一种压电陶瓷执行器的智能筛选方法技术

一种压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，其根据压电陶瓷固有的迟滞非线性特性，通过建立压电陶瓷执行器迟滞特征检测实验，采集正弦输入下压电陶瓷执行器的位移输出数据，并提取位移迟滞曲线的特征。本发明专利技术还提供一种压电陶瓷执行器智能筛选方法，基于提取的位移输出数据进行分层聚类，准确划分不同形状的迟滞曲线，实现对规定指标相同的同类型压电陶瓷执行器质量次品、基本合格、良好和优秀等级的准确筛选。

【技术实现步骤摘要】
一种压电陶瓷执行器的智能筛选方法
本专利技术涉及一种压电陶瓷执行器的智能筛选方法，尤其是通过建立对压电陶瓷执行器迟滞特征检测实验，测得在正弦输入下的迟滞曲线数据，然后根据曲线数据和压电陶瓷执行器标定指标提取产品性能的特征向量，并基于分层聚类的方法对产品的特征向量进行聚类，从而实现对同类型压电陶瓷执行器的批量产品快速而准确的自动化智能筛选，以及次品、基本合格、良好和优秀等级划分的方法。
技术介绍
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，由压电陶瓷制成的执行器具有许多其它执行器无可比拟的优点,如位移分辨率高、机电耦合效率高、响应快、功耗小、无噪声等,所以被广泛应用于微机械、微电子、精密加工、生物医学、机器人、航空航天等领域。但是,压电陶瓷是属于铁电材料的压电体，有铁电材料明显的不足——在较高电场的作用下产生严重的迟滞和非线性。压电陶瓷执行器的这一迟滞非线性是由铁电效应产生的。这种非线性迟滞特性降低了系统的控制精度，还会造成与输入信号幅值相关的位移和谐波失真，削弱了闭环控制系统的反馈作用，甚至出现系统不稳定，从而极大地限制了压电陶瓷执行器在微纳米定位技术中的应用。因此，无论在研制压电陶瓷执行器过程中，还是在设计和建立压电陶瓷执行器控制系统时，都需要进行压电陶瓷执行器质量好坏的判别和筛选，而其迟滞特性都是不可忽视的性能指标。目前压电陶瓷执行器筛选方法主要基于其静态特性，除了灵敏度、分辨率、位移的行程范围以外，静态输入和输出的非线性、同一输入下输出的重复性、相同输入正反行程的滞后都是考虑的因素。而后三个静态特征是与压电陶瓷的迟滞曲线特征密切相关的。但是现今迟滞指标的标定是通过有限次实验得到迟滞误差和曲线重复性偏差，这种方法得到的结果往往存在较明显的误差，尤其是迟滞具有非光滑、多值映射、记忆性和方向性特点，甚至还存在次环现象，基于此对压电陶瓷执行器进行筛选的准确性不高，主观性较大，不能满足实际需求。近些年,随着纳米技术的快速发展，压电陶瓷执行器的需求量也在不断增加，面对成批大量的各种各样的压电陶瓷执行器，如何从进行科学的质量筛选，如何为控制系统挑选最合适的执行器，都迫切需要设计一种准确的自动化智能筛选方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，其根据压电陶瓷固有的迟滞非线性特性，通过建立压电陶瓷执行器迟滞特征检测实验，采集正弦输入下压电陶瓷执行器的位移输出数据，并提取位移迟滞曲线的特征。该方法包括：步骤一，将周期往复变化信号加载到压电陶瓷执行器上，使其发生形变，产生位移；步骤二，标定用传感器将位移数据转换成电压信号，记录位移输出信号数据；步骤三，对位移输出信号绘制压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线，其中横轴为输入电压信号x，纵轴为压电陶瓷执行器的位移输出信号y，压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线包括压电陶瓷执行器的上行程和下行程曲线，上行程和下行程曲线的交点为迟滞环起点A和拐点B；步骤四，根据曲线数据依次求得迟滞环起点坐标A(x0,y0)、拐点坐标B(xe,ye)、上行程和下行程曲线间的x轴最大宽度Δxmax、上行程和下行程曲线间的y轴最大宽度Δymax、同一x下压电陶瓷执行器输出与理想直线AB输出的最大差值ΔLmax和压电陶瓷执行器理想输出直线AB的斜率K，获取压电陶瓷执行器性能特征向量P＝[x0,y0,xe,ye,Δxmax,Δymax,ΔLmax,K]。在步骤一中，正弦信号x(t)＝Asin(2πft)+B经过滤波和/或放大后加载到压电陶瓷执行器上。步骤二中，由示波器记录位移电压信号数据。步骤三中，在对位移输出信号绘制压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线前，对位移输出信号进行滤波处理，优选的进行巴特沃斯低通数字滤波处理，包括：采集的压电陶瓷执行器的位移输出电压信号为d(kT)，其中T为采样周期，k＝1...S(S为输入一个周期变化时的采样点总数)；对d(kT)进行巴特沃斯低通数字滤波，得到滤波后位移输出信号y(kT)，且有y(kT)＝H(k)d(kT)，其中H(k)为巴特沃斯低通数字滤波器的传递函数，滤波频率等于输入信号频率。上述述特征参数计算公式如下：Δxmax＝Max|xki-xkj|，其中xki为输出为同一yk的上行程曲线的输入值，xkj为输出为同一yk的下行程曲线的输入值，i,j＝1,2,...,S；Δymax＝Max|yki-ykj|，其中yki为输出为同一xk的上行程曲线的输出值，ykj为输出为同一xk的下行程曲线的输出值，i,j＝1,2,...,S；ΔLmax＝Max|Kx-yi/j|其中K＝|ye-y0|/|xe-x0|，yi/j为在同一x时位移输出上行程或下行程曲线上的相应采样点。本专利技术还提供一种压电陶瓷执行器智能筛选方法，基于提取的位移输出数据进行分层聚类，准确划分不同形状的迟滞曲线，实现对规定指标相同的同类型压电陶瓷执行器质量次品、基本合格、良好和优秀等级的准确筛选。该方法包括：步骤一，对N个待筛选的同种类压电陶瓷执行器，在输入信号不变的情况下，重复如前述的压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法M次，则获得L＝N×M个位移电压输出信号y(kT)，构建压电陶瓷执行器性能评价特征向量Pnm＝[x0,y0,xe,ye,Δxmax,Δymax,ΔLmax,K]，则可以获得N个待筛选压电陶瓷执行器的L个特征向量，构成迟滞曲线数据矩阵W，其中M≥10，n≤N，m≤M；步骤二，计算每个压电陶瓷执行器的迟滞、非线性和重复性指标：迟滞性指标为非线性指标为重复性指标为其中，和分别为在上行程或者下行程输入为同一x时，相同压电陶瓷执行器的第a次和第b次实验获得的迟滞曲线位移输出值；步骤三，根据已知的标定指标δH、δL和满量程输出Y,求得N个同型号压电陶瓷执行器基本合格标定值：步骤四，计算每个压电陶瓷执行器的每条迟滞曲线的特征值δHc和δLc，其中c＝1,2,...L，并求得每个压电陶瓷执行器的平均特征值和其中为压电陶瓷执行器n第m次实验测得的迟滞性数值,为压电陶瓷执行器n第m次实验测得的非线性数值，从而获得第n个压电陶瓷执行器的基本合格特征值其中为压电陶瓷执行器的迟滞环B点纵坐标均值，为迟滞环A点纵坐标均值；步骤五，若λn＞λ，则其对应的压电陶瓷执行器n就为次品，次品数为Nd，去除次品后的合格产品数为N1＝N-Nd。进一步，该方法还包括步骤六，在剩余N1个产品中进行基于分层聚类方法的合格产品的筛选，a)将第n个执行器的第m次实验获得的性能评价特征向量Pnm＝[x0,y0,xe,ye,Δxmax,Δymax,ΔLmax,K]看作一类，其中n＝1,2,...,N1，m＝1,2,...,M，共计Ld个特征向量数据，建立Ld类，即G1(0),G2(0),...,GLd(0)，并计算各类间的欧式距离，得到Ld×Ld的距离矩阵D(0)；b)找出D(e)中的最小元素(e＝0,1,2...)，将其对应的两类合并和为一类，由此建立新的分类G1(e+1),G2(e+1),...；c)计算合并后新类别之间的距离，得到距离矩阵D(e+1)；d)转至第b)步进行重复计算与合并，直至全部压电陶瓷执行器聚为一类，得到聚类分级树；e)按照类数目C＝2从上至下截取聚类分级树，并将N1个产品划分成C1和C2两类，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，特征在于包括：步骤一，将周期往复变化信号加载到压电陶瓷执行器上，使其发生形变，产生位移；步骤二，标定用传感器将位移数据转换成电压信号，记录位移输出信号数据；步骤三，对位移输出信号绘制压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线，其中横轴为输入电压信号x，纵轴为压电陶瓷执行器的位移输出信号y，压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线包括压电陶瓷执行器的上行程和下行程曲线，上行程和下行程曲线的交点为迟滞环起点A和拐点B；步骤四，根据曲线数据依次求得迟滞环起点坐标A(x0,y0)、拐点坐标B(xe,ye)、上行程和下行程曲线间的x轴最大宽度Δxmax、上行程和下行程曲线间的y轴最大宽度Δymax、同一x下压电陶瓷执行器输出与理想直线AB输出的最大差值ΔLmax和压电陶瓷执行器理想输出直线AB的斜率K，获取压电陶瓷执行器性能特征向量P＝[x0,y0,xe,ye,Δxmax,Δymax,ΔLmax,K]。

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，特征在于包括：步骤一，将周期往复变化信号加载到压电陶瓷执行器上，使其发生形变，产生位移；步骤二，标定用传感器将位移数据转换成电压信号，记录位移输出信号数据；步骤三，对位移输出信号绘制压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线，其中横轴为输入电压信号x，纵轴为压电陶瓷执行器的位移输出信号y，压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线包括压电陶瓷执行器的上行程和下行程曲线，上行程和下行程曲线的交点为迟滞环起点A和拐点B；步骤四，根据曲线数据依次求得迟滞环起点坐标A(x0,y0)、拐点坐标B(xe,ye)、上行程和下行程曲线间的x轴最大宽度Δxmax、上行程和下行程曲线间的y轴最大宽度Δymax、同一x下压电陶瓷执行器输出与理想直线AB输出的最大差值ΔLmax和压电陶瓷执行器理想输出直线AB的斜率K，获取压电陶瓷执行器性能特征向量P＝[x0,y0,xe,ye,Δxmax,Δymax,ΔLmax,K]。2.如权利要求1所述的压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，其特征在于：步骤一中，正弦信号x(t)＝Asin(2πft)+B经过滤波和/或放大后加载到压电陶瓷执行器上。3.如权利要求1所述的压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，其特征在于：步骤二中，由示波器记录位移电压信号数据。4.如权利要求1所述的压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，其特征在于：步骤三中，在对位移输出信号绘制压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线前，对位移输出信号进行滤波处理。5.如权利要求4所述的压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，其特征在于：步骤三中，在对位移输出信号绘制压电陶瓷执行器的迟滞特性曲线前，对位移输出信号进行巴特沃斯低通数字滤波处理，包括：采集的压电陶瓷执行器的位移输出电压信号为d(kT)，其中T为采样周期，k＝1...S,其中S为输入一个周期变化时的采样点总数；对d(kT)进行巴特沃斯低通数字滤波，得到滤波后位移输出信号y(kT)，且有y(kT)＝H(k)d(kT)，其中H(k)为巴特沃斯低通数字滤波器的传递函数，滤波频率等于输入信号频率。6.如权利要求1-5之一所述的压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法，其特征在于，特征参数计算公式如下：Δxmax＝Max|xki-xkj|，其中xki为输出为同一yk的上行程曲线的输入值，xkj为输出为同一yk的下行程曲线的输入值，i、j＝1...S，S为输入一个周期变化时的采样点总数；Δymax＝Max|yki-ykj|，其中yki为输出为同一xk的上行程曲线的输出值，ykj为输出为同一xk的下行程曲线的输出值，i、j＝1...S，S为输入一个周期变化时的采样点总数；ΔLmax＝Max|Kx-yi/j|，其中K＝|ye-y0|/|xe-x0|，yi/j为在同一x时位移输出上行程或下行程曲线上的相应采样点。7.一种压电陶瓷执行器智能筛选方法，其特征在于包括：步骤一，对N个待筛选的同种类压电陶瓷执行器，在输入信号不变的情况下，重复如权利要求1-6之一所述的压电陶瓷执行器性能特征量的提取方法M次，则获得L＝N×M个位移电压输出信号y(kT)，构建压电陶瓷执行器性能评价特征向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：何宏，谭永红，闫晓雯，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31