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原文传递双轴平动自传感超分辨率成像平台及方法

专利名称：	双轴平动自传感超分辨率成像平台及方法
摘要：	一种双轴平动自传感超分辨率成像平台及方法，该双轴平动台包括最上部的通光顶盖、四个驱动压电堆、平动自传感部件及带支撑解耦单元的底座；X轴和Y轴位移传感测量单元均包括位于四边形平台四角的刚性支撑镜像于四边形平台对角线呈45°的一对柔性金属梁及其末端固定连接的平台位移输出单元；每根柔性金属梁的根部附近上下表面均贴有电阻应变片；四组两级放大压电驱动输入单元垂直交叉分布，与X轴和Y轴位移输出单元呈“米”字形排布位于四边形平台两对角线上；本发明具有输入输出单元分离，机构通过构建悬臂梁结构，实现机构自传感功能；输入端位移两级放大，且驱动单元沿对角线交叉排布使沿双主轴向有效行程增大；由于“米”字形排布，平台结构也更紧凑。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安交通大学
发明人：	廖诚;徐明龙;肖瑞江;胡方泽;嵇辉
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-17T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-09T00:00:00+0800
申请号：	CN201910308901.X
公开号：	CN110104227A
代理机构：	西安智大知识产权代理事务所
代理人：	何会侠
分类号：	B64G1/66(2006.01);B;B64;B64G;B64G1
申请人地址：	710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
主权项：	1.一种双轴平动自传感超分辨率成像平台，其特征在于：从上至下包括通光顶盖(1)、平动自传感部件(3)和底座(4)，位于通光顶盖(1)四角的四个安装孔与平动自传感部件(3)四角安装孔通过螺钉相连接；平动自传感部件(3)包括中部的通光孔以及设置在通光孔周围的输入单元、输出单元和传感单元；所述输出单元包括位于Y负半轴上的第一“H”型解耦导向机构、位于X负半轴上的第二“H”型解耦导向机构、位于Y正半轴上的第三“H”型解耦导向机构和位于X正半轴上的第四“H”型解耦导向机构；所述输入单元包括位于第一“H”型解耦导向机构和第四“H”型解耦导向机构间的第一驱动装置、位于第一“H”型解耦导向机构和第二“H”型解耦导向机构间的第二驱动装置、位于第二“H”型解耦导向机构和第三“H”型解耦导向机构间的第三驱动装置以及位于第三“H”型解耦导向机构和第四“H”型解耦导向机构间的第四驱动装置，相邻的驱动装置间夹角为90°；所述第一驱动装置包括第一驱动压电堆(2-1)通过预压安装在平动自传感部件(3)中的第一菱形环(3-1)内，第一菱形环(3-1)靠近通光孔侧通过螺钉与底座(4)上的第一内侧凸台(4-1)相固结；第一菱形环(3-1)远离通光孔侧通过两个柔性铰链分别与一对关于第一菱形环(3-1)短轴对角线镜像对称的第一杠杆(3-3)相连接；一对关于第一菱形环(3-1)短轴对角线镜像对称的第一固定支点块(3-2)靠四颗螺钉与底座(4)上的第一外侧凸台(4-2)相固结，同时第一固定支点块(3-2)通过两个柔性铰链分别与一对第一杠杆(3-3)相连接；一对关于第一菱形环(3-1)短轴对角线镜像对称的第一连接直杆(3-4)靠近通光孔端与通光孔延伸出来的“V”型凸台通过一对柔性铰链相连接，远离通光孔端与一对第一杠杆(3-3)通过一对柔性铰链相连接；同样的，第二驱动装置包括第二驱动压电堆(2-2)通过预压安装在平动自传感部件(3)中的第二菱形环(3-1)内，第二菱形环(3-1)靠近通光孔侧通过螺钉与底座(4)上的第二内侧凸台(4-5)相固结；第二菱形环(3-1)远离通光孔侧通过两个柔性铰链分别与一对关于第二菱形环(3-1)短轴对角线镜像对称的第二杠杆(3-11)相连接；一对关于第二菱形环(3-1)短轴对角线镜像对称的第二固定支点块(3-10)靠四颗螺钉与底座(4)上的第二外侧凸台(4-4)相固结，同时第二固定支点块(3-10)通过两个柔性铰链分别与一对第二杠杆(3-11)相连接；一对关于第二菱形环(3-1)短轴对角线镜像对称的第二连接直杆(3-12)靠近通光孔端与通光孔延伸出来的“V”型凸台通过一对柔性铰链相连接，远离通光孔端与一对第二杠杆(3-11)通过一对柔性铰链相连接；同样的，第三驱动装置包括第三驱动压电堆(2-3)通过预压安装在平动自传感部件(3)中的第三菱形环(3-17)内，第三菱形环(3-17)靠近通光孔侧通过螺钉与底座(4)上的第三内侧凸台(4-8)相固结；第三菱形环(3-17)远离通光孔侧通过两个柔性铰链分别与一对关于第三菱形环(3-17)短轴对角线镜像对称的第三杠杆(3-19)相连接；一对关于第三菱形环(3-17)短轴对角线镜像对称的第三固定支点块(3-18)靠四颗螺钉与底座(4)上的第三外侧凸台(4-7)相固结，同时第三固定支点块(3-18)通过两个柔性铰链分别与一对第三杠杆(3-19)相连接；一对关于第三菱形环(3-17)短轴对角线镜像对称的第三连接直杆(3-20)靠近通光孔端与通光孔延伸出来的“V”型凸台通过一对柔性铰链相连接，远离通光孔端与一对第三杠杆(3-19)通过一对柔性铰链相连接；同样的，第四驱动装置包括第四驱动压电堆(2-4)通过预压安装在平动自传感部件(3)中的第四菱形环(3-25)内，第四菱形环(3-25)靠近通光孔侧通过螺钉与底座(4)上的第四内侧凸台(4-11)相固结；第四菱形环(3-25)远离通光孔侧通过两个柔性铰链分别与一对关于第四菱形环(3-25)短轴对角线镜像对称的第四杠杆(3-27)相连接；一对关于第四菱形环(3-25)短轴对角线镜像对称的第四固定支点块(3-26)靠四颗螺钉与底座(4)上的第四外侧凸台(4-10)相固结，同时第四固定支点块(3-26)通过两个柔性铰链分别与一对第四杠杆(3-27)相连接；一对关于第四菱形环(3-25)短轴对角线镜像对称的第四连接直杆(3-28)靠近通光孔端与通光孔延伸出来的“V”型凸台通过一对柔性铰链相连接，远离通光孔端与一对第四杠杆(3-27)通过一对柔性铰链相连接；所述位于Y负半轴上的第一“H”型解耦导向机构包括与通光孔一体连接的第一“T”型凸台(3-7)，第一“T”型凸台(3-7)短边通过第一四段柔性梁(3-8)与外部“П”形框连接；同理，位于X负半轴上的第二“H”型解耦导向机构包括与通光孔一体连接的第二“T”型凸台(3-15)，第二“T”型凸台(3-15)短边与通过第二四段柔性梁(3-16)与外部“П”形框连接；位于Y正半轴上的第三“H”型解耦导向机构包括与通光孔一体连接的第三“T”型凸台(3-23)，第三“T”型凸台(3-23)短边与通过第三四段柔性梁(3-24)与外部形框连接；位于X正半轴上的第四“H”型解耦导向机构包括与通光孔一体连接的第四“T”型凸台(3-31)，第四“T”型凸台(3-31)短边与通过第四四段柔性梁(3-32)与外部“П”形框连接；所述传感单元包括第一传感装置、第二传感装置、第三传感装置和第四传感装置；所述第一传感装置包括一对平行于X轴的第一柔性悬臂梁(3-6)的始端分别与第一固定支撑角(3-5)和第二固定支撑角(3-13)固定连接，第一柔性悬臂梁(3-6)的末端固定连接于第一“H”型解耦导向机构，第一柔性悬臂梁(3-6)靠近始端根部附近上下表面分别对称贴有两片电阻应变片，接入相应的外部信号处理电路组成两个半桥电路；同理，第二传感装置包括一对平行于Y轴的第二柔性悬臂梁(3-14)的始端分别与第二固定支撑角(3-13)和第三固定支撑角(3-21)固定连接，第二柔性悬臂梁(3-14)的末端固定连接于第二“H”型解耦导向机构，第二柔性悬臂梁(3-14)靠近始端根部附近上下表面分别对称贴有两片电阻应变片，接入相应的外部信号处理电路组成两个半桥电路；第三传感装置包括一对平行于X轴的第三柔性悬臂梁(3-22)的始端分别与第三固定支撑角(3-21)和第四固定支撑角(3-29)固定连接，第三柔性悬臂梁(3-22)的末端固定连接于第三“H”型解耦导向机构，第三柔性悬臂梁(3-22)靠近始端根部附近上下表面分别对称贴有两片电阻应变片，接入相应的外部信号处理电路组成两个半桥电路；第四传感装置包括一对平行于Y轴的第四柔性悬臂梁(3-30)的始端分别与第四固定支撑角(3-29)和第一固定支撑角(3-5)固定连接，第四柔性悬臂梁(3-30)的末端固定连接于第四“H”型解耦导向机构，第四柔性悬臂梁(3-30)靠近始端根部附近上下表面分别对称贴有两片电阻应变片，接入相应的外部信号处理电路组成两个半桥电路。 2.根据权利要求1所述的一种双轴平动自传感超分辨率成像平台，其特征在于：所述底座(4)上设置有支撑单元，支撑单元包括第一支撑解耦虎克铰(4-3)、第二支撑解耦虎克铰(4-6)、第三支撑解耦虎克铰(4-9)和第四支撑解耦虎克铰(4-12)，第一支撑解耦虎克铰(4-3)与通光孔延伸出来的“V”型凸台上的第一安装孔(3-41)配合，第二支撑解耦虎克铰(4-6)与通光孔延伸出来的“V”型凸台上的第二安装孔(3-42)配合，第三支撑解耦虎克铰(4-9)与通光孔延伸出来的“V”型凸台上的第三安装孔(3-43)配合，第四支撑解耦虎克铰(4-12)与通光孔延伸出来的“V”型凸台上的第四安装孔(3-44)配合。 3.根据权利要求2所述的一种双轴平动自传感超分辨率成像平台，其特征在于：所述第一支撑解耦虎克铰(4-3)包括一对平行的柔性铰链(4-3-1)和柔性铰链(4-3-2)与另一对相互平行的柔性铰链(4-3-3)和柔性铰链(4-3-4)，两组铰链分别垂直，实现支撑解耦功能；第二支撑解耦虎克铰(4-6)、第三支撑解耦虎克铰(4-9)和第四支撑解耦虎克铰(4-12)与第一支撑解耦虎克铰(4-3)的结构相同。 4.根据权利要求1至3任一项所述的一种双轴平动自传感超分辨率成像平台的作动方法，其特征在于：当第一驱动装置中第一驱动压电堆(2-1)施加正电压控制信号时，第一驱动压电堆(2-1)沿轴向伸长，带动第一菱形环(3-1)沿长轴对角线方向伸长，从而短轴对角线相应缩短，通过柔性铰链连接带动一对第一杠杆(3-3)分别绕第一固定支点块(3-2)沿第一菱形环(3-1)短轴对角线呈镜像转动，带动一对第一连接直杆(3-4)同时实现沿与X正半轴呈45°且与Y负半轴也呈45°的离心运动；同理，当第四驱动装置中第四驱动压电堆(2-4)施加正电压控制信号时，第四驱动压电堆(2-4)沿轴向伸长，带动第四菱形环(3-25)沿长轴对角线方向伸长，从而短轴对角线相应缩短，通过柔性铰链连接带动一对第四杠杆(3-27)分别绕第四固定支点块(3-26)沿第四菱形环(3-25)短轴对角线呈镜像转动，带动一对第四连接直杆(3-28)同时实现沿与X正半轴呈45°且与Y正半轴也呈45°的离心运动；相反，当第二驱动装置中第二驱动压电堆(2-2)施加相反负电压控制信号时，第二驱动压电堆(2-2)沿轴向收缩，带动第二菱形环(3-9)沿长轴对角线方向缩短，从而短轴对角线相应伸长，通过柔性铰链连接带动一对第二杠杆(3-11)分别绕第二固定支点块(3-10)沿第二菱形环(3-9)短轴对角线呈镜像转动，带动一对第二连接直杆(3-12)同时实现沿与X负半轴呈45°且与Y负半轴也呈45°的向心运动；当第三驱动装置中第三驱动压电堆(2-3)施加负电压控制信号时，第三驱动压电堆(2-3)沿轴向收缩，带动第三菱形环(3-17)沿长轴对角线方向缩短，从而短轴对角线相应伸长，通过柔性铰链连接带动一对第三杠杆(3-19)分别绕第三固定支点块(3-18)沿第三菱形环(3-17)短轴对角线呈镜像转动，带动一对第三连接直杆(3-20)同时实现沿与X负半轴呈45°且与Y正半轴也呈45°的向心运动；第一驱动装置和第四驱动装置共同作用，实现沿Y方向运动相互抵消，沿X正向运动叠加合成，构成一组对通光孔的驱动拉力；第二驱动装置和第三驱动装置共同作用，实现沿Y方向运动相互抵消，沿X正向运动叠加合成，构成一组对通光孔的驱动推力，四组驱动装置共同作用，实现通光孔沿X正向运动；所述通光孔沿Y正向运动基于类似的控制方法，对第一驱动压电堆(2-1)和第二驱动压电堆(2-2)施加负电压控制信号，第三驱动压电堆(2-3)和第四驱动压电堆(2-4)施加正电压控制信号时，四组驱动装置共同作用，实现通光孔沿Y正向运动。 5.根据权利要求1至3任一项所述的一种双轴平动自传感超分辨率成像平台的微位移传感测量方法，其特征在于：当第一驱动压电堆(2-1)和第四驱动压电堆(2-4)施加正电压控制信号，第二驱动压电堆(2-2)和第三驱动压电堆(2-3)施加负电压控制信号时，通光孔沿X正向运动，带动第二H”型解耦导向机构和第四“H”型解耦导向机构沿X正向运动，由于第二传感装置中第二“H”型解耦导向机构与一对平行于X轴的第二柔性悬臂梁(3-14)末端相连，第四传感装置中第四“H”型解耦导向机构与一对平行于X轴的第四柔性悬臂梁(3-30)末端相连，当第二H”型解耦导向机构和第四“H”型解耦导向机构沿X正向运动带动时，第二柔性悬臂梁(3-14)和第四柔性悬臂梁(3-30)在末端产生沿X正向的挠度，同时在第二柔性悬臂梁(3-14)和第四柔性悬臂梁(3-30)分别靠近对应固定支撑角根部产生大的应变；此时，贴在第二柔性悬臂梁(3-14)和第四柔性悬臂梁(3-30)靠近始端根部附近的电阻应变片会产生应变，且根部产生的应变与相应端部产生的挠度成线性关系；因此，通过测量第二柔性悬臂梁(3-14)和第四柔性悬臂梁(3-30)的根部应变信息就能够计算相应的挠度，从而得到通光孔沿X正向微位移；所述通光孔沿Y向微位移测量原理与通光孔沿X向微位移测量原理相同；从而实现以应变反馈方式传感测量出平台微位移的功能。
所属类别：	发明专利