УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к приборостроению, в частности, к оптическому, и может быть использовано для снятия статических и динамических характеристик линейного пьезопривода по управляющему и возмущающему воздействиям, а также для тарировки датчиков микроперемещений, используемых в приводе.
Известно устройство для испытания пьезоэлектрического привода [патент №ЕР 1553421, кл. G01R 29/22, F02M 65/00, публ. 2005-07-13], используемого в инжекторах для управления впрыском топлива в форсунках, содержащее источник топливовоздушной смеси, подсоединенный трубопроводом к инжектору с встроенным пьезоприводом, который электрически через измерительный преобразователь подключен к устройству оценки.
Недостатком аналога является большая погрешность определения характеристик пьезопривода, поскольку электрический выход пьезопривода, например, сигнал тока, снимаемый с дополнительного сопротивления, включенного в цепь питания привода, сильно зашумлен сигналом прямого пьезоэффекта.
Известно также устройстве для испытания пьезоэлектрического привода и его элементов [Щербин A.M. Исполнительные элементы прецизионных пьезоэлектрических приводов с увеличенным диапазоном перемещений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997, рис.7, <http://shtcherbin.narod.ru/AR.htm>], которое выбрано за прототип, содержащее интерферометрический датчик, отрабатывающее зеркало которого установлено на штоке пьезодвигателя испытуемого привода, ко входу которого подключен интерферометрический датчик.
Недостатком прототипа является низкая точность снятия динамических характеристик замкнутого пьезопривода. Связано это с тем, что динамические характеристики зависят от возмущающего воздействия, которым является механическая нагрузка на шток пьезодвигателя. При тестировании привода возмущающее воздействие на штоке может меняться произвольным образом, поэтому условия испытания исключить из погрешности не удается.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении
точности и достоверности измерений за счет уменьшения влияния возмущающего воздействия на динамические характеристики пьезопривода.
Этот технический результат достигается тем, что в известном устройстве для испытания пьезоэлектрического привода и его элементов, содержащем интерферометрический датчик с отрабатывающим зеркалом устанавливаемым на штоке пьезодвигателя испытуемого привода, введены видеокамера и биморфный двигатель, на штоке которого установлено опорное зеркало интерферометрического датчика, оптически сопряженное с видеокамерой, выход которой подключен к входу испытуемого привода, к выходу которого подключен биморфный двигатель.
По сравнению с прототипом полезная модель имеет новую совокупность существенных признаков, т.е. отвечает критерию новизны.
Сущность полезной модели заключается в том, что действие возмущения на шток пьезодвигателя испытуемого пьезоэлектрического двигателя имитируется смещением опорного зеркала интерферометрического датчика. Опорное зеркало перемещается отдельным калиброванным биморфным двигателем, который входит в замкнутую систему управления пьезоприводом. Таким образом, при снятии характеристик пьезопривод оказывается замкнутым не только по положению штока через индукционный датчик, но и по возмущению - через интерферометрический датчик перемещения, вследствие чего повышается точность и достоверность снятия характеристик.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана функциональная схема устройства, на фиг.2 - схема испытуемого пьезоэлектрического привода, на фиг.3 - граф - схема алгоритма работы контроллера испытуемого пьезоэлектрического привода.
Устройство содержит интерферометрический датчик перемещения 1, выполненный по схеме Майкельсона и состоящий из отрабатывающего зеркала 2, установленного на штоке пьезодвигателя 3 испытуемого привода 4 перпендикулярно опорному зеркалу 5 в точке пересечения оптических осей зеркал 2 и 5 под наклоном к осям установлена светоделительная пластина 6, последовательно с которой установлены по оптическим осям соответственно отрабатывающего зеркала 2 - расширитель пучка 7 и источник излучения 8, а опорного зеркала 5 - экран 9, видеокамеру 10 и биморфный двигатель 11, на штоке которого установлено опорное зеркало 5, оптически сопряженное посредством экрана 9 с видеокамерой 10, выход которой подключен к входу испытуемого привода 4, к выходу которого подключен биморфный двигатель 11.
Испытуемый пьезоэлектрический привод 4 (фиг.2) содержит последовательно соединенные контроллер 12, цифроаналоговый преобразователь 13, усилитель мощности 14, пьезодвигатель 3 и индуктивный датчик 15, выход которого подключен к входу контроллера 12.
Исследование пьезопривода 4 производится следующим образом. Сначала производится калибровка индуктивного датчика 15. Контроллер 12 по сигналу компьютера (на фиг.2 не показан) выдает выходной сигнал у1 в виде цифрового кода. Этого код преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 13 в напряжение, которое усиливается усилителем мощности 14 и поступает на вход пьезодвигателя 3. Двигатель 3 отрабатывает входное воздействие, перемещая отрабатывающее зеркало 2. Расширитель пучка 7 преобразует квазиплоский волновой фронт волны излучения лазерного источника 8 в сферический, в результате на экране 9 наблюдается чередование концентрических колец с минимумом и максимумом интенсивности. За центр интерференционной картины принимается центр колец. При продольном перемещении отрабатывающего зеркала 2 на величину, равную половине длины волны источника 8, в центре интерференционной картины наблюдается максимальный размер кольца с минимумом освещенности, а при перемещении на величину, равную длине волны, в центре интерференционной картины наблюдается максимальный размер кольца с максимумом освещенности.
Наклон зеркал 2 или 5, вызванный линейными перемещениями соответственно пьезодвигателя 3 или биморфного двигателя 11 приводит к смещению центра интерференционных колец. По перемещению центра интерференционных колец и по ширине центрального кольца однозначно определяется перемещение пьезодвигателя 3 в большом диапазоне с заданной точностью. Для этого изменения в интерферограмме, полученные на экране 9 фиксируются видеокамерой 10 обрабатываются по известному алгоритму, описанному в книге [Васильев В.И., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам - СПб.: БХВ - Санкт - Петербург, 1998 - 240 с.] и передаются в виде сигнала цифрового кода х2 на другой вход контроллера 12.
Перемещение отрабатывающего зеркала 2 измеряет также индуктивный датчик 15, который выдает цифровой код х1 перемещения на контроллер 12. Контроллер 12 сравнивает сигналы точного измерения от интерферометрического датчика 1 и индуктивного датчика 15. Разность △х=х2-х1 поступает в память компьютера, и в дальнейшем используется для коррекции измерений. На следующем такте работы контроллера 12 происходит наращивание его выходного сигнала на Δу, и снимается следующая точка калибровочной характеристики индуктивного датчика 15. Количество точек калибровочной характеристики определяется счетчиком циклов R1.
Далее снимается зависимость перемещения штока пьезодвигателя 3 от возмущения, которое имитируется поворотом опорного зеркала 5. Поворот зеркала 5 осуществляется биморфным двигателем 11, сигнал у2 на управление которого задается контроллером 12 по циклам работы контроллера. На каждом цикле работы входной сигнал возмущения наращивается на Δу. Сигнал у1 на отработку возмущения формируется контроллером 12 в виде суммы сигналов отрицательных обратных связей от
индуктивного датчика 15 и от интерферометрического датчика 1 с соответствующими коэффициентами k1 и k2.
В устройстве использована видеокамера 10 марки КРС-650 ВН. Биморфный двигатель 11 выполнен в виде последовательно соединенных ЦАП, усилителя мощности и калиброванного пьезодвигателя марки КП-1 с напряжением питания±240 В, диапазон перемещений 5 мкм.
Устройство позволяет полностью автоматизировать процесс определения параметров пьезопривода 4 и градуировки индуктивного датчика 15. Испытуемый пьезопривод 4 обеспечивают линейное перемещение зеркала 2 до 12 мкм. Центр колец интерференционной картины остается в пределах поля зрения видеокамеры 10 при наклонах зеркала 2 до 2 угл. мин. Устройство уверенно определяет перемещения испытуемого пьезопривода 4 с разрешением 0.01 мкм.