第四章 高速共振式壓電片掃描平台性能量測
4.3 回饋系統建置
掃描平台利用壓電蜂鳴片的正與逆壓電效應，完成致動和感測功能。本論文 第三章推導結果顯示測得位移電壓訊號大小與支撐台位移量呈正相關，因此便可 利用回饋訊號反映支撐台實際位置，結合訊號擷取和處理程式即可形成閉迴路控 制系統。
快軸與慢軸的位移回饋訊號量測實驗架構如圖 4. 10 所示。位移回饋訊號放 大電路提供感測蜂鳴片輸出訊號的放大與低通濾波功能，其放大倍率為 10 倍。
並透過示波器同時取得輸入訊號、感測器位移量測訊號與感測蜂鳴片位移回饋訊
-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
快軸位移 (μm)
慢軸位移 (μm) ∆𝑦
∆𝑥
37 性關係，最大致動行程為30.5 μm，非線性度為2.71%；慢軸回饋訊號與位移量 在驅動電壓訊號頻率為 1 Hz，±15 V以內呈線性關係，最大致動行程為5.6 μm，
38
非線性度為4.49%。其中快軸結構鋼性較慢軸為低，雖然慢軸已經使用負極兩兩 對貼且截面積較大的蜂鳴片，不過因為慢軸承載重量較大，因此快軸的迴歸直線 斜率依然大於慢軸許多。
實驗結果如理論預期，快軸與慢軸兩者致動位移量與回饋訊號大小均呈現線 性關係，因此可利用此關係圖建立本掃描平台樣品載台位置的閉迴路系統，以利 掃描時的位移監測與掃描控制。所得數據為單側蜂鳴片致動成效，實際掃描時可 同時驅動兩側蜂鳴片致動，增大出力和行程。
(a) 快軸
δx = 1.0644Ufx - 4.3351 R² = 0.9981
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 2 4 6 8 10 12 14 16
快軸致動位移
(
μm)快軸位移回饋訊號 (V) 𝛿𝑥
𝑈𝑓𝑥
39
(b) 慢軸
圖 4. 11 位移回饋訊號與實際位移量關係圖
不過在進行掃描時，考量到不同樣品重量與外型差異，除了重量不同造成共 振頻率改變的影響外，可能也會有質心不平衡問題。而此差異將影響著掃描的輸 入參數與實際做動狀況，因此必須確立掃描平台在不同樣品的負載下快軸的動態 特性，因此進行以下不同負載的實驗。
圖 4. 12 呈現在不同驅動電壓下不同樣品重量對快軸致動位移之影響隨著 負載的增加，快軸的共振頻率越往下降，且位移量關係也有緩降趨勢，符合式(3.4) 的趨勢。不過致動位移量差異卻不大，可確認掃描平台快軸結構的等效彈性系數 為影響其動態性能的主要因素。
δy = 0.5801𝑈𝑓𝑦 - 0.3022 R² = 0.9954
0 1 2 3 4 5 6
0 2 4 6 8 10 12
慢軸致動位移 (μm)
慢軸位移回饋訊號 (V) 𝛿𝑦
𝑈𝑓𝑦
40
41
42
圖 4. 14 展示相同重量的樣品採不同的擺放狀態時快軸回饋訊號與致動位 移關係之影響，在相同驅動電壓下，質心偏移較小者位移計的量測結果略大於質 心偏移較大者，不過此時位移回饋訊號卻相同。質心偏移所造成的影響如圖 4. 15 所示，根據圖 4. 14 結果推測位移回饋訊號能夠確實反映感測蜂鳴片的平均位移 量，不過質心偏移造成的偏心晃動則沒辦法藉由固定量測位置的位移計所顯現，
因此位移計的量測量將小於偏心量小的行程。
(a) 快軸驅動電壓與致動位移關係
0 20 40 60 80 100 120 140
0 5 10 15 20 25
快軸致動位移 (μm)
快軸驅動電壓 (V)
直立 平放
𝑈𝑥 𝛿𝑥
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(b) 快軸回饋訊號與致動位移關係 圖 4. 14 不同質心位置下之快軸動態性能
實際位移量 量測位移量
圖 4. 15 不同質心位置對位移量測的影響
δx = 13.054Ufx + 0.944 δx = 14.303Ufx + 1.0727
0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10
快軸致動位移 (μm)
快軸位移回饋訊號 (V)
直立 平放
𝑈𝑓𝑥 𝛿𝑥
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樣 品
樣 品 載 台
平 衡 質 量
圖 4. 17 安裝平衡質量方式示意圖
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