精密仪器设计实验指导书

精密仪器设计实验指导书

朱丽编写裘安萍审稿

南京理工大学

实验守则

一、实验基本要求

1．实验前，必须认真预习实验指导书及教材中的有关内容，熟悉仪器、设备的工作原则和初步了解操作要求。没有预习实验指导书的学生不得进入实验室。

2．实验中对各种数据应会处理，并考虑如何书写实验报告；实验中出现的误差或其他情况应进行分析说明。

二、实验须知

1．学生应在规定的时间进入实验室。与实验无关的物品不得带入实验室。进入实验室后，注意保持实验室清洁和安静。

2．实验前，熟悉仪器的操作规程和注意事项。经指导者同意后，方可接上电源。要小心操作，用力适当。

3．如发现仪器有故障时，不得擅自拆修，应立即报告指导老师。

4．学生应积极动手操作，并独立完成实验和实验报告。

5．实验完毕，要切断电源，清理实验场地，将所用的实验设备整理好，放回原处，认真书写实验报告。经教师同意后，方可离开实验室。

6．凡不遵守实验守则经指出而不改正者，教师有权停止其实验。若情节严重，对实验设备造成损坏者，应负赔偿责任，并给予处分。

7．在规定的时间内未能完成实验者，须经实验室领导同意，或延长实验时间或另行安排补做时间。

实验报告的内容和要求

撰写实验报告是训练学生撰写科技论文的能力的环节。实验报告是考核学生学习成绩和评估教学质量的重要依据。

学生对所做的实验应该做到原理清楚，方法和操作步骤正确，实验数据比较可靠，并且会处理实验数据。

实验报告应由每个学生独立完成，用钢笔、炭素笔或圆珠笔工整书写。报告内容要层次清楚，文字简明通顺，图、表清晰，符合汉语规范和法定计量单位。

实验报告一般包含下列7项内容

1．实验名称；

2．实验目的：

3．测量原理；

4．实验步骤；

5．实验记录；

6．实验数据处理及相应结论；

7．回答思考题。

实验一微动工作台的驱动控制

实验目的：掌握微动工作台的驱动控制的基本原理和基本方法；

实验内容：①微动工作台的驱动与控制，②微动工作台的应用；

实验方法：利用专用驱动—控制电路对微动工作台进行驱动与控制；

实验要求：学会驱动—控制电路的使用方法，对微动工作台的用途有所了解。

一、微动工作台

工作台的组成：基本上是由工作台滑板、直线移动导轨、传动机构、驱动源、控制装置和位移检测器等组成。

微位移机构(或称微动工作台)由微位移器和导轨两部分组成，根据导轨形式和驱动方式可分成五类：

①柔性支承、压电或电致伸缩微位器驱动；

②滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩微位移器驱动；

③滑动导轨，机械式驱动；

④平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微位移器驱动；

⑤气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动

二、微动工作台的驱动控制

1. 微动工作台是柔性支承、压电驱动器驱动。

2.压电陶瓷器件的结构及其特点见表1-1所示。

图1-1 微动工作台结构简图

名称 示意图 位移公式 特点

叠堆型

压电陶

瓷

nU d L 33=?

其中： 33d ：应变系数（m/V ） n ：压电陶瓷片个数 U ：驱动电压（V ） 采用多片压电陶瓷片粘结而成，可以承受很大的压力，刚度大，但承受拉力的能力有限。 3. 实验系统：

实验系统的构成如图1-2所示。其中驱动控制电源基于PC 机ISA 总线，由在线可编程数字合成信号源和功率放大器构成，是一个开环结构。信号源产生的驱动信号波形输出至功率放大器进行功率放大，输出作为压电驱动器的驱动信号。具有三路输出，既可输出连续的周期波形，又可输出单次的周期波形。

工作台驱动控制电源

计算机测微仪

示波器

图1-2 实验系统

进行驱动时，首先操作波形数据生成模块生成波形数据。波形数据是由驱动波形中的1000个采样码组成，由于波形数据存储单元为12bits ，因此波峰处的值总被映射成4095（212），其他值依此映射为0~4095间的值。生成波形数据的方法包括函数表达式法、加速度曲线法及直接输入数据三种方法；然后，利用波形数据写入模块将生成的波形数据在线写入电路实现输出波形的在线编程，存储波形数据的元件为E 2PROM ，可以保证断电后数据不会丢失；下面进入波形发送模块，该模块界面如图1-3所示。

发送参数主要包括波形输出的频率和电压。发送参数还包括相位和步行方式。相位主要用于多路发送时，决定各路间的相位差。步行方式可分为连续发送和单步发送两种。采用单步发送方式时应输入发送的次数，在发送完指定的次数后会自动停止。

图1-3 波形发送模块界面

测微仪采用MDS系列多量程LVDT测微仪。MDS系列多量程LVDT测微仪是适用于多种测量范围的高精度微位移检测仪，可以实现微米级直至纳米级的高精度微位移检测，广泛应用于国防，生物工程，微电子工业，光纤通信等各种需要动／静态微位移检测的领域，具有性能优越，测量精度高，价格低等优点。

4．实验步骤：

（1）将工作台固定于防震台上，将各部件安要求连接起来：驱动器与电源连接，测微传感器安装固定等；

（2）打开驱动控制电源的软件，按所需发送控制信号；

（3）测微仪测量，并在示波器上观察输出位移波形；记录实验结果。

实验二微位移测量

目的：掌握微位移测量的基本方法和数据处理方法；

内容：①测微仪的使用，②微位移测量；

方法：利用测微仪对微位移进行测量；

要求：学会使用测微仪并按操作方法进行测量，对测量所得数据进行正确处理。

一、传感器介绍

1.测量微位移传感器的类型

电阻应变式位移传感器；电容式位移传感器；电感式位移传感器；光栅、磁栅、容栅式传感器；光干涉测量法等；

2.各种传感器的原理和特点

1）电阻应变式位移传感器

原理就是将位移量变成金属或半导体应变片的应变，引起应变片的电阻变化。优点：从理论上讲，其分辨率很高；成本低；缺点：接触式测量；受温度、衬底材料和粘贴的影响。

2）电容式传感器

其原理是将位移量转化为电容值的变化，有变间隙式、变面积式和变界电常数式三种。

优点：灵敏度高，分辨率高，精度可靠，属于非接触式测量，动态响应快，发热小。

缺点：容易受寄生电容和外界的干扰。

3）干涉法测量法

其原理是利用两束相干光，一束照向被测表面，另一束照向样本表面，两束反射光形成干涉条纹，干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差。常用的是双频激光测量法。

优点：量程大，分辨率高，抗干扰能力好。

缺点：系统庞大，造价昂贵。

4）光栅、磁栅、容栅式传感器

光栅传感器的优点：分辨率高、精度好、不受磁场、电场的影响。缺点是价格昂贵。

磁栅的原理和磁带的原理大致相同。优点：成本低廉、使用方便，特别是在油污、粉尘较多的环境下是用有较好的稳定性。缺点是易受磁场影响，精度较低。

容栅的原理是光栅传感器和变面积式电容传感器的结合。优点是体积小、造价低、抗干扰能力强、分辨率和精度较高。缺点是制造的废品率较高，应用还不广泛。

5）电感测量法

原理是将位移的变化量转化为互感或自感的变化。前者称为线性差动变压器式传感器；后者称为线性差动自感式传感器。有结构简单，体积小、易于安装、分辨率高等优点；但是其处理电路较为复杂，对于它的精度、稳定性影响较大。随着一些专用集成信号条理芯片的出现，其应用范围进一步扩大。

综合考虑各种传感器的优缺点，结合微动平台的需要，选择电感传感器作为微位移的检测传感器。

二、LVDT传感器的原理、应用

LVDT是电感传感器的一种，其工作原理是基于互感的变化，把被测量的变化转换为互感系数的变化，其基本结构如图2-1所示。

图2-1 LVDT电感传感器的基本结构

1是磁芯，2是磁筒，3是框架，N1是初级线圈，N2a和N2b是次级线圈。

信号处理电路提供交流信号电压，激励传感器的初极线圈，经过磁芯耦合，次极线圈产生同频率交流电压输出。由LVDT输出交流信号又输入到信号处理电路，经过内部转换，把交流信号转化为直流电压信号。磁芯在两个耦合线圈内移动，直流电压信号与磁芯的位移成正比。这样就可通过测定信号处理电路输出的直流电压来测定磁芯移动距离。

下图为两种常见的LVDT传感器及其用途，其中分体式的主要优点是响应速度快，适合集成到机构内部。回弹式的主要优点是使用方便灵活，适用于外部测量。

分体式传感器回弹式传感器

图2-2 两种常见的LVDT传感器及其用途

三、微位移的测量

采用MDS系列多量程LVDT测微仪。MDS系列多量程LVDT测微仪是适用于多种测量范围的高精度微位移检测仪，可以实现微米级直至纳米级的高精度微位移检测，广泛应用于国防，生物工程，微电子工业，光纤通信等各种需要动／静态微位移检测的领域，具有性能优越，测量精度高，价格低等优点。

图2-3 MDS - LVDT 测微仪

测微仪操作方式有：

1.面板操作

图2-4 面板

测量微位移时，由于微弱的振动都会影响测量的准确性。因此，测量应在稳定的工作台上进行。微位移测量过程如下：

1)根据测量范围确定量程，如测量范围为1 50 m，应选‘D’、‘E’或‘F’档；

2)观看微位移测量是否超出测量范围，如果超出测量范围，应把LVDT测头调整到测量范围内；

3)如果在测量范围内，仪器将实时显示测量的位移量。

2. 本仪器设有RS一232串行通信口，使用所带串口线连接测微仪与计算机，从而把测量数据传给计算机，通过计算机软件读取位移值。

3. 模拟电压显示状态

实验系统：其中微动工作台驱动器是压电陶瓷驱动器，电源为其专用电源。

图2-5 实验系统

实验三伺服系统控制实验

目的：掌握不同伺服系统的工作原理与特点；

内容：①电机的驱动与控制，②开环伺服系统实验，③闭环伺服系统实验；

方法：利用伺服系统对工作台的移动进行控制与检测；

要求：学会电机的驱动控制及不同伺服系统的使用。

一、开环伺服系统实验

这种系统通常是采用步进电机作为驱动元件。步进电机每接受一个指令脉冲，电机轴就转动相应的角度，驱动工作台移动。开环系统的最高移动速度受到步进电机频率特性的限制，精度则完全取决于电机、齿轮副、丝杠螺母副和工作台导轨等部件的精度。其最典型的实验系统如图3-1所示。

图3-1 开环伺服实验系统

工作台有多种形式。按驱动方式来划分大体有两种：

（1）x向，y向电机与滑板联成一体两层迭合的形式(见图3-2(a))；结构比较简单，但却造成底层的重量增大，电机的振动也会影响工作台的精度；

（2）电机不与工作台联成一体，而是均固定在基座导轨平面上(见图3-2(b))；机械结构较复杂，但却减轻了下层机的驱动重量，适用于高速运动。

(a) (b)

图3-2 (a) 与电机联成一体的工作台(b) 与电机不联成一体的工作台

本次实验工作台二维精密工作台使用步进电机驱动，精密滚珠丝杠传动，导轨为直线导轨，如图3-3所示。可以达到1μm的定位精度，最大行程为80mm，最大速度60mm·s-1。

图3-3 二维精密工作台

工作台的控制采用8051单片机，封装在控制箱内，可同时对三轴输出。其操作方式有2种：1）通过面板（见图3-4所示）手动控制,开机后控制器进入运行页(RUN)，若设置的参数丢失，则进入设置页；2）通过RS232接口实现与计算机之间的通信，然后编程进行软件控制。通过设置工作台两个轴的行程、速度和方向，可以使两个轴的运动合成这样的轨迹。

图3-4 控制面板

二、闭环伺服系统实验

闭环控制系统的突出优点是控制精度高、抗干扰能力强，只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。这种系统的特点是在工作台上装有位置检测装置，可以随时测量工作台的实际位移，进而将测定值反馈到数字控制装置中的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制，因此能校正传动链内由于电器、刚度、间隙、惯性、摩擦及制造精度所形成的各种误差，从而提高系统运动精度。图3-5所示为典型的闭环伺服系统。

图3-5 闭环伺服实验系统

本实验将开环实验与微位移测量实验结合起来，通过RS232接口实现与计算机之间的通信，然后编程进行软件控制，在软件中通过检测工作台是否移动到设置位置来确定发送下一条命令的时间。具体实现是通过比较工作台位置的反馈数据与设定值的差值，当差值不为0时，程序作插补指令让工作台再运动相当于上述差值的距离；当差值为0时，说明工作台移动到设置位置，取下一条命令并发送。