超声波压电位移台擅长以高速精确地定位物体。这使得它们适用于科学研究以及特定的工业和医疗应用。压电平台的工作方式适用于水平面 (XY) 中的运动，在垂直面中提升物体是具有挑战性的研究。在本概述中，我们将讨论克服这一障碍的不同方法。
垂直面中提升物体的质量补偿
超声波压电位移台擅长以高速精确地定位物体。这使得它们适用于科学研究以及特定的工业和医疗应用。压电平台的工作方式适用于水平面 (XY) 中的运动，在垂直面中提升物体是具有挑战性的研究。在本概述中，我们将讨论克服这一障碍的不同方法。
为什么垂直运动更难？
我们还详细介绍了不同种类的压电电机的工作原理。它们都有自己的特点，但所有压电电机技术都有一个共同点：陶瓷组件推动陶瓷条以引发位移，然后返回其初始位置以重复运动并提供新的推动力。这种机制在逆重力移动时带来了两个挑战：
1.压电马达需要比水平面更用力推动有效载荷，因为它必须“提升”整个有效载荷重量
2.当压电马达返回其起始位置时，物体不应下落
人们并没有改变压电电机机构的基本原理，而是想方设法让压电电机保持它仍然在水平方向移动时的条件，从而上面提到的两个挑战都不存在。有两种基本方法：显着增加压电电机的推力或补偿有效负载的重量。
楔形机构
当压电马达的力增加时，重负载的问题会减少或消失。可以使用楔形系统来增加力，该系统会以减小行程范围为代价来放大电机的力。这些机制不能仅仅是添加到现有的压电设备中，而是需要成为结构设计的一部分。大多数行程超过 2 mm 的垂直升降压电平台都是基于此原理。
当压电马达推动有效载荷下方的楔块时，会产生很大的提升力。产生的力取决于楔的角度。楔形的角度越小，可以产生的垂直力就越大。但另一方面，当使用非常窄的楔形时，就没有多少垂直净行程了。这可以通过使用长楔子来解决，但问题变成了平台的轨迹范围过大。在真空室或光束操纵装置等狭窄空间中，这可能是一个问题。对于市场上大多数带楔形系统的压电升降平台，可以实现 5 mm 至 15 mm 的行程范围。
磁质量补偿
楔子最适合移动上限距离为 15 毫米，但是当将物体或研究样本举得更高时该怎么办？在这种情况下，必须依靠常规线性平台，增加其行程范围。但同样，需要采取措施避免引言中提到的两个问题。消除重力引起的力将使压电电机如同水平方向时一样工作。这称为质量补偿。
第一个机制是使用中和有效载荷重量的磁铁。如果正确操作，压电平台的运行情况与水平运动相同：只需要克服惯性，而不是负载的整个重量。并且不存在前面解释的“倒退”的风险。
磁质量补偿是按照称为“磁阻致动器”的原理构造的。理论上，这可以用永磁体和电磁体来完成，但实际上只使用永磁体。无需过多介绍技术细节，其概念是在两个铁轨之间滑动永磁体，它们之间的距离不同。这会在磁铁上产生恒定的升力。力大小取决于磁铁和铁板。因为选择了特定质量的磁铁来进行补偿，这意味着有效载荷不应变化太大。
磁性质量补偿装置可以很容易地安装在现有压电平台的侧面。补偿的长度由磁铁和导轨的长度决定。通常，导轨的长度大约是行程范围的两倍。因此，对于长行程平台，最终可能会需要相当高的磁铁和导轨。
机械弹簧质量补偿
磁质量补偿效果很好，但正如一般情况那样，它会产生磁场。对于某些应用情景，这是不可接受的。当不允许使用磁铁时，使用恒力弹簧是一种可行解决方案。有两种类型的弹簧与此概念相关。
1.一个长的线性弹簧
经典的拉伸弹簧没有恒定的力，因此乍一看它不适合质量补偿（需要恒定的补偿力）。但是，如果在尚未太紧的区域使用长弹簧，则力是相当恒定的。它并不完美，但压电电机可以克服这种波动的力。
使用线性弹簧进行质量补偿是有效的，但需要足够的高度才能在弹簧力恒定的弹簧区域中使用弹簧。只要有足够的工作高度，这个概念就可以应用到任何平台。这个想法的一个优点是，在不同的有效载荷的情况下，可以安装不同的弹簧。这使得这个概念比磁质量补偿更灵活。
2.圆形恒力弹簧
您可能从卷尺中知道这个原理。圆形恒力弹簧是卷起的长金属带（有时略微弯曲）。当被拉动时，它会产生恒定的拉力。一些压电平台制造商已经在他们的一些垂直平台中集成了这个概念，但使其工作更加复杂。虽然这不需要线性弹簧所需的额外高度，但仍然需要将弹簧定位在平台上方以将其抬起。这可以通过使用滚轮来解决，这些滚轮将弹簧向下引导，这存在影响弹簧弹性过程的风险。
配重
配重的概念很简单：将重物系在绳子上，绳子在滑轮上，有效载荷在绳子另一端上。如果选择正确，负载的重量可以得到完美的补偿。与之前的原理相比，配重的最大优势在于力是完全恒定的。那么为什么这不是理想的解决方案呢？
首先，当垂直载物台安装在 XY 平台上时，砝码会开始摆动，因此应采取措施避免这种情况。其次，材料的缺陷会导致问题：大多数压电位移台用于极其苛刻的环境，定位分辨率低于 100 nm，有时甚至低于 1 nm。滚轮或“绳索”材料中的任何缺陷都会对载物台的定位精度造成影响。然而，如果执行得当，配重概念是有用且可靠的。它还允许通过添加或删除一些砝码来改变有效载荷。
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