CN110132117B

CN110132117B - 压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***、方法和装置

Info

Publication number: CN110132117B
Application number: CN201910478437.9A
Authority: CN
Inventors: 杜章铭; 周超; 王硕; 邓赛; 张甜露; 程龙; 谭民
Original assignee: Institute of Automation of Chinese Academy of Science
Current assignee: Institute of Automation of Chinese Academy of Science
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2039-06-03
Also published as: CN110132117A

Abstract

本发明属于测量仪器领域，具体涉及一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，旨在为了解决现有测量***对压电陶瓷致动器的纳米级形变位移测量结果受非线性影响较大，测量精确度低，采样频率低。本发明包括自感知位移测量数据采集模块，用于测量压电陶瓷电极表面电荷和驱动电压；时间‑数字转换测量数据采集模块，实现将应变片电阻测量转换为时间测量；数据处理和融合模块，用于对测量数据进行处理和计算，并通过异步多频率数据源融合算法融合为高频率的位移数据，作为最终测量结果。本发明占用空间小，散热低，能对压电陶瓷致动器的纳米尺度运动进行实时、精确的测量，测量结果克服了非线性影响，测量精度高，采样频率高。

Description

压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***、方法和装置

技术领域

本发明属于测量仪器领域，具体涉及一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***、方法和装置。

背景技术

基于逆压电效应，压电陶瓷器件在外部电场的作用下能产生微小的形变，因此被应用于纳米操作机器人的致动器，使之能在纳米尺度上完成对物质的操作和交互。为了提高纳米操作机器人的自动化水平，对这种纳米尺度运动需要进行闭环控制，要求对致动器的纳米级形变位移进行精确测量。

自感知位移测量方法基于从压电方程推导出的形变位移与其它电学物理量之间的关系，将位移测量转化为驱动电压和压电效应产生的自由电荷测量，测量装置配置于压电致动器驱动电路中，无需在致动器工作空间内增加任何占用空间或导致发热的探头等装置，能达到1纳米以内的分辨率，且拥有较高的采样速率，但其测量结果受非线性影响较大，具有一定畸变。

时间-数字转换方法是利用电阻应变片与压电致动器一同发生形变时产生的电阻变化进行电阻测量而得到位移信息，具有测量结果线性度高等优点，同时也只在压电致动器工作空间内增加可以忽略不计的微小体积。与传统电阻应变片测量方法相比，时间-数字转换方法进行电阻测量时，能将测量过程中的发热降低到十分之一以下，但是采样频率较低，仅有几十赫兹。

现有测量***对压电陶瓷致动器的纳米级形变位移测量结果受非线性影响较大，测量精确度低，采样频率低，成为提高纳米操作机器人的自动化水平亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有测量***对压电陶瓷致动器的纳米级形变位移测量结果受非线性影响较大，测量精确度低的问题，本发明的第一方面，提出了一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，该***包括自感知位移测量数据采集模块、时间-数字转换测量数据采集模块、数据处理和融合模块；

所述自感知位移测量数据采集模块，配置为基于第一采集频率，获取压电陶瓷发生位移时压电陶瓷电极上的驱动电压、压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的感应电压，将所获取数据作为第一测量数据；

所述时间-数字转换测量数据采集模块，配置为基于第二采集频率，通过时间–数字转换方法,获取经电阻应变片给电容充电后的放电时间，将所获取数据作为第二测量数据；

所述数据处理和融合模块，配置为基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷对应各采样间隔的位移，将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果。

在一些优选的实施方式中，所述自感知位移测量数据采集模块包括：

电压测量子模块，配置为获取所述压电陶瓷电极上的驱动电压的数字信号表示；

电荷测量子模块，配置为获取所述压电陶瓷电极表面产生的自由电荷感应产生的感应电压的数字信号表示。

在一些优选的实施方式中，所述电压测量子模块包括电压跟随器和模数转换器：

所述电压跟随器，配置为跟随采集所述压电陶瓷驱动电源的驱动电压并输出；

所述模数转换器，配置为基于所述电压跟随器的输出信号，获取所述驱动电压的数字信号表示。

在一些优选的实施方式中，所述电荷测量子模块包括电荷放大器和模数转换器：

所述电荷放大器，串联设置于所述压电陶瓷负极与地之间，用于获取所述压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的感应电压；

所述模数转换器，用于基于所述电荷放大器的输出，获取所述感应电压的数字信号表示。

在一些优选的实施方式中，所述时间-数字转换测量数据采集模块包括：

采集电路子模块，包括电阻应变片、电容和开关电路；所述电阻应变片贴附设置于所述压电陶瓷形变表面，用于采集压电陶瓷形变位移；所述电容用于充电或放电时电荷的储存；所述开关电路用于以恒定电压对所述电容进行充电控制和放电控制；

电压测量子模块，配置为通过对所述电容的电压进行测量，获取电压的模拟信号表示；

时间-数字转换子模块，配置为基于电压测量子模块输出的电压的模拟信号表示，通过时间-数字转换器获取电容放电时间的数字信号表示。

在一些优选的实施方式中，所述数据处理和融合模块包括：

电量非线性补偿子模块，配置为基于漏电累积误差的估算，对压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的测量数据进行非线性补偿；

位移计算子模块，配置为基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷各采样间隔的位移；

位移融合计算子模块，配置为基于异步多频率数据源融合算法对所述位移计算子模块输出的两组异步压电陶瓷位移数据进行数据融合，获取输出频率等于两组位移数据采样频率之和的最终位移测量结果

K(k)＝(P^-(k)H^T+U)(HP^-(k)H^T+R+HU+U^TH^T)^-1

其中，

为依据前一位移测量结果对当前位移测量结果的预测值，K(k)为增益系数，z(k)为状态量，H为模型系数。

本发明的第二方面提出了一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法，该方法包括以下步骤：

基于第一采集频率，获取压电陶瓷发生位移时压电陶瓷电极上的驱动电压、压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的感应电压，将所获取数据作为第一测量数据；

基于第二采集频率，通过时间-数字转换方法，获取经电阻应变片给电容充电后的放电时间，将所获取数据作为第二测量数据；

基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷对应各采样间隔的位移，将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果。

在一些优选的实施方式中，“将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果”的方法为：基于异步多频率数据源融合算法对两组异步移数据进行数据融合，获取输出频率等于两组位移数据采样频率之和的最终位移测量结果

K(k)＝(P^-(k)H^T+U)(HP^-(k)H^T+R+HU+U^TH^T)^-1

其中，

本发明的第三方面提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法。

本发明的第四方面提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法。

本发明的有益效果：

本发明***中将通过自感知位移测量方法和时间-数字转换方法得到的两组不同频率的位移数据融合为一组高频率的位移数据，作为最终测量结果，***不仅占用空间小，散热量低，而且克服了非线性影响，具有测量精度高，采样频率高，噪声低的优点，实现了对压电陶瓷致动器纳米尺度运动的实时、精确测量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量******框架示意图；

图2自感知位移测量数据采集模块电路示意图；

图3时间-数字转换测量数据采集模块电路原理图；

图4异步多频率数据源融合算法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***100，如图1所示，包括自感知位移测量数据采集模块110、时间-数字转换测量数据采集模块120、数据处理和融合模块130。

自感知位移测量数据采集模块110，配置为基于第一采集频率，获取压电陶瓷发生位移时压电陶瓷电极上的驱动电压、压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的感应电压，将所获取数据作为第一测量数据。

时间-数字转换测量数据采集模块120，配置为基于第二采集频率，通过时间–数字转换方法,获取经电阻应变片给电容充电后的放电时间，将所获取数据作为第二测量数据。

数据处理和融合模块130，配置为基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷对应各采样间隔的位移，将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果。

为了更清晰地对本发明进行说明，下面结合附图对本发明***一种实施例中各模块进行展开详述。

1、自感知位移测量数据采集模块

自感知位移测量数据采集模块110，如图2所示，嵌入于压电陶瓷致动器的驱动电路中，包括电压测量子模块111、电荷测量子模块112。

电压测量子模块111由模数转换器1通过电压跟随器对压电陶瓷上的驱动电压V_driver值进行采样、量化和编码，之后同步传送至数据处理与融合模块130。

电荷测量子模块112将压电陶瓷作为测量对象，虚线框内为压电陶瓷等效模型(非实际电路)，压电陶瓷形变产生电荷，相当于一个受控电荷源在一个等效电容C_p极板上释放电荷Q_e，并在电荷放大器反馈电容C_f上感应出等量电荷，则可根据公式(1)

Q_e＝-V_out·C_f (1)

将V_out作为电荷测量的直接测量值。

电荷测量子模块112串联在压电陶瓷负极与地之间，用一个以低偏置电流高精度运算放大器和高稳定性反馈电容C_f组成的电荷放大器获取压电陶瓷电极上的感应电压V_out，经模数转换器2进行采样、量化和编码，之后同步传送至数据处理与融合模块130。

因为等效电阻R_p的存在，压电陶瓷工作时有电流漏过，因此电路中加入电阻R_l作为此部分电流的泄放通道，以防止C_f被其充电导致漂移。

2、时间-数字转换测量数据采集模块

2.1、采集电路子模块121

电路原理如图3所示，两片电阻应变片分别贴于压电陶瓷发生形变的表面和静止的参考平面上。控制器以V的恒定电压通过开关电路G1向电容C充电，当C上电压达到上阈值V_cc时关闭G1。放电控制信号1控制开关电路G2打开，测量对象上的应变片放电直至电容电压达到下阈值V_th，此放电过程时间记为t₁，关闭G2后重复充电过程，之后放电控制信号2控制开关电路G3打开，参考平面上的应变片放电直至电容电压达到下阈值V_th，此放电过程时间记为t₂。电压波形图如图3所示，其中横坐标为时间(time)，纵坐标为电压的。

2.2、电压测量子模块122

当电容C上电压达到上阈值V_cc时，通过测量对象上的应变片放电直至电容电压达到下阈值V_th；当电容C上电压达到上阈值V_cc时，通过参考平面上的应变片放电直至电容电压达到下阈值V_th；将两次放电过程中的电容电压作为时间-数字转换子模块的输入。

2.3、时间-数字转换子模块123

基于输入的电容电压模拟信号，通过时间-数字转换器采集获取电容两次放电过程的放电时间t₁和t₂，其中t₁和t₂为数字信号。时间信号t₁和t₂以同步方式向数据处理与融合模块130输出。

3、数据处理和融合模块130

数据处理和融合模块130包括电量非线性补偿子模块131、位移计算子模块132和位移融合计算子模块133。

3.1、电量非线性补偿子模块131

基于漏电累积误差的估算，对压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的测量数据通过非线性补偿算法按照公式(2)进行非线性补偿，得到第i次采样结果修正后的电荷值。

式中

为采样频率倒数即采样间隔时间。

3.2、位移计算子模块132

基于自感知位移测量数据采集模块110测量数据进行位移计算的方法为：

通过公式(3)根据Q_e和V_driver计算出最终的自感知测量位移数据：

此式由压电方程结合麦克斯韦方程组得到，并且除目标位移S，电荷Q_e，电压V_driver外均为常数；

以线性回归标定后的参数α、β和γ，根据公式(4)得到最终自感知位移测量输出值。

S_SS＝α·Q_e+β·V_driver+γ (4)

基于时间-数字转换测量数据采集模块120测量数据进行位移计算的方法为：

基于时间-数字转换测量数据采集模块120测量数据，通过公式(5)计算两次放电时间之差Δt；

公式(5)右边ΔR_p为压电陶瓷上的应变片电阻变化量，与形变位移x成线性关系，其余皆为常数，则Δt与x也成线性关系，如公式(6)所示，其中a、b为常数；

Δt＝a·x+b (6)

最终时间-数字转换位移测量输出结果S_TDC为x的线性转化量，故位移可以根据线性回归后的常参数ω和η通过公式(7)计算得到。

S_TDC＝ω·Δt+η (7)

3.3、位移融合计算子模块133

因两个位移测量数据采集模块的采样是异步的，且二者采样频率相差较大，其中自感知位移测量数据采集模块的采样频率是时间-数字转换测量数据采集模块的10倍以上，因此位移计算子模块132计算得到的两个位移数据频率不同。位移融合计算子模块133通过以下基于卡尔曼滤波改进的方式，如图4所示，对两个位移数据进行状态估计以实现数据融合的目的。

当k时刻输入的是自感知数据S_SS(k)时，首先计算其相对上一个自感知数据S_SS(k-1)的增量u(k)＝S_SS(k)-S_SS(k-1)，然后判断上一个输入量是来自哪个测量模块计算得到的位移数据，若来自自感知位移测量数据采集模块，则状态量z(k)＝z(k-1)+u(k)，若来自时间-数字转换测量数据采集模块，则

其中

是上一步的融合结果。然后按照以下步骤进行更新计算：

P-(k)＝P(k-1)+Q

K(k)＝(P-(k)H^T+U)(HP-(k)H^T+R+HU+U^TH^T)^-1

P(k)＝(1-K(k)H)P-(k)-K(k)U^T

其中，K(0)、P(0)可以任意非负值初始化，模型系数H＝1，Q为

的均方误差，R为z(k)的均方误差，其根据输入的不同，可表示为预测模型输出值均方误差或自感知模块输出值的均方误差，U为与

平均误差和z(k)平均误差都相关的一个常数，即

误差和z(k)误差之积的平均值，以上各常数项均可由单模块的测试与估计得到。

为估计结果，即此时刻的最终测量结果，

为依据前一位移测量结果对当前位移测量结果的预测值，K(k)为增益系数，P(k)为融合结果的协方差矩阵，其对角线元素之和表示融合结果的均方误差估计值，初值可设置为任意正定对称矩阵，一维情况下设为任意正实数，其值将随迭代过程自动收敛；P-(k)为迭代计算P(k)与K(k)时的中间变量，T表示转置。

当输入测量结果来自时间-数字转换测量数据采集模块计算得到的位移数据时，S_TDC(k)，沿用上一个u(k)，即离当前时刻最近的自感知增量，即u(k)＝u(k-1)＝S_SS(k-1)-S_SS(k-2)。状态量此时是一个二元矢量z(k)＝[S_TDC(k)，S_SS(k-1)]^T，相应的，此时模型系数H也是一个二元矢量

然后按照以下步骤进行更新计算：

P^-(k)＝P(k-1)+Q

K(k)＝(P^-(k)H^T+U)(HP^-(k)H^T+R+HU+U^TH^T)^-1

P(k)＝(1-K(k)H)P^-(k)-K(k)U^T

因为z(k)此时是来自两个测量模块结果组合的矢量，相应的U、R、K(k)的维度也发生了变化。

为估计结果，即此时刻位移的最终测量结果。

为了提高融合算法在高频情况下的稳定性，对Q按公式(8)进行自适应：

其中C为常数，

通过上述过程，可以分别对两个位移数据进行状态估计，既利用了当前位移计算的输入量，又利用另一个位移计算的增量信息，以融合二者的测量结果。最终的输出频率相当于两个位移数据的输出频率之和。

表1给出了以上计算过程中几项量化指标的比较，可见融合测量结果相对于两组原始测量，误差基本上处于最小。

表1

需要说明的是，上述实施例提供的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明实施例的一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法，包括以下步骤：

基于第二采集频率，通过时间–数字转换方法，获取经电阻应变片给电容充电后的放电时间，将所获取数据作为第二测量数据；

基于第一测量数据、第二测量数据分别计算压电陶瓷对应各采样间隔的位移，将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果。

方法中各步骤的详细实施方法参见本发明一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***的模块功能实现描述。

本发明实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法。

本发明实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，其特征在于，该***包括自感知位移测量数据采集模块、时间-数字转换测量数据采集模块、数据处理和融合模块；

所述数据处理和融合模块，配置为基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷对应各采样间隔的位移，并通过预设的基于异步多频率数据源融合算法将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，其特征在于，所述自感知位移测量数据采集模块包括：

3.根据权利要求2所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，其特征在于，所述电压测量子模块包括电压跟随器和模数转换器：

4.根据权利要求2所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，其特征在于，所述电荷测量子模块包括电荷放大器和模数转换器：

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，其特征在于，所述时间-数字转换测量数据采集模块包括：

6.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量***，其特征在于，所述数据处理和融合模块包括：

电量非线性补偿子模块，配置为基于获取的漏电累积误差，对压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的测量数据进行非线性补偿；

位移融合计算子模块，配置为通过预设的基于异步多频率数据源融合算法对所述位移计算子模块输出的两组异步压电陶瓷位移数据进行数据融合，获取输出频率等于两组位移数据采样频率之和的最终位移测量结果

K(k)＝(P^-(k)H^T+U)(HP^-(k)H^T+R+HU+U^TH^T)^-1

其中，

为依据前一位移测量结果对当前位移测量结果的预测值，K(k)为增益系数，z(k)为状态量，H为模型系数，U为

误差和z(k)误差之积的平均值，R为z(k)的均方误差，P^-(k)为迭代计算位移数据融合结果的协方差矩阵与K(k)时的中间变量，T表示转置。

7.一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

基于第二采集频率，通过时间–数字转换方法,获取经电阻应变片给电容充电后的放电时间，将所获取数据作为第二测量数据；

基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷对应各采样间隔的位移，并通过预设的基于异步多频率数据源融合算法将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果。

8.根据权利要求7所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法，其特征在于，“通过预设的基于异步多频率数据源融合算法将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果”的方法为：通过预设的基于异步多频率数据源融合算法对两组异步位移数据进行数据融合，获取输出频率等于两组位移数据采样频率之和的最终位移测量结果

K(k)＝(P^-(k)H^T+U)(HP^-(k)H^T+R+HU+U^TH^T)^-1

其中，

9.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求7-8中任一权利要求所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法。

10.一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求7-8中任一权利要求所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量方法。