實驗名稱：集成電容傳感器的壓電致動大角度FSM實驗研究

研究方向：壓電快反鏡、基于動力學模型輸入-輸出特性驗證、基于電容傳感器反饋PID閉環控制驗證、壓電致動FSM靜動態特性測試驗證、變幅值/變頻率驅動信號控制效果驗證

實驗目的：開發集成電容傳感器反饋的壓電致動大角度FSM原型并搭建對應的實驗測試系統，通過實驗測試該FSM的靜力學和動力學特性（包括掃描角度、角度階躍響應、角度分辨率、固有頻率等），驗證所建立的動力學模型對FSM輸入-輸出特性的表征有效性，同時驗證基于電容傳感器反饋的閉環控制器在補償壓電陶瓷遲滯特性、提高掃描角度精度方面的效果，最終通過變幅值和變頻率驅動信號的控制實驗，確認該FSM在光束調控技術領域的潛力和實用性。

測試設備：電壓放大器(Aigtek的ATA-2041)、集成電容傳感器反饋的壓電致動大角度FSM原型、激光多普勒測振儀（Polytec，OFV-505/5000）、信號調理電路、計算機等。

實驗過程：先開發尺寸為40mm×40mm×20mm的集成電容傳感器反饋壓電致動大角度FSM原型，搭建實驗測試系統，先對電容傳感器進行標定，再通過施加不同驅動信號測試FSM的掃描角度、角度階躍響應、角度分辨率及固有頻率等靜動態特性，同時驗證了動力學模型對變幅值和變頻率驅動信號下輸入-輸出特性的表征有效性，最后搭建基于PID控制的閉環控制器并整定參數，針對變幅值（鋸齒波、階躍、方波）和變頻率（1Hz、10Hz、20Hz鋸齒波）驅動信號開展閉環控制實驗，量化分析控制精度以驗證閉環控制對遲滯特性的補償效果及FSM的實用潛力。

圖1：系統原理圖

圖2：實驗平臺

實驗結果：

1、開發出40mm×40mm×20mm的FSM原型，搭建含激光多普勒測振儀的實驗系統，電容傳感器標定靈敏度為0.204°/mV。

2、120V驅動下FSM最大掃描角度3.50°、分辨率10μrad、固有頻率210.7Hz，階躍響應超調量40.57%、響應時間2.2ms。

3、動力學模型在變幅值和變頻率驅動下，與實驗結果吻合度高。

4、基于PID控制器的閉環控制有效補償遲滯，低頻率信號控制精度優于高頻率。

圖3：角度大小實驗中的時間響應曲線和掃描角度遲滯環

產品推薦：ATA-2041

圖：ATA-2041高壓放大器指標參數

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審核編輯 黃宇