[发明专利]极低温低热耗散精密压电陶瓷旋转台

说明书

一种低热耗散压电陶瓷旋转台，包括机械放大结构、驱动装置、角度传感系统和总控系统，其中：机械放大结构，包括两组互相垂直放置的全同子结构，相对的两个子结构组成一组，两组子结构通过静摩擦力交替搓动转轴，避免滑动摩擦，从而降低旋转产生的热耗散；角度传感系统，包括由探测电极、输入电极、接地电极和输出电极构成的电容阻抗传感器，所述角度传感系统用于无热耗散高精度测量旋转角度，传递信号给控制系统以实现闭环控制；总控制系统，包括用于测量电容传感器信号的测量系统、用于控制压电陶瓷堆电激励的压电陶瓷控制系统和作为总控制系统的输入和输出的计算机。

技术领域

本发明涉及精密旋转控制技术领域和极低温测量技术领域，尤其涉及一种极低温低热耗散精密压电陶瓷旋转台。

背景技术

精密压电陶瓷旋转台被广泛应用于电学输运测量系统与光学度量衡系统等精密测量系统中用来精确转动样品或者实验装置。压电陶瓷位移台受制于压电陶瓷本身形变量较小，大行程的各类位移台一般需要由柔性铰链和杠杆放大结构构成机械放大结构，并配合多组压电陶瓷堆的交替动作来实现。在压电陶瓷的动作方式上主要有惯性驱动、尺蠖驱动与行走驱动等。

惯性驱动的基本原理是压电陶瓷堆通过电激励形变，利用静摩擦力将位移台面或者转轴等被驱动部件向目标方向移动，然后反向电激励使得压电陶瓷迅速回复初始状态，被驱动部件由于惯性作用基本不受压电陶瓷堆的反向回复动作影响，通过反复这一过程，使得位移台能实现大行程位移。

尺蠖驱动的原理是通过压电陶瓷管在导杆两侧依次加紧导杆，然后再通过一组压电陶瓷管形变推动导杆和压电陶瓷管运动，从而实现步进，实现大行程位移。

行走驱动则利用同时能够进行伸长形变和切向形变的压电陶瓷堆，或者将切向形变压电陶瓷堆粘接再伸长形变的压电陶瓷堆上。导杆两侧的压电陶瓷堆交替成对进行压紧导杆然后再切向形变使得导杆向目标方向位移。

在现有技术中公开了一种利用摩擦片带动通过轴承固定的位移台的旋转结构，即是一种惯性驱动位移台，这种惯性驱动的缺点是运动精度不高，无法用于亚纳米级精密驱动控制，且往往无法避免滑动摩擦产生的热量。对于极低温获得装置，在100mK温度下其制冷功率通常仅有数百微瓦，很容易被前述的滑动摩擦产生的发热功率压制，使得系统在位移台动作之后需要等待较长时间才能达到目标工作温度；尺蠖驱动可以具有较高驱动精度，但是和惯性驱动一样无法避免滑动摩擦的出现；行走驱动可以实现无滑动的摩擦驱动，但是对于极低温系统，压电陶瓷本身的形变量受热胀冷缩效应影响会大幅减小，仅通过压电陶瓷自身形变的驱动效率很低，并且行走驱动对于负责伸缩的压电陶瓷堆加工精度要求较高，易受温度变化影响。

通过利用机械放大结构可以提高位移台的动作效率，但是会降低结构的整体刚度和位移分辨率，而且机械结构本身在极低温环境下整体结构的热形变大小可以达到与压电陶瓷堆自身的形变相比拟，使得极低温下正常驱动需要采用与常温下不同的结构尺寸或者校准量，使用起来较为繁琐。结构刚度低会导致位移台共振频率降低，导致位移台容易与环境机械振动噪音耦合，不利于精密驱动。

压电位移台的定位传感装置通常使用碳膜电阻，碳膜电阻自身结构会导致滑动摩擦，碳膜电阻测量时通电也会直接产生电阻热，会对制冷装置产生较大负面影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种极低温低热耗散精密压电陶瓷旋转台，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种低热耗散压电陶瓷旋转台，包括机械放大结构、驱动装置、角度传感系统和总控系统，其中：

机械放大结构，包括两组互相垂直放置的全同子结构，相对的两个子结构组成一组，两组子结构通过静摩擦力交替搓动转轴，避免滑动摩擦，从而降低旋转产生的热耗散；

角度传感系统，包括由探测电极、输入电极、接地电极和输出电极构成的电容阻抗传感器，所述角度传感系统用于无热耗散高精度测量旋转角度，传递信号给控制系统以实现闭环控制；