壓電自感知執行器及其電場干擾的濾波方法技術

壓電自感知執行器及其電場干擾的濾波方法，屬于濾波技術領域。本發明專利技術是為了解決將一片或幾片壓電材料功能集成后同時作為執行器和傳感器來使用，傳感器部分存在電場干擾的問題。壓電自感知執行器的多片執行器壓電陶瓷采用機械上串聯、電學上并聯的方式構成壓電疊堆，該壓電疊堆上表面和下表面上分別設置一片絕緣層，傳感器壓電陶瓷設置在壓電疊堆上表面的絕緣層上；濾波方法為：采用電荷放大器采集傳感器壓電陶瓷的輸出電荷，電荷放大器將采集的電荷信號轉換為電壓信號輸出；采用計算機采集驅動電壓；再經過處理后獲得傳感器壓電陶瓷在外載荷力作用時獲得的輸出電壓真值。本發明專利技術用于壓電自感知執行器電場干擾的濾波。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及壓電自感知執行器及其電場干擾的濾波方法，屬于濾波

技術介紹
許多應用領域需要同時具有檢測、控制和執行的功能，實現這些功能通常同時需要執行器和傳感器。執行器產生位移或力，完成期望的控制動作；傳感器測量位移或力等物理量，對于一個閉環系統中執行功能和傳感功能都是必須的，而若是采用相互獨立的執行器和傳感器共同工作的話，不僅控制方案更加復雜、需要更大的安裝、裝配空間，同時也不利于系統向微型化、集成化方向發展。壓電材料是具有壓電效應的一類材料，其基本可以分為：壓電晶體、壓電陶瓷、壓電半導體與有機高分子材料。壓電效應可以分為正壓電效應和逆壓電效應兩種，利用正壓電效應可以將壓電材料制成壓電傳感器，利用逆壓電效應可以將壓電材料制成壓電執行器。若采用結構集成的方式，將利用正壓電效應的壓電材料和利用逆壓電效應的壓電材料集成起來，在結構上做成一個模塊，這樣就可以使一個器件同時具有執行器和傳感器的功能，這種器件可以稱之為基于結構集成的壓電自感知執行器。迄今為止，實現壓電執行器和傳感器集成一體化的研究主要是采用功能集成的方案，即將某一片或某幾片壓電材料同時作為執行器和傳感器來使用，這樣的話執行器部分控制電信號和傳感器部分敏感電信號會耦合在一起，這種研究關鍵技術是如何實現兩種電信號的分離解耦，已有的濾波方法有電橋電路法、狀態觀測器法、時分復用法和空分復用法，但是每種濾波方法都有著應用局限性，其中電橋電路法由于壓電電容隨邊界條件變動，導致電橋電路不容易調節平衡；狀態觀測器法過分依賴模型精度，自感知結果需要與標準傳感器標定后才能使用；時分復用法的控制電路復雜，并且由于執行時間和傳感時間的分離必然導致傳感信號存在誤差；空分復用法驅動電極和敏感電極劃分困難，并且會限制模型的外形尺寸。除此之外功能集成的方案均沒有考慮多片壓電材料共同工作時，它們相互之間的電場干擾，導致其在需要較多片壓電材料同時工作的場合適用性較差。
技術實現思路
本專利技術目的是為了解決將一片或幾片壓電材料功能集成后同時作為執行器和傳感器來使用，傳感器部分存在電場干擾的問題，提供了一種壓電自感知執行器及其電場干擾的濾波方法。本專利技術所述一種壓電自感知執行器，它包括三片絕緣層、多片執行器壓電陶瓷和傳感器壓電陶瓷，多片執行器壓電陶瓷采用機械上串聯、電學上并聯的方式構成壓電疊堆，該壓電疊堆上表面和下表面上分別設置一片絕緣層，傳感器壓電陶瓷設置在壓電疊堆上表面的絕緣層上，傳感器壓電陶瓷的上表面設置一片絕緣層。一種壓電自感知執行器電場干擾的濾波方法，該濾波方法適用于上述壓電自感知執行器，對所述壓電疊堆施加驅動電壓UP(t)，同時對在傳感器壓電陶瓷上方施加外載荷力F；所述濾波方法為：采用電荷放大器采集傳感器壓電陶瓷的輸出電荷，電荷放大器將采集的電荷信號轉換為電壓信號輸出；采用計算機采集驅動電壓UP(t)；計算機將驅動電壓UP(t)進行傅里葉展開，形成不同幅值、頻率的正弦波電壓疊加，分別計算傳感器壓電陶瓷受到外載荷力F＝0，每個正弦波電壓單獨作為壓電疊堆的驅動電壓時，傳感器壓電陶瓷產生的誤差電壓，將所有誤差電壓疊加獲得驅動電壓UP(t)作為壓電疊堆的驅動電壓時，傳感器壓電陶瓷產生的總誤差電壓；將電荷放大器輸出的電壓信號減去所述總誤差電壓，獲得傳感器壓電陶瓷在外載荷力F作用時獲得的輸出電壓真值，實現對壓電自感知執行器電場干擾的濾波。本專利技術的優點：本專利技術采用結構集成的方式來將壓電執行器和傳感器集成到一起，采用不同的壓電片作為執行器和傳感器來使用，在結構上將它們做成一個模塊，由于執行器和傳感器分別由獨立的壓電片構成，這樣就不會出現執行器部分控制電信號和傳感器部分敏感電信號耦合的情況。而對于傳感器部分會受到執行器部分產生的電場干擾的狀況，本專利技術提出了一種濾波方法，來濾除壓電自感知執行器傳感信號中由于干擾電場帶來的影響。通過仿真和實驗驗證，此種濾波方法可以消除傳感器壓電陶瓷所受到的95％以上的電場干擾，極大的提高傳感信號的精度。本專利技術的濾波方法可以提高壓電自感知執行器傳感信號精度；它實現了執行器執行和傳感功能的集成，易于模塊化，有利于向MEMS方向發展；所述執行器節省空間、便于安裝和裝配，省去了獨立傳感器及其配套的供電、顯示系統，經濟性更好；本專利技術在超精密加工、光纖熔接、空間衛星通訊、生物醫學工程、微機械夾持、振動主動控制等需要高精度、微位移驅動，但空間尺寸受制約的高科技領域有更好的應用前景。附圖說明圖1是本專利技術所述壓電自感知執行器的結構示意圖；圖2是壓電自感知執行器的極化方式示意圖；圖3是對壓電自感知執行器施加的驅動電壓信號示意圖；圖4任意驅動電壓信號在進行傅里葉變換時延拓方式示意圖；圖中Up為驅動電壓，t為時間；圖5是壓電自感知執行器電場干擾的濾波方法原理示意圖；圖中1為壓電自感知執行器，6為驅動電源；圖6是本專利技術技術方案中，多片執行器壓電陶瓷采用電學上串聯的方式供電時濾波方法原理示意圖。具體實施方式具體實施方式一：下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述壓電自感知執行器，它包括三片絕緣層2、多片執行器壓電陶瓷3和傳感器壓電陶瓷4，多片執行器壓電陶瓷3采用機械上串聯、電學上并聯的方式構成壓電疊堆，該壓電疊堆上表面和下表面上分別設置一片絕緣層2，傳感器壓電陶瓷4設置在壓電疊堆上表面的絕緣層2上，傳感器壓電陶瓷4的上表面設置一片絕緣層2。本實施方式中，執行器壓電陶瓷3和傳感器壓電陶瓷4基于結構集成，三片絕緣層2將執行器壓電陶瓷3、傳感器壓電陶瓷4以及周圍環境分隔開。具體實施方式二：下面結合圖1至圖6說明本實施方式，本實施方式所述壓電自感知執行器電場干擾的濾波方法，該濾波方法適用于上述壓電自感知執行器，對所述壓電疊堆施加驅動電壓UP(t)，同時對在傳感器壓電陶瓷4上方施加外載荷力F；所述濾波方法為：采用電荷放大器5采集傳感器壓電陶瓷4的輸出電荷，電荷放大器5將采集的電荷信號轉換為電壓信號輸出；采用計算機7采集驅動電壓UP(t)；計算機7將驅動電壓UP(t)進行傅里葉展開，形成不同幅值、頻率的正弦波電壓疊加，分別計算傳感器壓電陶瓷4受到外載荷力F＝0，每個正弦波電壓單獨作為壓電疊堆的驅動電壓時，傳感器壓電陶瓷4產生的誤差電壓，將所有誤差電壓疊加獲得驅動電壓UP(t)作為壓電疊堆的驅動電壓時，傳感器壓電陶瓷4產生的總誤差電壓；將電荷放大器5輸出的電壓信號減去所述總誤差電壓，獲得傳感器壓電陶瓷4在外載荷力F作用時獲得的輸出電壓真值，實現對壓電自感知執行器電場干擾的濾波。傳感器壓電陶瓷4在外載荷力F和驅動電壓UP(t)產生的電場干擾的共同作用下，產生的電荷為QF+QC，QF為外載荷力F作用下產生的電荷，QC為電場干擾產生的電荷；此時電荷放大器5輸出的電壓信號Uf(t)為：式中Cf為電荷放大器5的電容；其中為傳感器壓電陶瓷4在電場干擾下產生的總誤差電壓。計算機7對采集的驅動電壓UP(t)進行反向延拓，得到周期性奇函數U'P(t)，其中t＝(0,a)時，U'P(t)＝UP(t)，a為有限區間的邊界值；對U'P(t)進行傅里葉展開，得到UP(t)的表達式：式中b為傅里葉系數，函數基頻ω0＝2π/T，T為函數周期；選取UP(t)的表達式中低頻的正弦波電壓組成成分，獲得U2(t)：本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種壓電自感知執行器，其特征在于，它包括三片絕緣層(2)、多片執行器壓電陶瓷(3)和傳感器壓電陶瓷(4)，多片執行器壓電陶瓷(3)采用機械上串聯、電學上并聯的方式構成壓電疊堆，該壓電疊堆上表面和下表面上分別設置一片絕緣層(2)，傳感器壓電陶瓷(4)設置在壓電疊堆上表面的絕緣層(2)上，傳感器壓電陶瓷(4)的上表面設置一片絕緣層(2)。

【技術特征摘要】
1.一種壓電自感知執行器，其特征在于，它包括三片絕緣層(2)、多片執行器壓電陶瓷(3)和傳感器壓電陶瓷(4)，多片執行器壓電陶瓷(3)采用機械上串聯、電學上并聯的方式構成壓電疊堆，該壓電疊堆上表面和下表面上分別設置一片絕緣層(2)，傳感器壓電陶瓷(4)設置在壓電疊堆上表面的絕緣層(2)上，傳感器壓電陶瓷(4)的上表面設置一片絕緣層(2)。2.一種壓電自感知執行器電場干擾的濾波方法，該濾波方法適用于權利要求1所述壓電自感知執行器，其特征在于，對所述壓電疊堆施加驅動電壓UP(t)，同時對在傳感器壓電陶瓷(4)上方施加外載荷力F；所述濾波方法為：采用電荷放大器(5)采集傳感器壓電陶瓷(4)的輸出電荷，電荷放大器(5)將采集的電荷信號轉換為電壓信號輸出；采用計算機(7)采集驅動電壓UP(t)；計算機(7)將驅動電壓UP(t)進行傅里葉展開，形成不同幅值、頻率的正弦波電壓疊加，分別計算傳感器壓電陶瓷(4)受到外載荷力F＝0，每個正弦波電壓單獨作為壓電疊堆的驅動電壓時，傳感器壓電陶瓷(4)產生的誤差電壓，將所有誤差電壓疊加獲得驅動電壓UP(t)作為壓電疊堆的驅動電壓時，傳感器壓電陶瓷(4)產生的總誤差電壓；將電荷放大器(5)輸出的電壓信號減去所述總誤差電壓，獲得傳感器壓電陶瓷(4)在外載荷力F作用時獲得的輸出電壓真值，實現對壓電自感知執行器電場干擾的濾波。3.根據權利要求2所述的壓電自感知執行器電場干擾的濾波方法，其特征在于，傳感器壓電陶瓷(4)在外載荷力F和驅動電壓UP(t)產生的電場干擾...

【專利技術屬性】
技術研發人員：單小彪，梁云雷，謝濤，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23