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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

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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]. , 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]. , 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 SciencesXDA15020704

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
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出版历程
  • 收稿日期:2019-11-03
  • 修回日期:2019-12-09
  • 刊出日期:2020-04-01

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