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      【走進壓電】之【壓電偏轉鏡】

        壓電偏轉鏡的命名實際由它的驅動原理及應用目的相結合而來的。“壓電"指的是它的驅動原理,即利用PZT壓電陶瓷來作為驅動源從而產生運動;而“偏轉鏡"則是它的應用目的,即用來使鏡片產生偏轉運動。但通常情況下,壓電偏轉鏡本身是不帶有鏡片的,通過粘接或鏡持夾持方式將鏡片固定于壓電偏轉鏡的移動臺面上。

        此外,因為壓電偏轉鏡對光路的快速控制作用,也常被稱作快速轉向鏡。也經常被稱作為壓電傾斜鏡、壓電快反鏡、壓電反射鏡、擺鏡等。 

        小科普:PZT壓電陶瓷在施加電壓后,會產生微米級的伸長運動。

        什么是壓電偏轉鏡?

        壓電偏轉鏡就是指將PZT壓電陶瓷集成于機械柔性鉸鏈,再將除運動面外的其他整個結構封裝進機械外殼,從而能夠產生偏轉運動的運動平臺產品。它將PZT壓電陶瓷的直線微米級(μm,1μm=0.001mm)的運動,轉換為機械部件的毫弧度級(mrad,17mrad=1°)偏轉運動。反射鏡片安裝于壓電偏轉鏡的運動臺面上,壓電偏轉鏡運動臺面的偏轉帶動反射鏡的偏轉運動。

        

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        壓電偏轉鏡的種類 

        根據壓電偏轉鏡的運動維度,一般可分為三類,即一維θx軸偏轉運動、二維θxθy偏轉運動、三維θxθy偏轉及Z向運動。

        小科普:θx偏轉運動即是沿著X軸線進行旋轉的運動。 

        1一維θx壓電偏轉鏡

        • 一維θx壓電偏轉鏡運動效果

        

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        • 一維θx壓電偏轉鏡原理

        一維θx壓電偏轉鏡分為兩種結構,一種為單個壓電促動器驅動、單鉸鏈支撐型,鉸鏈確定了軸心點,并加倍了作用于壓電促動器的預緊力。該結構的優點是結構簡單、體積小巧、性價比高。

        另一種為雙壓電促動器驅動型,即由兩支陶瓷促動器的推拉運動來驅動平臺臺面偏轉,這種結構的優點是可承載更大,不受工作環境溫度變化的影響。

        

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        •一維θx壓電偏轉鏡可實現的反射光路調節范圍 - 線段

        在壓電偏轉鏡固定好,同時與下一個光接收位置間距離固定的情況下,一維θx壓電偏轉鏡對光路調整范圍為一定范圍的線段,線段的長度取決于壓電偏轉鏡的最大偏轉角度及壓電偏轉鏡與下一個光接收位置間的距離。 

        

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        2二維θx、θy壓電偏轉鏡

        •二維θx、θy壓電偏轉鏡原理

       

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        二維壓電偏轉鏡是基于平行運動學設計,具有共面軸及移動面。四個執行機構為四支壓電促動器,以90°角平分放置,成對的差分控制分布。兩對差分驅動壓電促動器在較大溫度范圍內提供最高可實現的角度穩定性。它的偏擺運動是由兩對壓電促動器以推拉模式來實現,采用橋式連接電路控制。

        

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        •二維θx θy壓電偏轉鏡可實現的反射光路調節范圍 - 圓

        二維θx θy壓電偏轉鏡對光路調整范圍為一個圓面,圓面的面積大小取決于壓電偏轉鏡的最大偏轉角度及壓電偏轉鏡與下一個光接收位置間的距離。

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        3三維θx、θy偏轉及Z向壓電偏轉鏡

        •三維θx、θy偏轉及Z向壓電偏轉鏡運動效果

        

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        •三維θx、θy偏轉及Z向壓電偏轉鏡原理

        三維壓電偏轉鏡是三腳驅動方式,在較大的溫度范圍內提供了最優化的角度穩定性。這種平臺的設計具有幾個優勢:體積更小巧;兩軸具有相同的大小及相同的動態性能;更快的響應及更好的線性度。它也防止了偏振旋轉。

        內部三支壓電陶瓷促動器是由三通道控制器來分別單獨驅動以產生俯仰/偏轉運動或同時并聯驅動以產生直線升降運動。

        

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        •三維θx、θy偏轉及Z向壓電偏轉鏡可實現的反射光路調節范圍 - 椎體

        三維θx θy及Z向壓電偏轉鏡對光路調整范圍可形成一個錐形體,錐形體截面圓的面積大小及錐體高度取決于壓電偏轉鏡的偏轉角度、直線運動范圍及壓電偏轉鏡與下一個光接收位置間的距離。

        

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        壓電偏轉鏡的特點

        壓電偏轉鏡之所以存在,是因它的高精度偏轉運動以及超快速的響應速度,否則,它可能會被任意具有偏轉范圍的產品所替代。

        這個高精度到底有多高呢?可≤0.01μrad!

        壓電偏轉鏡的偏轉分辨率可高至比0.01微弧度(μrad,1μrad=0.00005°)還小,請注意:微弧度是一個角度單位,而這個角度有多大呢?這就相當于把一個360度的圓,以圓心為定點,平均分成2萬個扇形,其中一個扇形的角度大小就是0.01μrad!壓電偏轉鏡可以實現0.01μrad的高精度角度偏轉。

        

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        而超快速響應速度又是多快呢?可<1ms!

        從控制壓電偏轉鏡運動的瞬間,至壓電偏轉鏡運動到角度的時間,可快至1毫秒(ms,1ms=0.001s)以下,即在千分之一秒內,就可完成一定角度的偏轉運動。 

      而壓電偏轉鏡如此高的精度和速度,是用來做什么應用呢? 

       

        壓電偏轉鏡的應用

        芯明天壓電偏轉鏡的高精度以及快速響應的特點在許多光學系統中得到廣泛應用,從圖像跟蹤、掃描到激光材料加工,再到光通信中的抖動穩定,都用到了壓電偏轉鏡。

      近些年芯明天壓電偏轉鏡已成功搭載于風云三號衛星、北斗衛星等十多個型號上天,2022年也已有多個型號完成正樣交付驗收并等待發射。

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        芯明天S37.T8壓電偏轉鏡的21g抗力學環境試驗報告如下圖所示。    

        1壓電偏轉鏡應用于衛星激光通信

      未來的多媒體衛星需要大帶寬的通信,這可以通過衛星光通信鏈路來實現。

      衛星激光通信是指在空間傳輸的激光束作為信息載體,在兩個或多個終端之間實現的通信方式,即在空間信道中利用激光取代微波進行鏈路和信號傳輸。其基本原理為:信息電信號通過調制加載在光上,通信的雙端通過粗定位和調整,再經過光束的瞄準-捕獲-跟蹤(PAT) 建立起光通信的鏈路,然后再通過光在真空或大氣信道中的傳輸來傳遞信息。

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      可建立的星間激光鏈路

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      瞄準、捕獲和跟蹤(Pointing,Acquisition and Tracking,簡稱PAT)

        衛星間要進行可靠的通信鏈路,其關鍵技術是實現對光信號的瞄準、捕獲和跟蹤(Pointing,Acquisition and Tracking,簡稱PAT)。由于衛星間的信號傳輸光束束寬非常窄、傳輸距離長,所以對衛星光通信PAT系統的控制精度要求遠高于對衛星微波通信系統的要求。所以這就對精瞄系統提出了較高精度要求,如果精瞄系統的精度和工作帶寬達不到相應的要求就會導致通信鏈路的失敗。在衛星光通信精瞄系統中,實現高精度的光束控制是核心問題,目前采用的控制工具主要就是壓電偏轉鏡。芯明天研發生產的壓電偏轉鏡具有控制精度高、響應速度快和工作頻率寬等優點。


        2)壓電偏轉鏡用于光學成像系統

        在光學成像過程中,由于平臺振動和姿態隨機擾動等各種影響因素都會使相機光軸偏移,使目標與焦面相對運動,在焦面上產生像移,從而會造成成像模糊問題。例如,在地面天文觀測中,由于大氣湍流和望遠鏡的抖動等原因也會造成望遠鏡焦平面圖像的隨機抖動,極大地降低了望遠鏡的空間分辨率。

        平臺振動的特點一般是帶寬高、低頻幅值大、高頻幅值衰減等。復雜的振動環境,振動頻帶很寬,振動幅度也不盡相同。而這種振動會耦合到相機的光軸上,使被攝景與相機焦面發生相對運動。在CCD相機曝光時間內,景物和焦面之間相對運動,即產生像移。當相機的空間分辨率很高時,這種像移會導致像質退化,影響圖像品質,其表現為圖像變得模糊,高頻細節信息被淹沒,很難識別和判讀等。 

        因此,如何減小或消除平臺振動干擾對成像品質的影響就成為穩像技術的關鍵所在。 

        相關跟蹤適用于面元觀測對象,實時探測、實時校正光軸隨機抖動的圖像穩定技術,它就是利用CCD快速成象技術,以頻域分析算法,把實時采集的圖象和參考圖象進行相關運算,求出兩幅圖象間的相對位移量,進而用數字PID控制算法求出實際的控制量,由快速擺鏡完成圖象的實時修正。從而在確定的曝光時間內得到高分辨率的圖象。相關跟蹤已經在地面的天文觀測中獲得了廣泛的應用。

        另外,在以衛星平臺為基礎的空間天文觀測中,由于衛星運動和其它控制執行機構帶來的望遠鏡的抖動也會造成圖象的模糊。因此,為了保證在足夠的曝光時間內得到高信噪比、高分辨率的圖象,都必須設計利用快速補償實時穩定光軸,來減小和消除像移。 

        系統工作原理如下圖,簡單說,相關跟蹤的原理就是由快速探測得到的圖像經相關計算后得到光軸的即時偏移量,據此控制擺鏡校正主光軸方向,使主光路上長時間積分CCD的主光軸基本穩定不動,即保持圖像不動,從而消弱由于隨機擾動引起的模糊,得到高信噪比、高分辨率的圖像。

         

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        運動目標光線經過鏡頭后,需經過快速補償鏡和分光反射鏡分光,其中一路光線進主成像相機,另一路光線進高速小面陣CCD相機。調整小面陣CCD相機對運動的目標按幀進行采樣。像移測量利用相關方法對輸出的圖像序列進行處理,求解像移量。穩像控制器進行像移補償算法的運算,輸出控制量給壓電偏轉臺帶動快速補償鏡,完成對像移量的閉環控制,使相機光軸在曝光時間內保持穩定,從而使主成像相機的圖像清晰,達到光學穩定成像的目的。

        3) 壓電偏轉鏡用于激光穩定系統實驗

        在很多科研領域的人員,出于對原理的驗證等原因,會采用壓電偏轉鏡來搭建激光穩定系統。

      根據用戶的實際使用需求及光學的特點,芯明天公司推出了一階、二階或更復雜的基于外部PSD位置傳感進行閉環實時位置檢測的壓電偏轉系統。下圖為一套二階激光穩定系統的系統圖。  

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        1 : 激光器,光源;

        2:E70壓電控制器,控制干擾用壓電偏轉鏡;

        3、4:E70壓電控制器,控制補償用壓電偏轉鏡;

        5 : P33.T2壓電偏轉鏡,產生干擾信號,使激光傳輸不穩;

        6、7 : P33.T2壓電偏轉鏡,產生補償信號,使激光傳輸保持穩定;

        8 : 45°分光鏡;

        9、10:PSD激光位置探測器,實時探測并反饋激光的位置;

        11:電腦,閉環補償控制與補償效果顯示。

      該系統原理如下圖。 

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        該系統為二階補償激光穩定系統,先設定了光束接收的目標位置坐標,光源通過干擾壓電偏轉鏡、補償壓電偏轉鏡1、補償壓電偏轉鏡2后,再經過分光鏡到達PSD位置探測器。

        PSD位置探測器可對光束的光斑進行實時位置檢測,并反饋給補償壓電控制器,補償壓電控制器對PSD位置探測器反饋的傳感器信號進行采集、放大,同時向補償壓電偏轉鏡輸出相應的補償控制電壓信號,補償壓電偏轉鏡根據補償控制電壓信號進行快速角度調整,使得光信號準確、完整的接收,從而達到成像或光通信等目的。

        與采用內置傳感器的閉環版本壓電偏轉鏡相比,開環壓電偏轉鏡具有更快的響應速度及更高的分辨率,因此采用外部PSD位置探測器檢測,可提高光束的調整速度。

        另外,PSD可直接對光斑位置進行測量,是光束偏轉方向的直接反應。而內置傳感器的閉環版本壓電偏轉鏡的特點是使得控制電壓與偏轉角度間成線性關系。

        通過計算機顯示可觀看光束跟蹤及穩定情況。 

        4)壓電偏轉鏡用于材料加工

        對于加工孔徑及孔距精度要求非常高,例如幾微米至幾百微米的孔徑、幾十微米的孔距等,利用芯明天壓電偏轉鏡對激光的精確方向控制及它的快速響應速度等特性,可以徹底解決微小孔加工精度低、孔徑不圓滑等問題。

        在涉及到微米級小孔的超快激光加工應用中集成壓電偏轉鏡,具有加工精度高、加工速度快等特點。已廣泛應用于航天器件微小孔加工、異形孔加工等領域。 

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        P33.T8S系列壓電偏轉鏡是具有快速響應且體積緊湊等特點的偏轉平臺,提供頂端面的高精度角度運動,與其他執行器相比,柔性鉸鏈導向的壓電偏轉平臺可提供更高的加速度,使階躍響應時間在亞毫秒范圍。P33.T8S在10mrad滿行程工作頻率達50Hz,可連續工作15天。       

        

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        芯明天與德國進口壓電偏轉鏡對比

        

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        下面將芯明天壓電偏轉鏡與德國進口的同類產品進行性能參數的對比,芯明天公司壓電偏轉鏡產品以小體積、高動態、快速定制、任意參數定制、使用環境定制、快速供貨等為主要特點。

        1)3mrad角度偏轉行程下的參數對比

      以芯明天P33.T2S壓電偏轉鏡、德國進口S-330.2S壓電偏轉鏡以及芯明天的新品S38.T2S壓電偏轉鏡來進行對比。其中,S38.T2S壓電偏轉鏡不僅能實現P33.T2S的參數性能,并且具有比P33.T2S更小的外形尺寸,可替代P33.T2S壓電偏轉鏡。

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      芯明天P33.T2S與S38.T2S壓電偏轉鏡

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      三款壓電偏轉鏡型號尺寸圖(S38更小巧)

      以上三種壓電偏轉鏡參數對比:

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        從以上參數對比中,可看出,在同樣3mrad偏轉范圍下,芯明天P33.T2S與S38.T2S壓電偏轉鏡具有更小的尺寸、更靈活的定制方式、更高的工作頻率以及更高的精度,更適合空間受限的高動態應用。

        2)10mrad角度偏轉行程下的可靠性對比

        一般情況下,外徑相同時,行程越大的壓電偏轉鏡,它的長度越長。而在長度增加的基礎上,壓電偏轉鏡的可靠性將隨之降低。然而,目前很多應用對壓電偏轉鏡的可靠性要求越來越高,很多標準品已不能滿足應用要求。為解決此問題,芯明天采用抗震加固、全閉環的方式,以達到最優化的可靠性及精度,并且通過了抗振實驗。下面再將芯明天壓電偏轉鏡與德國進口同類產品進行對比。對比對象分別為芯明天P33.T8S壓電偏轉鏡(該壓電偏轉鏡具有12.5mrad偏轉行程,采用抗震加固、全閉環優化性能)、德國進口的S-330.8S壓電偏轉鏡及芯明天新品S37壓電偏轉鏡。
       

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        芯明天新品S37系列高可靠性壓電偏轉鏡實物及尺寸

         以上三款壓電偏轉鏡參數對比:

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      在以上大偏轉角度型號對比中可看出,芯明天P33.T8S壓電偏轉鏡具有更高精度及工作頻率以及可選的更高可靠性,體積也更小。從可靠性上看,芯明天S37系列可靠性是相對更高的,非常適合于嚴苛環境應用,并且它是針對航天應用設計,標品就可以滿足航空航天應用。針對以上對比,可見國產芯明天的壓電偏轉鏡更具優勢。在壓電偏轉鏡產品上,國內技術已趕超國外。 所以,對于使用環境振動較大,要求可靠性較高的應用,推薦選用芯明天的S37系列壓電偏轉鏡,可靠性高、更穩定。如果只是做些簡單的實驗室實驗,也推薦芯明天的P33或者S38系列壓電偏轉鏡,精度更高,體積也更小。而且,有任何問題溝通起來要比國外的方便得多,時效更快。 

       

        FSM壓電偏轉鏡安裝操作說明      

        1)安全指南

        壓電偏擺鏡采用先進的技術和安全標準設計而成,為了您的自身安全及產品的正確使用,使用時請注意以下幾點。

        溫度改變和壓力都會給壓電驅動器充電,與控制器斷開連接的一段時間壓電驅動器也會保持帶電狀態,所以操作者在使用時要注意: 

        · 不要擅自拆卸壓電偏擺鏡;

        · 在安裝以前給壓電偏擺鏡進行放電,這個可以通過和控制器連接實現;

        · 在操作過程中不要拔出控制器;

        · 使用前首先檢查本產品的連接線是否完好,產品及控制器是否進行了有效的接地保護,操作過程中應嚴格規范操作,上電后不要用手觸碰產品(最高可達150V電壓),以防發生危險。 

        為了防止不當操作對產品造成損壞,使用時應注意以下幾點: 

        · 壓電偏擺鏡盡量在無塵、無油、無潤滑劑的環境中使用; 

        · 由于產品采用柔性結構設計,建議負載不要超過本產品的承載能力,裝載時注意扭力不要過大,不要撬或扭轉負載面,以免損傷結構; 

        · 長期使用建議使用電壓范圍為0~120V; 

        · 請勿對產品進行拆解,以免造成產品損壞; 

        · 避免拉伸和彎曲電纜接口,防止對電纜造成損壞; 

        · 使用我公司提供的專用電纜連接壓電偏擺鏡和控制器; 

        · 不能隨便使用電纜延長線,如需要更長電纜請聯系我司客服。

        2)安裝及操作

        安裝前首先要進行安全檢查,如連接線有無破損、斷線,驅動電源有無接地保護等。安裝示意圖如下所示: 

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      安裝示意圖

        粘貼鏡片前先清潔鏡片粘貼平面,鏡片粘貼后等待一段時間后再進行固定安裝,也可以選用鏡片轉接架,如圖所示;

        

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      鏡片粘接劑及鏡片轉接架

        B、選用M3螺釘固定安裝,也可通過轉接方式進行偏擺鏡的安裝。安裝前先清潔安裝支架,也可以聯系我們選擇合適的轉接方式進行安裝;

        C、將產品固定在安裝平面上或者通過相關工裝固定在安裝平面上,注意相關轉鏡產品如要進行其他放置(如側置、斜置等)請咨詢我司客服。


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      轉接方式

      D、連接接地保護,如下圖所示;

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      接地保護示意圖

      E、將壓電偏擺鏡的連接線與控制器連接起來;LEMO連接頭接線方式如下圖所示:

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      連接頭示意(芯明天具有多種電壓與傳感連接器,上圖連接器為其中一種)

      安裝注意事項:

      · 不要磕碰產品運動部分,防止柔性鉸鏈變形影響運動精度,甚至損壞產品;

      · 柔性鉸鏈縫隙中不要滴入鏡片粘結劑,也不要有其他物體阻礙運動,以免影響精度或損壞設備;

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      柔性鉸鏈示意圖

      · 請選擇合適的螺釘進行固定連接,防止安裝不牢,偏擺鏡脫落摔傷,造成破壞。整個安裝、操作過程中注意規范操作,學員請在專業人士的指導下進行相關操作。加載安裝鏡片負載時確保質量小于偏擺鏡最大承載,盡量將鏡片安裝在運動面中心位置。負載的正確放置方式如下圖所示:

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      負載加在工作臺的臺面中心

      · 對于產品的保護我們不建議負載過高,如必須采用較高的負載請適當減小負載重心位置,錯誤放置方式如下圖所示:

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      盡量不要讓負載重心遠遠超過活動平臺

      · 禁止將負載加載在運動臺的一側,這會對產品造成嚴重的破壞,如下圖所示:

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      禁止加載較長負載且加在活動臺的一側

       · 安裝鏡片轉接架時,扭矩不要太大,以免損傷機構;

      · 避免拉伸電纜和彎曲電纜;

      · 使用我公司提供的專用電纜連接壓電偏擺鏡和控制器;

      · 不要擅自延長電纜,如需更長電纜請聯系我司客服。

      操作電源啟動之前請再次確認以下信息:

      · 偏擺鏡已經接地保護;

      · 使用環境符合產品工作環境要求;

      · 固定螺釘必須擰緊。 

      以上信息確定以后進行控制器相關操作:

      A、操作前請仔細閱讀用戶所選用的控制器用戶手冊,然后再啟動控制器;

      B、先對控制器置零設置;

      C、檢查無異?,F象后,根據需求輸入電壓值(鍵盤或模擬控制);

      D、可在壓電陶瓷額定電壓范圍內(0~120V,最大不要超過150V)正常工作;

      E、使用完畢后請進行電壓清零操作;請在操作中放輕腳步,不要磕碰產品,以免影響產品使用甚至損壞產品。產品自身的分辨率是沒有限制的,分辨率取決于產品控制器的性能,為了更好的達到臺體的運動精度,推薦使用我公司的配套產品控制器??刂破鞯木唧w操作方法請參照控制器使用手冊,確保能夠正確操作以后再進行相關操作。

      注意:

      · 操作過程中不要移除接地保護,如果需要暫時移除,再次啟動前請重新連接好接地保護;

      · 驅動電壓不要超過偏擺鏡允許的最大電壓;

      · 使用過程中如果出現異常響動或者振蕩,則立即關閉電源檢查參數設置。


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