压电自感知执行器及其电场干扰的滤波方法技术

压电自感知执行器及其电场干扰的滤波方法，属于滤波技术领域。本发明专利技术是为了解决将一片或几片压电材料功能集成后同时作为执行器和传感器来使用，传感器部分存在电场干扰的问题。压电自感知执行器的多片执行器压电陶瓷采用机械上串联、电学上并联的方式构成压电叠堆，该压电叠堆上表面和下表面上分别设置一片绝缘层，传感器压电陶瓷设置在压电叠堆上表面的绝缘层上；滤波方法为：采用电荷放大器采集传感器压电陶瓷的输出电荷，电荷放大器将采集的电荷信号转换为电压信号输出；采用计算机采集驱动电压；再经过处理后获得传感器压电陶瓷在外载荷力作用时获得的输出电压真值。本发明专利技术用于压电自感知执行器电场干扰的滤波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压电自感知执行器及其电场干扰的滤波方法，属于滤波

技术介绍
许多应用领域需要同时具有检测、控制和执行的功能，实现这些功能通常同时需要执行器和传感器。执行器产生位移或力，完成期望的控制动作；传感器测量位移或力等物理量，对于一个闭环系统中执行功能和传感功能都是必须的，而若是采用相互独立的执行器和传感器共同工作的话，不仅控制方案更加复杂、需要更大的安装、装配空间，同时也不利于系统向微型化、集成化方向发展。压电材料是具有压电效应的一类材料，其基本可以分为：压电晶体、压电陶瓷、压电半导体与有机高分子材料。压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应两种，利用正压电效应可以将压电材料制成压电传感器，利用逆压电效应可以将压电材料制成压电执行器。若采用结构集成的方式，将利用正压电效应的压电材料和利用逆压电效应的压电材料集成起来，在结构上做成一个模块，这样就可以使一个器件同时具有执行器和传感器的功能，这种器件可以称之为基于结构集成的压电自感知执行器。迄今为止，实现压电执行器和传感器集成一体化的研究主要是采用功能集成的方案，即将某一片或某几片压电材料同时作为执行器和传感器来使用，这样的话执行器部分控制电信号和传感器部分敏感电信号会耦合在一起，这种研究关键技术是如何实现两种电信号的分离解耦，已有的滤波方法有电桥电路法、状态观测器法、时分复用法和空分复用法，但是每种滤波方法都有着应用局限性，其中电桥电路法由于压电电容随边界条件变动，导致电桥电路不容易调节平衡；状态观测器法过分依赖模型精度，自感知结果需要与标准传感器标定后才能使用；时分复用法的控制电路复杂，并且由于执行时间和传感时间的分离必然导致传感信号存在误差；空分复用法驱动电极和敏感电极划分困难，并且会限制模型的外形尺寸。除此之外功能集成的方案均没有考虑多片压电材料共同工作时，它们相互之间的电场干扰，导致其在需要较多片压电材料同时工作的场合适用性较差。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决将一片或几片压电材料功能集成后同时作为执行器和传感器来使用，传感器部分存在电场干扰的问题，提供了一种压电自感知执行器及其电场干扰的滤波方法。本专利技术所述一种压电自感知执行器，它包括三片绝缘层、多片执行器压电陶瓷和传感器压电陶瓷，多片执行器压电陶瓷采用机械上串联、电学上并联的方式构成压电叠堆，该压电叠堆上表面和下表面上分别设置一片绝缘层，传感器压电陶瓷设置在压电叠堆上表面的绝缘层上，传感器压电陶瓷的上表面设置一片绝缘层。一种压电自感知执行器电场干扰的滤波方法，该滤波方法适用于上述压电自感知执行器，对所述压电叠堆施加驱动电压UP(t)，同时对在传感器压电陶瓷上方施加外载荷力F；所述滤波方法为：采用电荷放大器采集传感器压电陶瓷的输出电荷，电荷放大器将采集的电荷信号转换为电压信号输出；采用计算机采集驱动电压UP(t)；计算机将驱动电压UP(t)进行傅里叶展开，形成不同幅值、频率的正弦波电压叠加，分别计算传感器压电陶瓷受到外载荷力F＝0，每个正弦波电压单独作为压电叠堆的驱动电压时，传感器压电陶瓷产生的误差电压，将所有误差电压叠加获得驱动电压UP(t)作为压电叠堆的驱动电压时，传感器压电陶瓷产生的总误差电压；将电荷放大器输出的电压信号减去所述总误差电压，获得传感器压电陶瓷在外载荷力F作用时获得的输出电压真值，实现对压电自感知执行器电场干扰的滤波。本专利技术的优点：本专利技术采用结构集成的方式来将压电执行器和传感器集成到一起，采用不同的压电片作为执行器和传感器来使用，在结构上将它们做成一个模块，由于执行器和传感器分别由独立的压电片构成，这样就不会出现执行器部分控制电信号和传感器部分敏感电信号耦合的情况。而对于传感器部分会受到执行器部分产生的电场干扰的状况，本专利技术提出了一种滤波方法，来滤除压电自感知执行器传感信号中由于干扰电场带来的影响。通过仿真和实验验证，此种滤波方法可以消除传感器压电陶瓷所受到的95％以上的电场干扰，极大的提高传感信号的精度。本专利技术的滤波方法可以提高压电自感知执行器传感信号精度；它实现了执行器执行和传感功能的集成，易于模块化，有利于向MEMS方向发展；所述执行器节省空间、便于安装和装配，省去了独立传感器及其配套的供电、显示系统，经济性更好；本专利技术在超精密加工、光纤熔接、空间卫星通讯、生物医学工程、微机械夹持、振动主动控制等需要高精度、微位移驱动，但空间尺寸受制约的高科技领域有更好的应用前景。附图说明图1是本专利技术所述压电自感知执行器的结构示意图；图2是压电自感知执行器的极化方式示意图；图3是对压电自感知执行器施加的驱动电压信号示意图；图4任意驱动电压信号在进行傅里叶变换时延拓方式示意图；图中Up为驱动电压，t为时间；图5是压电自感知执行器电场干扰的滤波方法原理示意图；图中1为压电自感知执行器，6为驱动电源；图6是本专利技术技术方案中，多片执行器压电陶瓷采用电学上串联的方式供电时滤波方法原理示意图。具体实施方式具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述压电自感知执行器，它包括三片绝缘层2、多片执行器压电陶瓷3和传感器压电陶瓷4，多片执行器压电陶瓷3采用机械上串联、电学上并联的方式构成压电叠堆，该压电叠堆上表面和下表面上分别设置一片绝缘层2，传感器压电陶瓷4设置在压电叠堆上表面的绝缘层2上，传感器压电陶瓷4的上表面设置一片绝缘层2。本实施方式中，执行器压电陶瓷3和传感器压电陶瓷4基于结构集成，三片绝缘层2将执行器压电陶瓷3、传感器压电陶瓷4以及周围环境分隔开。具体实施方式二：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述压电自感知执行器电场干扰的滤波方法，该滤波方法适用于上述压电自感知执行器，对所述压电叠堆施加驱动电压UP(t)，同时对在传感器压电陶瓷4上方施加外载荷力F；所述滤波方法为：采用电荷放大器5采集传感器压电陶瓷4的输出电荷，电荷放大器5将采集的电荷信号转换为电压信号输出；采用计算机7采集驱动电压UP(t)；计算机7将驱动电压UP(t)进行傅里叶展开，形成不同幅值、频率的正弦波电压叠加，分别计算传感器压电陶瓷4受到外载荷力F＝0，每个正弦波电压单独作为压电叠堆的驱动电压时，传感器压电陶瓷4产生的误差电压，将所有误差电压叠加获得驱动电压UP(t)作为压电叠堆的驱动电压时，传感器压电陶瓷4产生的总误差电压；将电荷放大器5输出的电压信号减去所述总误差电压，获得传感器压电陶瓷4在外载荷力F作用时获得的输出电压真值，实现对压电自感知执行器电场干扰的滤波。传感器压电陶瓷4在外载荷力F和驱动电压UP(t)产生的电场干扰的共同作用下，产生的电荷为QF+QC，QF为外载荷力F作用下产生的电荷，QC为电场干扰产生的电荷；此时电荷放大器5输出的电压信号Uf(t)为：式中Cf为电荷放大器5的电容；其中为传感器压电陶瓷4在电场干扰下产生的总误差电压。计算机7对采集的驱动电压UP(t)进行反向延拓，得到周期性奇函数U'P(t)，其中t＝(0,a)时，U'P(t)＝UP(t)，a为有限区间的边界值；对U'P(t)进行傅里叶展开，得到UP(t)的表达式：式中b为傅里叶系数，函数基频ω0＝2π/T，T为函数周期；选取UP(t)的表达式中低频的正弦波电压组成成分，获得U2(t)：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电自感知执行器，其特征在于，它包括三片绝缘层(2)、多片执行器压电陶瓷(3)和传感器压电陶瓷(4)，多片执行器压电陶瓷(3)采用机械上串联、电学上并联的方式构成压电叠堆，该压电叠堆上表面和下表面上分别设置一片绝缘层(2)，传感器压电陶瓷(4)设置在压电叠堆上表面的绝缘层(2)上，传感器压电陶瓷(4)的上表面设置一片绝缘层(2)。

【技术特征摘要】
1.一种压电自感知执行器，其特征在于，它包括三片绝缘层(2)、多片执行器压电陶瓷(3)和传感器压电陶瓷(4)，多片执行器压电陶瓷(3)采用机械上串联、电学上并联的方式构成压电叠堆，该压电叠堆上表面和下表面上分别设置一片绝缘层(2)，传感器压电陶瓷(4)设置在压电叠堆上表面的绝缘层(2)上，传感器压电陶瓷(4)的上表面设置一片绝缘层(2)。2.一种压电自感知执行器电场干扰的滤波方法，该滤波方法适用于权利要求1所述压电自感知执行器，其特征在于，对所述压电叠堆施加驱动电压UP(t)，同时对在传感器压电陶瓷(4)上方施加外载荷力F；所述滤波方法为：采用电荷放大器(5)采集传感器压电陶瓷(4)的输出电荷，电荷放大器(5)将采集的电荷信号转换为电压信号输出；采用计算机(7)采集驱动电压UP(t)；计算机(7)将驱动电压UP(t)进行傅里叶展开，形成不同幅值、频率的正弦波电压叠加，分别计算传感器压电陶瓷(4)受到外载荷力F＝0，每个正弦波电压单独作为压电叠堆的驱动电压时，传感器压电陶瓷(4)产生的误差电压，将所有误差电压叠加获得驱动电压UP(t)作为压电叠堆的驱动电压时，传感器压电陶瓷(4)产生的总误差电压；将电荷放大器(5)输出的电压信号减去所述总误差电压，获得传感器压电陶瓷(4)在外载荷力F作用时获得的输出电压真值，实现对压电自感知执行器电场干扰的滤波。3.根据权利要求2所述的压电自感知执行器电场干扰的滤波方法，其特征在于，传感器压电陶瓷(4)在外载荷力F和驱动电压UP(t)产生的电场干扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：单小彪，梁云雷，谢涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23