摘要：根据锆钛酸铅压电陶瓷堆(PZT)的逆压电效应,。设计了以8031单片机为核心的压电陶瓷堆微位移器,提高了PZT的线性,从而满足了在天文自适应系统中所要求的精确微位移的应用。
引 言
在天文自适应系统中,需要一能控制在X,Y方向产生精确微位移的装置,由于压电陶瓷堆(PZT)能产生微米级位移,且精度高、分辨率好,故PZT成为首选材料,但是,由于PZT本身及其制造工艺上的缺陷,PZT的伸长量与施加在其上面的电压不成正比,是非线性的,故如何控制PZT使其实现线性微米级位移成为一个研究课题。
一套完整的用于天文自适应系统中的PZT微位移装置主要由以下三个部分组成:PZT、控制源及放大源。原理框图如图1所示,控制源是一个以8031单片机为主体的信号发生装置,放大源是将控制源输出的电压控制信号(0～10V)放大为0～300V,从而线性驱动PZT。本文主要就PZT的非线性详细介绍了控制源的硬软件设计。
1 压电陶瓷堆(PZT)的非线性及其校正
1.1 PZT的非线性
PZT的非线性指标反映了施加于PZT上的电压与位移量之间的线性关系(图2),它对精确控制PZT位移及其重要。PZT的非线性可用下式表达
1.2 PZT非线性校正
PZT的非线性校正是用二次斜波
作为PzT的电压控制信号。式中a为偏置电压，B为线性系数,C为二次项系数,β为放大系数,x为步进数。通过改变A,B,C三个系数,给PZT施加一个非线性电压,再采用文献[3]中叙述的空间载频外差干涉术的方法对PZT的位移进行测量,从而对PZT的非线性进行了校正。每一个PZT对应一个非线性校正曲线。
2 控制源的硬、软件设计
2.1 控制源的硬件设计
图3是该控制源的信号处理、通讯、显示、键盘及D/A转换的原理框图。该控制源的CPU为8031单片机,27128为程序计数器,与外设的通讯接口是一个以8255芯片为主体的并行通讯接口,采用这种接口方式能大大提高通讯速度,从而避免了因减少位数而降低了精度,这是由于通过此接口传递的是PZT位移应达到的长度。另一个8255芯片与显示数码管和键盘连接,A口口线接数码管的公共极,B口口线接数码管的各个极,两者均通过1413芯片驱动数码管,键盘接在C口高5位上。
该控制源具有两路D/A转换、输出信号,以便控制两个不同方向上的PZT微位移,两路信号的电路完全一致,现就一路进行介绍。在本控制源中使用的是AD7520十位D/A转换芯片,由于该转换芯片不带有数据锁存器,因此我们使用了3个数据锁存器74LS377以实现十位数据的同步传输。首先,低八位数据锁存于74LS377(1)中,然后再送高两位,此时,74LS377(2)和74LS377(3)同时被触发,这样十位数据同时传输到AD7520上,经D/A转换后的信号再由高精度的运放OP07放大输出,其后再紧跟一个运放LM741作为跟随器,以提高信号驱动负载的能力,最后输出的为一0～10.00V的直流电压信号。
在该控制源的研制过程中,我们注意了其抗干扰性能,并采取了一定的措施。例如,将整个电路分为模拟电路和数字电路,它们的地线最终在一点相连,在每片集成电路的电源线和地线之间都加了高频滤波电容,从而保证了仪器能稳定工作。
2.2 软件设计
基于上述的硬件配置,仪器采用了下述的系统软件,其流程图如图4所示。
该程序中,显示中断处理为每5ms对显示器扫描一次,并行通讯接口采用查询方式进行通讯。由于对每一个PZT进行非线性校正的二次斜波电压信号是唯一的,故为了提高响应速度,我们将二次斜波电压信号列成表,其自变量为等间隔变化的PZT位移伸长量,它们是线性元素。各元素在表中的排列方法及所占用的存储器单元个数都是一样的,故只要根据所给元素通过一定的计算求出元素所对应数值的地址,该地址单元存储的内容即为与PZT位移伸长量相对应的电压值,这些数据能满足使PZT线性位移。在上述软件的支持下,仪器的性能得到保证。
结束语
用于天文自适应系统中的PZT微位移器最大伸长量为5μm,由于我们选用的是十位D/A芯片,故PZT的最小分辨率可达0.005μm,这些数据均是通过文献[4]中提到的干涉仪的测量得到的。综上所述,该仪器不失为一高精度、稳定可靠的微位移器。
参考文献
1 Ai C,Wyant J C.Effect of Pizeoelectric transducer nonlinearity on phase shift interferometry.Appl.Opt,1987.26(6):1112～1116
2 Zhu Rihong,Chen Jinbang,et al.Accuracy of phase shifting interferometry.SPIE,1991,1553:702～711
3 朱日宏.移相干涉术及PZT移相器分析与研究.博士论文.1991
4 Chen Jinbang,Song Dezhen,et al.Large-aperture high-accuracy phase-shifting digital flat interferom-eter,Opt.Eng,1966,35(7):1936～1942
5 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计——系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1989
本文作者：刘 晖:女,1970年3月生,1991年毕业于华东工学院光学仪器专业,1994年毕业于南京理工大学军用光学专业(工学硕士)。助理研究员,从事光电技术教学与科研。
