn)頻器可以調(diào)節(jié)激光諧振腔長度，穩(wěn)定激光陀螺儀的工作頻率[2-4]。激光陀螺諧振腔長調(diào)整原理如圖1所示，激光陀螺穩(wěn)頻組件的上、下兩面裝有配對的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片為環(huán)形薄片結(jié)構(gòu)，通過穩(wěn)頻控制電路控制壓電陶瓷片的形變量。配對的壓電陶瓷片在電壓作用下一片伸長，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，達(dá)到雙向調(diào)節(jié)激光陀螺諧振腔長的目的。穩(wěn)頻器要求壓電陶瓷片依據(jù)位移特性配對使用，即匹配的陶瓷片在相同的驅(qū)動電壓下位移大小一致。因此，壓電陶瓷片在使用前需要進(jìn)行微位移的精密測量。

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

對于壓電陶瓷片的位移測量，通常以光學(xué)法[5]和電學(xué)法[6]為主。激光干涉測量[7]是目前已被廣泛使用的光學(xué)測量法，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，通過相關(guān)算法處理圖像以獲得其位移。然而，用于干涉測量的光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴，對工作條件十分敏感，測量結(jié)果很容易受到溫度、振動和環(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)顯微鏡則需要相對復(fù)雜的算法對壓電陶瓷片的邊緣進(jìn)行提取，時間成本較高，也不利于系統(tǒng)集成。電學(xué)測量法以電容測量法[9]和電感測量法[10]為主。采用電容位移傳感器時，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。電感法對測試表面要求低，精度適中，且易于實現(xiàn)和系統(tǒng)集成。

本文對比分析了壓電陶瓷片位移測量時單、雙測頭兩種測量方式，實驗研究了充放電次數(shù)對壓電陶瓷片位移量的影響，確定了一種靜態(tài)電壓下精確、快速測量壓電陶瓷片微位移的方案，研制了微位移自動化測量設(shè)備，利用設(shè)備進(jìn)行了測量實驗，對設(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 激光陀螺諧振腔長調(diào)整原理

1 測量方案

1.1 微位移測量方式

壓電陶瓷片微位移測量時需要正、負(fù)電極（上、下電極）對其施加電壓，同時利用2個電極壓緊陶瓷片。測量時，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。測頭的驅(qū)動方式為氣動，測量力小于0.2 N。

單測頭測量時，電感測微儀需要配合固定擋塊測量，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，其所受摩擦力可能會超過單片陶瓷片的驅(qū)動力，導(dǎo)致測量結(jié)果偏小。針對不同規(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化測量。若采用雙測頭測量，不僅避免了上述問題，而且也消除了電感測微儀的放置偏差對測量結(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測頭在水平面之間存在一定的夾角α，但2個電感測微儀的測量結(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)備采用雙測頭測量方式。

圖2 測量方式示意圖

在相同的實驗環(huán)境下，分別通過單測頭與雙測頭測量方式對同一片φ14 mm壓電陶瓷片在100 V靜態(tài)電壓下進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如表1所示，結(jié)果證實了單測頭測量時壓電陶瓷片的位移偏小。

表1 單、雙測頭測量實驗結(jié)果 μm

1.2 驅(qū)動電壓的加載

壓電陶瓷在外電場的作用下由于逆壓電效應(yīng)[11]會產(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)定可靠的測量工藝方法對壓電陶瓷片位移測量設(shè)備的研制具有非常重要的意義。

表2 反復(fù)充放電測量實驗結(jié)果 μm

現(xiàn)場測量時，操作員首先通過反復(fù)充、放電的方式提高壓電陶瓷片的穩(wěn)定性，然后再進(jìn)行測量。為了探究充、放電次數(shù)對壓電陶瓷片位移的影響，設(shè)計了如下實驗。

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，實驗溫度為20.5 ℃，濕度為18%，實驗結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，壓電陶瓷片充、放電0 次時，測量結(jié)果偏差較大；充、放電1～15 次時，5 片的測量結(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有明顯的變化。因此，為保證測量效率和準(zhǔn)確性，在測量前采用與測量時相等的電壓進(jìn)行3次充、放電處理。

2 自動化測量設(shè)備

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

圖3 設(shè)備整體框圖

設(shè)備通過運動控制卡控制一對位移滑臺，采用真空吸附技術(shù)，配合光電傳感器實現(xiàn)陶瓷片的拾取、運送與放置。測量時，通過壓電陶瓷激勵電源對陶瓷片加載電壓，同時利用電感測微儀測量其位移。電感測微儀采用氣動式，可以通過精密減壓閥調(diào)節(jié)測量力。設(shè)備所需控制的部件主要包括位移滑臺、激勵電源以及電感測微儀等，電氣控制框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制框圖

2.1 測量模塊

測量模塊是整臺設(shè)備的核心，完成壓電陶瓷片電壓的加載及其微位移的測量。該模塊主要由2個裝有電感測微儀的直線導(dǎo)軌、1個轉(zhuǎn)臺和上、下電極組成，如圖5所示。下電極開有吸孔，在陶瓷片被上電極壓緊前，通過真空吸附的方式，防止陶瓷片滑落。測量之前，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運動。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置時，安裝座上固定的擋片觸發(fā)光電傳感器產(chǎn)生停止信號，此時上電極不僅能夠壓緊陶瓷片，還可保證每次壓緊時壓力一致。在這個過程中，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)可以實現(xiàn)自動姿態(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)力過大和電壓加載不穩(wěn)定的問題。

圖5 測量模塊

測量前，直線導(dǎo)軌帶動電感測微儀運動，以測微儀初末位置的差值大于或等于500 μm為停止信號，既保證了電感測頭與陶瓷片充分接觸，也防止了導(dǎo)軌相對運動距離過大損壞電感測微儀。上、下電極通過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，電感測微儀配合可拆卸的陶瓷測頭，可以滿足不同規(guī)格陶瓷片的位移測量。

2.2 搬運模塊

搬運模塊完成壓電陶瓷片的拾取、搬運及放置，由一對位移滑臺組成，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，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，實現(xiàn)了對上料臺陶瓷片剩余數(shù)量的檢測，避免了因上料臺壓電陶瓷片的缺失而導(dǎo)致的上、下電極的短路。同時，如果設(shè)備程序運行異常，拾取臂或上電極會繼續(xù)沿Z 軸向下運動，安裝在橫梁上面的擋片會繼續(xù)觸發(fā)急停傳感器，運動控制卡會產(chǎn)生急停信號以保護(hù)設(shè)備與壓電陶瓷片的安全。

圖6 搬運模塊

2.3 上、下料模塊

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

圖7 上下料模塊

3 測量實驗及結(jié)果

選取10片φ14 mm的壓電陶瓷片，分別通過激光干涉儀和研制設(shè)備在100 V 靜態(tài)電壓下進(jìn)行測量，實驗結(jié)果如圖8 所示。實驗中，激光干涉儀型號為Agilent5530，配合線性測量組件10766A，其分辨率為0.01 μm。

通過對比激光干涉儀與研制設(shè)備的測量結(jié)果，同一片壓電陶瓷片在兩種儀器下測量結(jié)果的最大偏差為0.126 μm。這表明自動化測量設(shè)備與激光干涉儀測量結(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)行測量，每組測量6次，實驗結(jié)果如表3所示。

圖8 測量實驗對比結(jié)果

表3 測量實驗結(jié)果 μm

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差公式計算可知，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為測量次數(shù)；xi為第i次測量數(shù)據(jù)；u為所有測量數(shù)據(jù)的平均值。

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

圖9 誤差分析

針對實驗中測量的φ14 mm的壓電陶瓷片，其在100 V電壓下的位移不會超過2 μm，假設(shè)β=1h，誤差小于0.3 nm，遠(yuǎn)小于測量精度，可忽略不計。

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)激光陀螺穩(wěn)頻器壓電陶瓷片微位移的批量自動化精密測量，本文設(shè)計了基于高精度電感測微儀的雙測頭測量方案，確定了采用與測量時相等的電壓對壓電陶瓷片進(jìn)行充放電3次的預(yù)處理方式，研制了自動化測量設(shè)備。設(shè)備利用一對移動滑臺配合真空吸盤實現(xiàn)了陶瓷片的拾取、搬運與放置，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；高精度電感測微儀及專用的壓電控制器確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果表明，設(shè)備單片測量時間為80 s，相對于人工測量減少了約70%的時間；設(shè)備的重復(fù)性精度優(yōu)于0.06 μm，有效保證了配對使用的壓電陶瓷片的一致性。