CN1570544A - 实现压电自感知执行器的空分复用解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测控技术领域，涉及到压电传感器与压电执行器的集成方法。其特征为：在一片压电陶瓷/晶体上同时使用正、逆压电效应，通过空分复用解耦方法实现压电自感知执行器。压电陶瓷/晶体的下电极面作公共地电极，将上电极面分割成两组，一组作执行电极，另一组作传感电极。在执行电极和地电极之间施加交流驱动电压，用来产生动态位移、速度或驱动力；将传感电极和地电极之间虚短路，利用超低偏流运算放大器测量短路电流，获得执行器及其机械结构的速度。本发明的优点是：技术实现方便，避免了电桥解耦法中电桥不易平衡的缺点；可实现真正的同位控制、提高控制稳定性；易于减小机电***重量和体积、有利于促进机电***的集成化和微型化。

Description

实现压电自感知执行器的空分复用解耦方法

技术领域

本发明属于测控技术领域，涉及到压电传感器与执行器功能集成的方法。

背景技术

许多应用领域同时需要执行器和传感器。执行器产生位移或力；传感器测量位移和力等物理量，无论开环监测还是闭环控制都需要传感器。组建闭环***通常的技术路线是采用独立的传感器和独立的执行器，这种方法的缺点是不利于同位控制、不便于***集成化和微型化。利用换能器件的双向机电可逆变换效应，使一个器件同时具有传感和执行两种功能，这种器件被称为自感知执行器。自感知执行器是测控领域的一项新技术。利用正、逆压电效应能够设计压电自感知执行器，其关键技术是执行器控制电压与传感器敏感电信号的解耦。

迄今为止，实现压电自感知执行器主要采用电桥电路解耦法。美国专利US5,347,870首次公开了压电自感知执行器实现方法，基于电桥解耦法使一片压电换能器同时具有激发和感知位移、速度或加速度两种作用；US5,656,779和US5,913,955公开了把电桥解耦法压电自感知执行器作为一种结构振动测控的方法；US6,100,623公开了利用压电元件同时激励和感知支架结构位移的方法，发明了快速调整电桥参数和增大带宽的方法；US6,469,418公开了采用差动变压器比较压电电流与参考电容电流的方法，是对电桥方法的改进；US6,600,619公开了利用电桥解耦法使压电微执行器自感知机械应变、并应用于磁盘磁头精密定位过程中振动控制的方法。电桥解耦法的难题是电桥电路不容易平衡。因为压电电容随边界条件变动，导致电桥电路阻抗不匹配，因此需要反复调电桥平衡。US5,578,761公开了采用模拟和数字混合自适应技术跟踪压电电容变化、以便实时调电桥平衡的方法。

发明内容

本发明的目的是为实现压电自感知执行器提供一种新的解耦方法--空分复用法，解决电桥解耦法中电桥不容易平衡的问题。

本发明的总体技术方案是：压电自感知执行器1、执行器驱动电源电路2、传感器短路电流测量电路3组成空分复用的压电自感知执行器***；压电自感知执行器1由压电陶瓷/晶体4、地电极5、传感电极6、执行电极7、电极接线板8组成，传感电极6与地电极5组成传感器电极，执行电极7与地电极5组成执行器电极，即空分复用的压电自感知执行器1含有两对电极；执行器驱动电源电路2产生交流电压Vin，施加在执行电极7与地电极5之间，压电陶瓷/晶体4作为执行器，产生动态位移或力；传感器短路电流测量电路3获得敏感电流，该电流与速度成比例，所以压电陶瓷/晶体4又能感知其自身的速度。这样，通过电极的空间分割，达到了传感器和执行器对一片压电陶瓷/晶体换能器的复用，实现了压电自感知执行器。

通常压电陶瓷/晶体有两个电极面，一个电极面是地电极，另一个电极面是完整的、不分割的；如果这一对电极用于检测敏感信号，那么压电陶瓷/晶体就是传感器；如果在这一对电极上施加驱动电压，那么压电陶瓷/晶体就是执行器。采用电桥电路解耦法实现的压电自感知执行器只有一对电极，因而执行器的驱动电压和传感器的敏感电压混合在一起，需要采用电桥电路将二者分离。由于电桥电路阻抗不容易匹配，所以调整电桥平衡困难。本发明将电极面适当地分割成两组，一组做传感电极，一组做执行电极，通过这两组空间上分离的电极，驱动电压和敏感电信号自然分离。只要传感电极和执行电极空间充分交叉靠近，那么两组电极所在位置的运动即是同步一致的，传感电极与地电极之间的电压/电流就是由执行器结构的运动感应的。因此，不仅实现了传感器和执行器对一片压电陶瓷/晶体的复用，而且传感器和执行器是同位配置；一片压电陶瓷/晶体既做执行器又做传感器，即实现了压电自感知执行器。传感电极和执行电极的充分靠近又带来静电干扰问题，传感电极和地电极之间的电压受执行电极电压的静电干扰；但是如果将传感电极和地电极短路，变测量开路电压为测量短路电流，静电干扰问题就解决了。

本发明的具体技术方案是：压电陶瓷/晶体4的一个电极面全部做地电极5；另一个电极面被分割成两组，一组做传感电极6，另一组做执行电极7，传感电极6和执行电极7交错排布。如果压电陶瓷/晶体4为方形晶片或长方形晶片，传感电极6和执行电极7为回字形或叉指形；如果压电陶瓷/晶体4为圆片，传感电极6和执行电极7为环形。将两片相同的压电自感知执行器1的地电极5粘贴在一起，可以组成压电双晶片式自感知执行器。如果多片压电陶瓷/晶体4组成叠堆结构，空分复用的技术方案是：在叠堆最上部晶片的执行电极7上涂绝缘感应层9，在绝缘感应层9上涂银或覆铜，银层或铜层就是传感电极6。传感器短路电流测量电路3由集成运算放大器IC₁、直流电源+Vcc和-Vcc、电阻R₁、R₂、R₃组成。IC₁的正电源端接+Vcc，IC₁的负电源端接-Vcc；IC₁的反相输入端通过电极接线板8接传感电极6，IC₁的同相输入端接地；IC₁的同相输入端和反相输入端用屏蔽环屏蔽后接地，空脚8与屏蔽环连接。R₁的一端接IC₁的反相输入端，R₁的另一端接电阻R₂和R₃；R₂的一端接R₁和R₃，另一端接IC₁的输出端；R₃的一端接R₁和R₂，另一端接地。

本发明的效果和益处是采用空分复用解耦方法使一片压电陶瓷/晶体做自感知执行器。由于不涉及压电电容参数，不需要调整电桥平衡，因而降低了自感知执行器的设计难度。本发明不仅可减小压电执行器和传感器集成***的重量和体积、促进其集成化和微型化，而且可实现真正的同位控制、提高控制稳定性，可广泛适用于对速度和位移的测控***，如振动主动控制、***辨识和健康诊断。

附图说明

图1是压电自感知执行器物理基础及机电双口网络示意图。

图2是空分复用解耦法实现压电自感知执行器的整体实施方式示意图。

图3和图4是其他方式空分复用示意图。

图中，v为速度；F为力；V为电压；I为电流；Z_m为机械阻抗；Y_e为压电电容的导纳；N为速度v＝0时电压到力的变换因子；V_in是执行器驱动电压；I_s是传感电极6和地电极5之间的短路电流；V_out是IC₁的输出电压。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细说明本发明的具体实施方式和实施例。

如图1，本发明的物理基础是正、逆压电效应，压电效应对机电能量转换具有双向可逆性。机械能转换成电能是正压电效应，利用正压电效应可以制作力、位移、速度、加速度传感器；电能转换成机械能是逆压电效应，利用逆压电效应可以制作执行器，产生力或位移。当正、逆压电效应同时进行时，如果能解除执行器的控制电压和传感器敏感电信号之间的耦合，那么双向机电能量转换相当于是各自独立进行的，则实现了压电自感知执行器。与图1对应的机电变换方程如下：

按照本发明的技术方案，上述方程应用于执行器时，V＝V_in，如果执行器作力输出器，v＝0，输出力F＝NV；如果执行器作***，输出速度 $v=\frac{F-\mathrm{NV}}{Z_m},$ 具体速度或位移大小要由外部传感器测量；上述方程应用于传感器时，正压电效应和静电干扰对电压V都有影响，为了消除干扰因素，令V＝0，即传感电极和执行电极短路，则短路电流I_s＝-Nv，I_s与速度成比例。

实施例1：

如图2，本发明包括压电自感知执行器1、执行器驱动电源电路2和短路电流测量电路3。压电自感知执行器1由压电陶瓷/晶体4、地电极5、传感电极6、执行电极7、电极接线板8组成，叉指形传感电极6和执行电极7交叉排列。电极接线板8固定在压电自感知执行器外封装上，地电极5、传感电极6和执行电极7的引线接到电极接线板8上，地电极5接地。执行器驱动电源电路2为交流电压源，V_in的一端通过电极接线板8接执行电极7，V_in的另一端接地。短路电流测量电路3由集成运算放大器IC₁、直流电源+Vcc和-Vcc、电阻R₁、R₂、R₃组成。IC₁的正电源端接+Vcc，IC₁的负电源端接-Vcc；IC₁的反相输入端通过电极接线板8接传感电极6，IC₁的同相输入端接地；IC₁的同相输入端和反相输入端用屏蔽环6屏蔽后接地，空脚8与屏蔽环连接。R₁的一端接IC₁的反相输入端，R₁的另一端接电阻R₂和R₃；R₂的一端接R₁和R₃，另一端接IC₁的输出端；R₃的一端接R₁和R₂，另一端接地。V_in的电压可根据具体应用要求在-140V～+140V范围内选择，参见中国专利CN2586280Y，IC₁选用典型偏流为75fA的集成运算放大器OPA129，+Vcc＝+15V，-Vcc＝-15V，R₂＝18kΩ，R₃＝2kΩ，V_out＝-R₁I_s。

实施例2：

如图3所示，压电自感知执行器1还可以采用回字形电极分割方式。压电自感知执行器1分为三层，中层是压电陶瓷/晶体4，下层是公共地电极5，上层是回字型分割的传感电极6和执行电极7。若压电陶瓷/晶体4为方形，则将电极分割成回字形，若压电陶瓷/晶体4为圆形，则将电极分割成环形。执行电极和敏感电极相间排列。

实施例3：

如图4所示，压电自感知执行器1还可以采用全电极复用方式。压电自感知执行器1分为五层，从下向上：第一层是公共地电极5；第二层是压电陶瓷/晶体4，可以单片，也可以是叠堆结构；第三层是执行器电极层7；第四层是厚度为0.1～0.3mm的绝缘感应层9，第五层是传感电极层6。前三层与常规执行器的结构没有区别。绝缘感应层9有两个作用：一是起绝缘作用，防止执行电极和传感电极之间短路；二是将执行电极上的电荷耦合到传感电极上。

Claims (3)

1.实现压电自感知执行器的空分复用解耦方法，其特征是：

a)空分复用解耦法实现的压电自感知执行器***包括空分复用的压电自感知执行器(1)、执行器驱动电源电路(2)和传感器短路电流测量电路(3)；

b)压电自感知执行器(1)由压电陶瓷/晶体(4)、地电极(5)、传感电极(6)、执行电极(7)、电极接线板8组成；传感电极6和执行电极7交错排列；地电极(5)、传感电极(6)和执行电极(7)的引线接到电极接线板(8)上；电极接线板(8)固定在压电自感知执行器外封装上，地电极(5)接地；

c)短路电流测量电路(4)由集成运算放大器IC₁、电阻R₁、R₂、R₃、直流电源+Vcc、-Vcc组成，IC₁的正电源端接+Vcc；IC₁的负电源端接-Vcc；IC₁的反相输入端通过接线板(2)接传感电极(6)，IC₁的同相输入端接地；IC₁的同相输入端和反相输入端用屏蔽环屏蔽后接地，空脚8接到屏蔽环上；R₁的一端接IC₁的反相输入端，R₁的另一端接电阻R₂和R₃；R₂的一端接R₁和R₃，R₂的另一端接IC₁的输出端；R₃的一端接R₁和R₂，R₃的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的实现压电自感知执行器的空分复用解耦方法，其特征在于：传感电极(6)和执行电极(7)为叉指形交叉排列、回字型或环形相间排列、或通过引入绝缘感应层(9)实现传感电极(6)和执行电极(7)在空间上对压电陶瓷/晶体(4)的完全重合复用。

3.根据权利要求1、2所述的实现压电自感知执行器的空分复用解耦方法，其特征在于：通过采取将传感电极(6)与地电极(5)短路的办法消除静电干扰；利用超低偏流集成运算放大器OPA129输入端虚短路和虚断路特点测量短路电流。

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