基于PLZT光致形变特性的光控非接触式微镜驱动与控制研究

To solve the problem of electromagnetic interference of micro-mirror driven, the optical drive and non-contact control of the micro-mirror is studied based on the green drive and direct drive characteristic of PLZT actuator in this project. With influencing factor research and hysteresis analysis of photodeformation of PLZT, the photostrictive mathematical model is revised and improved. The driven mechanism of three configurations of PLZT actuator is studied. A method which can eliminate residual strain rapidly is presented for monilithic actuator. The mathematic model of bimorph actuator illuminated by two light sources with ON/OFF alternative actuation is established. The equivalent driving force of Rainbow actuator irradiated with light is deduced. The light-driven apparatus which has movement and rotation mode for micro-mirror is designed based on the PLZT actuators. The mathematic models with light-electric-temperature-elastic field coupling are established for the micro-mirror's movement and rotation mode. Suitable control scheme for the optical and non-contact drive system is obtained through combining the illumination method and the control algorithm, considering the nonlinear, hysteretic and complicated characteristic of photo-induced response of PLZT. The effect of control scheme is validated with simulation and experiment. In this project, a novel drive method for micro-mirror is presented. And the photodeformation theory of PLZT is improved. The application of PLZT in micro-driven and smart structure is promoted.

针对目前微镜驱动方式存在的电磁噪声干扰等问题，本项目基于PLZT致动器具有的绿色驱动和直接驱动的特点，对微镜实施光控非接触式驱动与控制。通过对PLZT光致形变影响因素研究、迟滞分析，修正和完善光致伸缩数学模型；对三种构型PLZT致动器驱动机理进行研究，提出一种快速消除残余光致应变的方法；建立双晶片构型在双光源ON/OFF交替激励下的数学模型；并推导Rainbow构型在光照下的等效驱动力；基于PLZT致动器设计一种具有平移及旋转自由度的光控非接触式微镜驱动装置，并建立微镜在平移及旋转状态下的光电热力耦合数学模型；针对PLZT光致响应的非线性、迟滞性和复杂性，采用光源激励策略与控制算法相结合的方式，确定适合光控非接触式微镜驱动系统的控制策略，并利用仿真与实验验证该控制策略的有效性。本项目提供一种新型的微镜驱动方式，可完善PLZT的光致形变理论，推动PLZT在微驱动与智能结构领域的应用。

为了满足微镜在真空、外太空中等特殊场合应用的要求，实现远程非接触式控制，并解决传统微镜驱动方式存在的电磁干扰问题，本项目基于镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷的反常光生伏特效应及光致伸缩效应研究，提出了新型的光控非接触式微镜驱动机理，通过光-电-热-力多能场转换，实现对微镜的非接触式驱动，具有驱动清洁、远程光控、无电磁干扰的优点。首先，通过PLZT陶瓷光致多物理场耦合特性静态实验，研究了光照阶段光生电压与光致形变的变化规律、光致形变与光生电压之间的迟滞现象、光停后PLZT陶瓷电极间出现的反向电压以及残余电压/应变的变化规律；通过影响因素分析实验，证实了由光热效应引起PLZT陶瓷的温度变化是导致光致形变与光生电压之间的存在迟滞现象的主要因素，并指出该影响因素在构建PLZT陶瓷数学模型时不可被忽略；基于此，通过对光照作用下PLZT陶瓷内部的光-热-电-力多物理场耦合机制进行分析，建立了PLZT陶瓷光致多物理场耦合数学模型，该学数学模型为PLZT陶瓷光致形变与光致电压在光照与光停阶段的变化规律提供了理论依据，并通过了实验验证；针对PLZT陶瓷光致形变响应速度缓慢及光停后存在的残余电压/应变，提出了隔离温度影响、光停接地以及光停反向照射等三种改进措施，有效改善了PLZT陶瓷的驱动性能；提出了基于PLZT陶瓷的新型光控驱动机制，并对其驱动性能进行了理论分析，基于此设计了四自由度的光控非接触式微镜装置，并建立了其动力学模型；最后，对光控非接触式微镜驱动系统的控制策略进行了研究，开展了PLZT陶瓷光伺服系统的光致形变On-Off控制策略实验，得到了良好的控制效果。本项目的开展及取得的成果，为PLZT陶瓷在微驱动领域的应用提供了技术参考；可推动光致形变绿色驱动在微机电系统（MEMS）或微光机电系统（MOEMS）中的应用研究。