規范

操作

PDu150CL框圖

PDu150CL可以在開環或閉環模式下使用。在開環模式下，輸入信號直接連接到功率放大器。注意，放大器輸出使用新穎的低噪聲差分架構，不能接地，例如接地示波器的接地線。

在閉環模式下，輸入信號充當反饋回路的命令信號。應變信號來自附著在壓電或結構上的電阻應變計。

輸出電流

峰值輸出電流為300毫安。此外，每個放大器的最大平均電流為105mA。平均電流有助于計算功耗和平均電源電流。對于正弦波，平均正輸出電流等于Iav=2πIrms=1πIpk.

源電流

放大器的靜態功耗約為2 W或85 mA。通過集電極開路將Enable引腳拉低，可以將該值降至10 mA以下。如果使用風扇，靜態功率增加0.5W，

Is=200×(Iav+0.010)24在哪里Iav是總平均輸出電流。全功率時最大電源電流為0.9A。

功率通帶

功率帶寬是可以無失真再現的最大頻率周期信號。計算器確定給定負載電容的最大工作頻率和所需功率。該計算器包括限流、壓擺率、輸出阻抗和信號帶寬的影響。計算器不包括峰值電流限值的時間常數，當功率帶寬低于100 Hz時，可能不準確。

PDu150CL的標稱壓擺率為38 V/us。因此，正弦波的最大頻率為fmax=38×106π?VL(p?p)因此，150 Vp-p正弦波的最大頻率為80 kHz。

對于容性負載，功率帶寬受到輸出電流的限制。正弦波的最大頻率為fpwr=IpkπVL(p?p)?CL在哪里Ipk是峰值電流極限，VL(p?p)是峰峰值輸出電壓，和CL是有效負載電容。

小信號帶寬

小信號頻率響應

功率放大器噪聲

輸出噪聲包含獨立于負載電容的低頻成分(0.03 Hz至10Hz)；以及與負載電容成反比的高頻分量(10 Hz至1 MHz)。被動冷卻可實現最佳噪聲性能，因為風扇磁場會在輸出中引起mV級干擾。在移除風扇的低噪聲應用中，如果功耗高于5W，則需要一些外部氣流，請參見熱消散.

噪聲是用SR560低噪聲放大器(增益= 1000)、示波器和Agilent 34461A電壓表測量的。低頻噪聲如下圖所示。均方根值為15 uV，峰峰值電壓為100 uV。

0.03赫茲至10赫茲的低頻噪聲。

下表列出了高頻噪聲(10 Hz至1 MHz)與負載電容的關系。0.03 Hz至1 MHz范圍內的總噪聲可通過均方根值求和得到，即σ=σLF2+σHF2.

應變傳感器規格

傳感器連接

PDu150CL與單元素應變傳感器、半橋和全橋傳感器配置兼容。這些不同布置的優點和推薦的連接方法如下所述。合適的應變傳感器可從許多供應商處獲得，包括www.omega.com。PDu150CL可作為校準對與一起購買SCL系列閉環堆疊致動器.

單元素應變儀

在溫度穩定或簡單是優先考慮的應用中，單元素應變傳感器可能很有用。如下所示，推薦配置需要三個電阻與應變計相等的虛擬電阻(R)。當虛擬電阻具有與應變計相同的溫度系數，并且熱連接到應變計時，可以實現最佳的溫度穩定性。

半橋應變傳感器

帶有90度玫瑰花形傳感器的半橋配置具有良好的抗溫度變化能力，分辨率比單個元件高約30%。推薦配置需要兩個與應變計電阻值相等的虛擬電阻(R)。

與壓電膨脹對準的應變元件由(+ε)并且90度元素被表示為(?νε).采用這種慣例是因為壓電材料中的正應變+ε由于泊松比(ν).

全橋應變傳感器

由兩個90度玫瑰花形傳感器構成的全橋配置提供了良好的抗溫度變化能力、最佳的線性度和兩倍于半橋的分辨率；然而，這種配置也需要更多的布線。PDu150CL可作為校準對與一起購買SCL系列閉環堆疊致動器.

與壓電膨脹對準的應變元件由(+ε)并且90度元素被表示為(?νε).采用這種慣例是因為壓電材料中的正應變+ε由于泊松比(ν).

傳感器噪聲和分辨率

由于傳感器噪聲由控制環路的互補靈敏度功能過濾，目標帶寬通常為0.1Hz至100Hz。頻率上限幾乎沒有影響，因為該帶寬內的大部分噪聲來自片上基準電壓源和主增益級的低頻噪聲。電橋電阻為350ω時，折合到輸入端的總噪聲電壓如下圖所示，均方根值為3uV，峰峰值電壓為20uV。

350歐姆電橋的總應變噪聲(0.1Hz至100Hz)

傳感器噪聲可用于估計傳感器分辨率。雙變量元件全橋的感應電壓為[1，2]

Vs=12Ve?GF?ε?(1+ν)在哪里Ve是激勵電壓(5V)，GF是儀表系數(典型值約為2)，ε是菌株，和ν是泊松比(PZT5H為0.34)。對于0.1%的滿量程應變，預期電橋電壓為6.7 mV。因此，預期均方根分辨率為解決=3?紫外線6.7?平均變化=0.045%?全面的

傳感器校準程序

校準電橋調理電路需要以下程序，并且應在傳感器和壓電傳感器連接到PDu150CL的情況下執行。

平衡橋梁

電橋平衡電位計可以解決電橋電阻的小失配。這個步驟優化了橋接電路的溫度靈敏度。

1)將PDu150CL置于開環模式，并對輸入端子施加0V電壓或短路電壓。

2)在S-和S+端子之間連接一個電壓表(不要斷開電橋)。

3)調整電橋平衡電位計，直到測得的電壓為零。

設置靈敏度和偏移

該步驟校準傳感器，使得施加于壓電元件的0V至150V信號產生0V至10V應變信號。

1)逆時針完全轉動傳感器增益電位計(10圈)。

2)確保PDu150CL處于開環模式，并對輸入端子施加0V電壓或短路電壓。

3)監控SNS端子并調整傳感器補償電位計，直到電壓為零。

4)向輸入端子施加7.5V電壓，在壓電元件上產生150V電壓。

5)監控SNS端子并調節傳感器增益電位計，直到電壓為+10V。

變化

上述過程的許多變化是可能的。下面列出了一些有用的選項。

失調和增益可以通過向輸入端施加一個范圍為0V至7.5V的5Hz正弦波來同時調諧，從而在壓電元件上產生0V至150V的電壓。用示波器監控SNS端子，調節傳感器偏移和傳感器增益電位計，直到測得的正弦波在0V和10V之間。

與其將傳感器校準至+10V滿量程，不如采用+5V等其他電壓。

如果壓電元件上的負電壓是可接受的，則可以方便地將整個壓電電壓范圍(例如-30V至+150V)校準為0V至+10V的SNS電壓。這要求校準期間的輸入為-1.5V至+7.5V，而不是0V至+7.5V。

對于具有不同額定電壓的堆致動器，應該相應地選擇校準輸入信號。例如，對于額定電壓為-20V至+100V的壓電傳感器，合適的校準輸入應為-1V至+5V。

閉環操作

校準傳感器后，PDu150CL可以置于閉環模式。閉環系統的結構如下圖所示。

PDu150CL的反饋結構

閉環靈敏度由應變傳感器的靈敏度定義。例如，如果壓電傳感器的滿量程范圍(FSR)為20 um，應變傳感器的校準范圍為0V至10V，則閉環靈敏度為靈敏度=FSR10?V=2?um/V

校準反饋增益

反饋增益決定了系統的閉環帶寬和建立時間。選擇最低的滿意反饋增益以避免不必要的傳感器噪聲通常是有利的。下面描述了一個簡單的校準程序:

1)逆時針完全轉動反饋增益電位計(10圈)。

2)將PDu150CL置于閉環模式，并在輸入端施加一個5V失調的1Vp-p三角波。如果傳感器用10V以外的滿量程校準，則使用等于中間量程的偏移電壓。

3)用示波器監控輸入信號和SNS端子，并增加反饋增益，直到出現過沖。

對于不需要高速跟蹤的應用，不需要上述程序。最小反饋增益是合適的。

為了實現特定的-3dB帶寬，用正弦波代替三角波，并調整反饋增益，直到SNS信號的幅度為0.7 Vp-p。

凈空高度

當傳感器的滿量程范圍校準到壓電傳感器的滿量程范圍時，需要考慮一些“凈空”。為了使控制環路能夠補償熱漂移和蠕變等效應，輸入信號通常被限制在10%至90%的范圍內，以便控制環路可以在下限和上限利用剩余的10%。例如，滿量程范圍為0V至10V的系統，實際閉環輸入范圍為1V至9V。

上述方法的替代方法是在校準期間考慮凈空。例如，可以選擇更小的范圍，例如-15V至+130V，而不是使用滿量程范圍進行校準，例如-30V至+150V。通過使用這種方法，最終的閉環輸入范圍將為0V至10V，這可能比1V至9V更理想。

示例應用程序

在本例中，下圖所示的壓電疊堆致動器(SCL050518)是閉環運行的。該致動器在150V時產生20um的位移，并利用由兩個90度玫瑰花形結構構成的全橋應變傳感器。

PDu150CL經過校準，0V至150V的外加電壓對應0V至10V的應變信號。然后選擇反饋增益，以實現10Hz全量程三角波的良好跟蹤性能，如下所示。

10Hz全程跟蹤性能

對全量程1Hz正弦波輸入的開環和閉環響應如下圖所示。可以觀察到極好的滯后補償。

開環和閉環響應(1Hz正弦波)

在評估總定位噪聲之前，通過施加20 Hz正弦波并改變反饋增益，直到幅度響應為-3dB，來調整反饋增益，以提供精確的20Hz閉環帶寬。這允許與具有相同帶寬的其他方法進行直接比較。

放大器、傳感器和反饋控制器引起的總定位噪聲可以通過測量零伏輸入功率放大器的差分輸出電壓來量化[3]。

差分輸出電壓使用增益為10、通帶為0.03 Hz至1 MHz的SR560低噪聲放大器進行測量。產生的電壓通過壓電靈敏度(20um/150V)進行縮放，并繪制如下。均方根值為8.8納米，50秒內的峰峰值為60納米。這表示均方根分辨率為解決=8.8?納米20?嗯=0.044%?全面的

該值與“傳感器噪音和分辨率”中預測的分辨率一致。

閉環定位噪聲(0.03Hz至1MHz)

過載保護/關閉

PDu150具有短路和平均電流過載保護功能。

通過集電極開路或漏極開路將Enable引腳拉低，可以手動關斷放大器。使能引腳通常浮動在5V，不應直接驅動。

熱消散

散熱量約為Pd=200×(Iav+0.010)

例如，對于正弦輸出，功率為Pd=200×(VL(p?p)CLf+0.010)

測量散熱的一種直接方法是在工作期間用萬用表測量電源電流。散熱等于DC電流和電壓的乘積。

在需要移除風扇的低噪聲和低功率應用中，如果散熱小于5W，自然對流就足夠了。如果散熱超過5W，建議使用5 CFM的外部氣流。為避免干擾，外部風扇應遠離模塊80毫米。

以前的版本

高壓安全警告

該產品產生高達180 Vdc的潛在致命電壓。

遵守低壓(根據ANSI C84.1-1989)安全預防措施，例如

• 使用受過低壓救援訓練的觀察者
• 不要操作裸露的導體
• 使用合適的標志

認證和合規

• CE，RoHS，Reach

參考

[1]?納米分辨率位置傳感器的評述:操作和性能；A. J .弗萊明；傳感器和執行器A:物理；2013, 190, 106-126

[2]?納米定位系統的設計、建模和控制；A. J .弗萊明和K. K .梁；施普林格，2014

[3]?測量和預測納米定位系統的分辨率；A. J .弗萊明；機電一體化；2014, 24, 605-618

規模

安裝柱接受M2.5螺釘。

PCB安裝版(PDu150CL-PCB)設計用于安裝到主機主板上。唯一的區別是螺絲端子被安裝在模塊底部的接頭(Harwin M20-9990645和M20-9990845)取代。引腳的建議PCB孔尺寸為1mm。Altium原理圖和尺寸庫可用于下載.

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