1、精密儀器設計實驗指導書朱 麗 編寫 裘安萍 審稿 南京理工大學實 驗 守 則一、實驗基本要求 1實驗前，必須認真預習實驗指導書及教材中的有關內容，熟悉儀器、設備的工作原則和初步了解操作要求。沒有預習實驗指導書的學生不得進入實驗室。 2實驗中對各種數據應會處理，并考慮如何書寫實驗報告；實驗中出現的誤差或其他情況應進行分析說明。二、實驗須知1學生應在規定的時間進入實驗室。與實驗無關的物品不得帶入實驗室。進入實驗室后，注意保持實驗室清潔和安靜。2實驗前，熟悉儀器的操作規程和注意事項。經指導者同意后，方可接上電源。要小心操作，用力適當。 3如發現儀器有故障時，不得擅自拆修，應立即報告指導老師。4學生應

2、積極動手操作，并獨立完成實驗和實驗報告。5實驗完畢，要切斷電源，清理實驗場地，將所用的實驗設備整理好，放回原處，認真書寫實驗報告。經教師同意后，方可離開實驗室。6凡不遵守實驗守則經指出而不改正者，教師有權停止其實驗。若情節嚴重，對實驗設備造成損壞者，應負賠償責任，并給予處分。 7在規定的時間內未能完成實驗者，須經實驗室領導同意，或延長實驗時間或另行安排補做時間。實驗報告的內容和要求撰寫實驗報告是訓練學生撰寫科技論文的能力的環節。實驗報告是考核學生學習成績和評估教學質量的重要依據。 學生對所做的實驗應該做到原理清楚，方法和操作步驟正確，實驗數據比較可靠，并且會處理實驗數據。實驗報告應由每個學生獨

3、立完成，用鋼筆、炭素筆或圓珠筆工整書寫。報告內容要層次清楚，文字簡明通順，圖、表清晰，符合漢語規范和法定計量單位。實驗報告一般包含下列7項內容1實驗名稱；2實驗目的：3測量原理；4實驗步驟；5實驗記錄；6實驗數據處理及相應結論；7回答思考題。實驗一 微動工作臺的驅動控制實驗目的：掌握微動工作臺的驅動控制的基本原理和基本方法； 實驗內容：微動工作臺的驅動與控制，微動工作臺的應用； 實驗方法：利用專用驅動控制電路對微動工作臺進行驅動與控制； 實驗要求：學會驅動控制電路的使用方法，對微動工作臺的用途有所了解。一、微動工作臺工作臺的組成：基本上是由工作臺滑板、直線移動導軌、傳動機構、驅動源、控制裝置和

4、位移檢測器等組成。微位移機構(或稱微動工作臺)由微位移器和導軌兩部分組成，根據導軌形式和驅動方式可分成五類：柔性支承、壓電或電致伸縮微位器驅動；滾動導軌，壓電陶瓷或電致伸縮微位移器驅動；滑動導軌，機械式驅動；平行彈性導軌，機械式或電磁、壓電、電致伸縮微位移器驅動；氣浮導軌，伺服電機或直線電機驅動二、微動工作臺的驅動控制1. 微動工作臺是柔性支承、壓電驅動器驅動。2. 壓電陶瓷器件的結構及其特點見表1-1所示。圖1-1 微動工作臺結構簡圖表1-1 壓電陶瓷器件的結構及其特點名稱示意圖位移公式特點疊堆型壓電陶瓷其中：應變系數（m/V）：壓電陶瓷片個數：驅動電壓（V）采用多片壓電陶瓷片粘結而成，可以

5、承受很大的壓力，剛度大，但承受拉力的能力有限。3. 實驗系統：實驗系統的構成如圖1-2所示。其中驅動控制電源基于PC機ISA總線，由在線可編程數字合成信號源和功率放大器構成，是一個開環結構。信號源產生的驅動信號波形輸出至功率放大器進行功率放大，輸出作為壓電驅動器的驅動信號。具有三路輸出，既可輸出連續的周期波形，又可輸出單次的周期波形。圖1-2 實驗系統進行驅動時，首先操作波形數據生成模塊生成波形數據。波形數據是由驅動波形中的1000個采樣碼組成，由于波形數據存儲單元為12bits，因此波峰處的值總被映射成4095（212），其他值依此映射為04095間的值。生成波形數據的方法包括函數表達式法、

6、加速度曲線法及直接輸入數據三種方法；然后，利用波形數據寫入模塊將生成的波形數據在線寫入電路實現輸出波形的在線編程，存儲波形數據的元件為E2PROM，可以保證斷電后數據不會丟失；下面進入波形發送模塊，該模塊界面如圖1-3所示。發送參數主要包括波形輸出的頻率和電壓。發送參數還包括相位和步行方式。相位主要用于多路發送時，決定各路間的相位差。步行方式可分為連續發送和單步發送兩種。采用單步發送方式時應輸入發送的次數，在發送完指定的次數后會自動停止。圖1-3 波形發送模塊界面測微儀采用MDS系列多量程LVDT測微儀。MDS系列多量程LVDT測微儀是適用于多種測量范圍的高精度微位移檢測儀，可以實現微米級直至

7、納米級的高精度微位移檢測，廣泛應用于國防，生物工程，微電子工業，光纖通信等各種需要動靜態微位移檢測的領域，具有性能優越，測量精度高，價格低等優點。4 實驗步驟：（1）將工作臺固定于防震臺上，將各部件安要求連接起來：驅動器與電源連接，測微傳感器安裝固定等；（2）打開驅動控制電源的軟件，按所需發送控制信號； （3）測微儀測量，并在示波器上觀察輸出位移波形；記錄實驗結果。實驗二 微位移測量目的：掌握微位移測量的基本方法和數據處理方法；內容：測微儀的使用，微位移測量；方法：利用測微儀對微位移進行測量；要求：學會使用測微儀并按操作方法進行測量，對測量所得數據進行正確處理。一、 傳感器介紹1.測量微位移傳

8、感器的類型電阻應變式位移傳感器；電容式位移傳感器；電感式位移傳感器；光柵、磁柵、容柵式傳感器；光干涉測量法等；2.各種傳感器的原理和特點 1）電阻應變式位移傳感器 原理就是將位移量變成金屬或半導體應變片的應變，引起應變片的電阻變化。優點：從理論上講，其分辨率很高；成本低；缺點：接觸式測量；受溫度、襯底材料和粘貼的影響。 2）電容式傳感器其原理是將位移量轉化為電容值的變化，有變間隙式、變面積式和變界電常數式三種。 優點：靈敏度高，分辨率高，精度可靠，屬于非接觸式測量，動態響應快，發熱小。 缺點：容易受寄生電容和外界的干擾。 3）干涉法測量法 其原理是利用兩束相干光，一束照向被測表面，另一束照向樣

9、本表面，兩束反射光形成干涉條紋，干涉條紋的亮度取決于兩束光的光程差。常用的是雙頻激光測量法。優點：量程大，分辨率高，抗干擾能力好。 缺點：系統龐大，造價昂貴。 4）光柵、磁柵、容柵式傳感器光柵傳感器的優點：分辨率高、精度好、不受磁場、電場的影響。缺點是價格昂貴。 磁柵的原理和磁帶的原理大致相同。優點：成本低廉、使用方便，特別是在油污、粉塵較多的環境下是用有較好的穩定性。缺點是易受磁場影響，精度較低。 容柵的原理是光柵傳感器和變面積式電容傳感器的結合。優點是體積小、造價低、抗干擾能力強、分辨率和精度較高。缺點是制造的廢品率較高，應用還不廣泛。5）電感測量法原理是將位移的變化量轉化為互感或自感的變

10、化。前者稱為線性差動變壓器式傳感器；后者稱為線性差動自感式傳感器。有結構簡單，體積小、易于安裝、分辨率高等優點；但是其處理電路較為復雜，對于它的精度、穩定性影響較大。隨著一些專用集成信號條理芯片的出現，其應用范圍進一步擴大。綜合考慮各種傳感器的優缺點，結合微動平臺的需要，選擇電感傳感器作為微位移的檢測傳感器。二、LVDT傳感器的原理、應用LVDT是電感傳感器的一種，其工作原理是基于互感的變化，把被測量的變化轉換為互感系數的變化，其基本結構如圖2-1所示。圖2-1 LVDT電感傳感器的基本結構1是磁芯，2是磁筒，3是框架，N1是初級線圈，N2a和N2b是次級線圈。信號處理電路提供交流信號電壓，激

11、勵傳感器的初極線圈，經過磁芯耦合，次極線圈產生同頻率交流電壓輸出。由LVDT輸出交流信號又輸入到信號處理電路，經過內部轉換，把交流信號轉化為直流電壓信號。磁芯在兩個耦合線圈內移動，直流電壓信號與磁芯的位移成正比。這樣就可通過測定信號處理電路輸出的直流電壓來測定磁芯移動距離。下圖為兩種常見的LVDT傳感器及其用途，其中分體式的主要優點是響應速度快，適合集成到機構內部。回彈式的主要優點是使用方便靈活，適用于外部測量。 分體式傳感器 回彈式傳感器 圖2-2 兩種常見的LVDT傳感器及其用途三、微位移的測量采用MDS系列多量程LVDT測微儀。MDS系列多量程LVDT測微儀是適用于多種測量范圍的高精度微

12、位移檢測儀，可以實現微米級直至納米級的高精度微位移檢測，廣泛應用于國防，生物工程，微電子工業，光纖通信等各種需要動靜態微位移檢測的領域，具有性能優越，測量精度高，價格低等優點。圖2-3 MDS - LVDT 測微儀測微儀操作方式有：1. 面板操作圖2-4 面板測量微位移時，由于微弱的振動都會影響測量的準確性。因此，測量應在穩定的工作臺上進行。微位移測量過程如下： 1)根據測量范圍確定量程，如測量范圍為1 50 µm，應選D、E或F檔； 2)觀看微位移測量是否超出測量范圍，如果超出測量范圍，應把LVDT測頭調整到測量范圍內；3)如果在測量范圍內，儀器將實時顯示測量的位移量。2. 本儀器

13、設有RS一232串行通信口，使用所帶串口線連接測微儀與計算機，從而把測量數據傳給計算機，通過計算機軟件讀取位移值。3. 模擬電壓顯示狀態實驗系統：其中微動工作臺驅動器是壓電陶瓷驅動器，電源為其專用電源。圖2-5 實驗系統實驗三 伺服系統控制實驗目的：掌握不同伺服系統的工作原理與特點；內容：電機的驅動與控制，開環伺服系統實驗，閉環伺服系統實驗；方法：利用伺服系統對工作臺的移動進行控制與檢測；要求：學會電機的驅動控制及不同伺服系統的使用。一、 開環伺服系統實驗這種系統通常是采用步進電機作為驅動元件。步進電機每接受一個指令脈沖，電機軸就轉動相應的角度，驅動工作臺移動。開環系統的最高移動速度受到步進電

14、機頻率特性的限制，精度則完全取決于電機、齒輪副、絲杠螺母副和工作臺導軌等部件的精度。其最典型的實驗系統如圖3-1所示。圖3-1 開環伺服實驗系統工作臺有多種形式。按驅動方式來劃分大體有兩種：（1）x向，y向電機與滑板聯成一體兩層迭合的形式(見圖3-2(a)； 結構比較簡單，但卻造成底層的重量增大，電機的振動也會影響工作臺的精度；（2）電機不與工作臺聯成一體，而是均固定在基座導軌平面上(見圖3-2(b)；機械結構較復雜，但卻減輕了下層機的驅動重量，適用于高速運動。 (a) (b)圖3-2 (a) 與電機聯成一體的工作臺 (b) 與電機不聯成一體的工作臺本次實驗工作臺二維精密工作臺使用步進電機驅動

15、，精密滾珠絲杠傳動，導軌為直線導軌，如圖3-3所示。可以達到1m的定位精度，最大行程為80mm，最大速度60mm·s-1 。圖3-3 二維精密工作臺工作臺的控制采用8051單片機，封裝在控制箱內，可同時對三軸輸出。其操作方式有2種：1）通過面板（見圖3-4所示）手動控制, 開機后控制器進入運行頁(RUN)，若設置的參數丟失，則進入設置頁；2）通過RS232接口實現與計算機之間的通信，然后編程進行軟件控制。通過設置工作臺兩個軸的行程、速度和方向，可以使兩個軸的運動合成這樣的軌跡。圖3-4 控制面板二、閉環伺服系統實驗閉環控制系統的突出優點是控制精度高、抗干擾能力強，只要被控制量的實際值偏離給定值，閉環控制就會產生控制作用來減小這一偏差。這種系統的特點是在工作臺上裝有位置檢測裝置，可以隨時測量工作臺的實際位移，進而將測定值反饋到數字控制裝置中的比較器中與指令信號進行比較，并用比較后的差值進行控制，因此能校正傳動鏈內由于電器、