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应用于空间惯性传感器的压电驱动器的性能测试

李华东 齐克奇 石强 王少鑫 王智

李华东, 齐克奇, 石强, 王少鑫, 王智. 应用于空间惯性传感器的压电驱动器的性能测试[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 344-353. doi: 10.3788/CO.20201302.0344
引用本文: 李华东, 齐克奇, 石强, 王少鑫, 王智. 应用于空间惯性传感器的压电驱动器的性能测试[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 344-353. doi: 10.3788/CO.20201302.0344
LI Hua-dong, QI Ke-qi, SHI Qiang, WANG Shao-xin, WANG Zhi. Performance test of piezoelectric actuators for space inertial sensors[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 344-353. doi: 10.3788/CO.20201302.0344
Citation: LI Hua-dong, QI Ke-qi, SHI Qiang, WANG Shao-xin, WANG Zhi. Performance test of piezoelectric actuators for space inertial sensors[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 344-353. doi: 10.3788/CO.20201302.0344

应用于空间惯性传感器的压电驱动器的性能测试

doi: 10.3788/CO.20201302.0344
基金项目: 

中国科学院"空间科学(二期)"战略性先导科技专项 XDA15020704

详细信息
    作者简介:

    李华东(1995—), 男, 山东潍坊人, 硕士研究生, 2017年于东北大学获得学士学位, 主要从事空间惯性传感器相关设计方面的研究。E-mail:356549686@qq.com

    王智(1978—), 男, 山东寿光人, 博士, 研究员, 博士生导师, 2003年于长春理工大学获得硕士学位, 2006年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位, 主要从事空间引力波探测领域的研究。E-mail:wz070611@126.com

  • 中图分类号: TH73;TH762

Performance test of piezoelectric actuators for space inertial sensors

Funds: 

Leading Special Project of Chinese Academy of Sciences XDA15020704

More Information
  • 摘要: 为保证空间惯性传感器的正常在轨运行,在发射阶段需保证测试质量固定以避免与周围电容极板的接触碰撞;到达预定轨道后再重新捕获并以最小残余线速度将测试质量释放至精确位置,保持自由悬浮状态。测试质量的捕获定位对驱动器提出高精度的要求。本文针对在太空中捕获定位释放测试质量所用的压电直线驱动器进行了设计定制与性能测试。试验结果表明:该定制的压电驱动器最小步长小于1 nm,但步长稳定性误差较大;150 V工作电压条件最大驱动力达72 N;单步行进驱动力稳定;夹持测试质量过程中,驱动力稳定,稳定性偏差为0.16%。满足捕获、定位、释放机构的使用需求。
  • 图  1  应用尺蠖型压电直线驱动器的GPRM结构及捕获TM原理示意图

    Figure  1.  Structure of GPRM with inchworm-piezoelectric linear actuator and principle of grabbing TM

    图  2  驱动原理及压电堆叠封装示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of driving principle and piezoelectric stack packaging

    图  3  压电单元驱动模式

    Figure  3.  Driving mode of piezo element

    图  4  压电直线驱动器结构图

    Figure  4.  Structure of piezoelectric linear actuator

    图  5  压电直线驱动器实物图

    Figure  5.  Prototype of piezoelectric linear actuator

    图  6  位移测量图

    Figure  6.  Displacement measurement system

    图  7  驱动力测量图

    Figure  7.  Driving force measurement system

    图  8  柔性片变形云图

    Figure  8.  Deformation nephogram of flexible sheet

    图  9  柔性片最大变形与受力关系曲线图

    Figure  9.  Relationship between maximum deformation and force for flexible sheet

    图  10  各驱动电压下步长测量曲线图

    Figure  10.  Measuring curves of step length under various driving voltages

    图  11  步长测量系统

    Figure  11.  Step length measurement system

    图  12  最大驱动力测试曲线

    Figure  12.  Testing curve of maximum driving force

    图  13  驱动力测试系统

    Figure  13.  Driving force testing system

    图  14  驱动力稳定性测试曲线

    Figure  14.  Testing curve of driving force stability

    表  1  柔性片不同受力条件下的最大变形及最大应力

    Table  1.   Maximum deformation and maximum stress of flexible sheet under different forces

    序号 施力大小/N 最大变形/mm 最大应力/MPa
    1 10 0.008 428 4.395 5
    2 20 0.016 855 8.798 1
    3 30 0.025 281 13.207
    4 40 0.033 704 17.623
    5 50 0.042 124 22.045
    6 60 0.050 541 26.473
    7 70 0.058 953 30.905
    8 80 0.067 360 35.343
    9 90 0.075 761 39.786
    10 100 0.084 154 44.232
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    表  2  驱动器不同电压下的平均步长

    Table  2.   Average step length of actuator at different voltages

    序号 驱动电压/V 平均步长/nm
    1 0.1 10.23
    2 0.01 3.40
    3 0.001 1.60
    4 0.0002 0.85
    5 0.0001 0.81
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    表  3  不同电压下驱动器的步长稳定性偏差

    Table  3.   Step stability deviation of actuator under different driving voltages

    序号 驱动电压/V 失稳系数/(%)
    1 0.1 13.48
    2 0.01 13.09
    3 0.001 34.06
    4 0.0002 58.68
    5 0.0001 49.38
    下载: 导出CSV
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