哈工大提出新型压电-液压致动器，支撑高速精密转镜控制

面向高速光学系统的微位移放大新方案 🔧

开篇｜研究背景与成果概述

在自适应光学、激光通信与精密光束控制等领域，快速转镜（FSM）是实现高带宽、高精度指向控制的关键部件。压电陶瓷堆（PZT-stack）因响应快、分辨率高而被广泛采用，但其固有位移行程有限，难以满足大口径、高转角FSM的需求。哈尔滨工业大学团队提出一种紧凑型压电-液压致动器设计，通过引入液压微位移放大结构，在保持高一阶谐振频率的同时，实现较大的位移放大比，并在实验中验证了其在FSM中的可行性。

技术创新｜压电-液压一体化放大结构设计 ⚙️

该研究提出的致动器核心为液压微位移放大器（HMDA），整体尺寸约为 Φ44 mm × 71 mm，由PZT堆、柔性活塞、刚性腔体、硅胶膜输出端及预紧结构组成。与传统杠杆或桥式机械放大器不同，HMDA利用液体在密闭腔体中的体积守恒，实现输入与输出位移的比例放大，显著降低了附加惯性质量。

在结构设计上，输入端采用柔性活塞以避免动密封泄漏，输出端引入硅胶膜替代刚性活塞，从而在提高输出行程的同时减小应力集中。该设计还允许通过调整安装角度，自由设定输入与输出位移方向之间的夹角，避免寄生位移问题。针对柔性活塞在液压作用下的真实变形行为，研究进一步修正了薄板小挠度理论，并在模型中引入液体可压缩性因素，为放大比的精确计算提供了理论基础。

实验与仿真结果｜放大比与动态性能验证 📊

图1 压电-液压致动器结构与工作原理示意

基于所建解析模型，研究通过灵敏度分析系统评估了关键结构参数对放大比的影响。结果表明，输出杆半径与横梁厚度是影响放大比的主要因素；在优化参数下，理论放大比可超过12。有限元分析（FEA）显示，修正模型计算结果与仿真结果最大偏差仅为0.76%，验证了模型的有效性。

图2 柔性活塞在复合载荷下的有限元位移分布

实验方面，团队制备了致动器样机并开展系统测试。在150 V驱动电压下，PZT堆位移为8.32 µm，致动器最大输出位移达到104.9 µm，对应放大比为12.61，与理论和仿真结果的相对误差分别为6.45%和6.17%。频响测试表明，该致动器一阶谐振频率为1356 Hz，与FEA预测值1446.8 Hz较为接近。

图3 不同驱动电压下压电-液压致动器的放大比实验结果

应用验证｜驱动快速转镜的光束调控能力 🔍

研究进一步将该压电-液压致动器集成至一款大口径FSM原型中。实验平台通过激光反射与CCD成像方式，对一维与二维光束调控能力进行了验证。结果显示，FSM在致动器驱动下可实现稳定的光斑位移与轨迹控制，证明该致动器能够满足精密光学系统对快速、小幅、大负载驱动的需求。

结语｜研究意义与价值

该工作提出了一种兼顾紧凑尺寸、较高放大比与较高谐振频率的压电-液压致动器设计方法，并通过理论建模、有限元分析与实验测试进行了系统验证。相关成果为高速精密光学执行机构的设计提供了新的技术路径，也为压电致动与液压放大耦合建模提供了可参考的分析框架。

参考文献

Zhan, W., Liu, T., Chen, S., Li, K., Liu, J., Liu, Y. and Chen, W., 2025. A Piezo-Hydraulic actuator design supporting fast steering mirror. International Journal of Mechanical Sciences, 294, p.110214.