电压放大器在集成电容传感器研究实验中的应用

实验名称：集成电容传感器的压电致动大角度FSM实验研究

研究方向：压电快反镜、基于动力学模型输入-输出特性验证、基于电容传感器反馈PID闭环控制验证、压电致动FSM静动态特性测试验证、变幅值/变频率驱动信号控制效果验证

实验目的：开发集成电容传感器反馈的压电致动大角度FSM原型并搭建对应的实验测试系统，通过实验测试该FSM的静力学和动力学特性（包括扫描角度、角度阶跃响应、角度分辨率、固有频率等），验证所建立的动力学模型对FSM输入-输出特性的表征有效性，同时验证基于电容传感器反馈的闭环控制器在补偿压电陶瓷迟滞特性、提高扫描角度精度方面的效果，最终通过变幅值和变频率驱动信号的控制实验，确认该FSM在光束调控技术领域的潜力和实用性。

测试设备：电压放大器(Aigtek的ATA-2041)、集成电容传感器反馈的压电致动大角度FSM原型、激光多普勒测振仪（Polytec，OFV-505/5000）、信号调理电路、计算机等。

实验过程：先开发尺寸为40mm×40mm×20mm的集成电容传感器反馈压电致动大角度FSM原型，搭建实验测试系统，先对电容传感器进行标定，再通过施加不同驱动信号测试FSM的扫描角度、角度阶跃响应、角度分辨率及固有频率等静动态特性，同时验证了动力学模型对变幅值和变频率驱动信号下输入-输出特性的表征有效性，最后搭建基于PID控制的闭环控制器并整定参数，针对变幅值（锯齿波、阶跃、方波）和变频率（1Hz、10Hz、20Hz锯齿波）驱动信号开展闭环控制实验，量化分析控制精度以验证闭环控制对迟滞特性的补偿效果及FSM的实用潜力。

图1：系统原理图

图2：实验平台

实验结果：

1、开发出40mm×40mm×20mm的FSM原型，搭建含激光多普勒测振仪的实验系统，电容传感器标定灵敏度为0.204°/mV。

2、120V驱动下FSM最大扫描角度3.50°、分辨率10μrad、固有频率210.7Hz，阶跃响应超调量40.57%、响应时间2.2ms。

3、动力学模型在变幅值和变频率驱动下，与实验结果吻合度高。

4、基于PID控制器的闭环控制有效补偿迟滞，低频率信号控制精度优于高频率。

图3：角度大小实验中的时间响应曲线和扫描角度迟滞环

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图：ATA-2041高压放大器指标参数

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