專(zhuān)利名稱(chēng)：實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器的空分復(fù)用解耦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，涉及到壓電傳感器與執(zhí)行器功能集成的方法。
迄今為止，實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器主要采用電橋電路解耦法。美國(guó)專(zhuān)利US5,347,870首次公開(kāi)了壓電自感知執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)方法，基于電橋解耦法使一片壓電換能器同時(shí)具有激發(fā)和感知位移、速度或加速度兩種作用；US5,656,779和US5,913,955公開(kāi)了把電橋解耦法壓電自感知執(zhí)行器作為一種結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)控的方法；US6,100,623公開(kāi)了利用壓電元件同時(shí)激勵(lì)和感知支架結(jié)構(gòu)位移的方法，發(fā)明了快速調(diào)整電橋參數(shù)和增大帶寬的方法；US6,469,418公開(kāi)了采用差動(dòng)變壓器比較壓電電流與參考電容電流的方法，是對(duì)電橋方法的改進(jìn)；US6,600,619公開(kāi)了利用電橋解耦法使壓電微執(zhí)行器自感知機(jī)械應(yīng)變、并應(yīng)用于磁盤(pán)磁頭精密定位過(guò)程中振動(dòng)控制的方法。電橋解耦法的難題是電橋電路不容易平衡。因?yàn)閴弘婋娙蓦S邊界條件變動(dòng)，導(dǎo)致電橋電路阻抗不匹配，因此需要反復(fù)調(diào)電橋平衡。US5,578,761公開(kāi)了采用模擬和數(shù)字混合自適應(yīng)技術(shù)跟蹤壓電電容變化、以便實(shí)時(shí)調(diào)電橋平衡的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器提供一種新的解耦方法--空分復(fù)用法，解決電橋解耦法中電橋不容易平衡的問(wèn)題。
本發(fā)明的總體技術(shù)方案是壓電自感知執(zhí)行器1、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源電路2、傳感器短路電流測(cè)量電路3組成空分復(fù)用的壓電自感知執(zhí)行器系統(tǒng)；壓電自感知執(zhí)行器1由壓電陶瓷/晶體4、地電極5、傳感電極6、執(zhí)行電極7、電極接線板8組成，傳感電極6與地電極5組成傳感器電極，執(zhí)行電極7與地電極5組成執(zhí)行器電極，即空分復(fù)用的壓電自感知執(zhí)行器1含有兩對(duì)電極；執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源電路2產(chǎn)生交流電壓Vin，施加在執(zhí)行電極7與地電極5之間，壓電陶瓷/晶體4作為執(zhí)行器，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移或力；傳感器短路電流測(cè)量電路3獲得敏感電流，該電流與速度成比例，所以壓電陶瓷/晶體4又能感知其自身的速度。這樣，通過(guò)電極的空間分割，達(dá)到了傳感器和執(zhí)行器對(duì)一片壓電陶瓷/晶體換能器的復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了壓電自感知執(zhí)行器。
通常壓電陶瓷/晶體有兩個(gè)電極面，一個(gè)電極面是地電極，另一個(gè)電極面是完整的、不分割的；如果這一對(duì)電極用于檢測(cè)敏感信號(hào)，那么壓電陶瓷/晶體就是傳感器；如果在這一對(duì)電極上施加驅(qū)動(dòng)電壓，那么壓電陶瓷/晶體就是執(zhí)行器。采用電橋電路解耦法實(shí)現(xiàn)的壓電自感知執(zhí)行器只有一對(duì)電極，因而執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電壓和傳感器的敏感電壓混合在一起，需要采用電橋電路將二者分離。由于電橋電路阻抗不容易匹配，所以調(diào)整電橋平衡困難。本發(fā)明將電極面適當(dāng)?shù)胤指畛蓛山M，一組做傳感電極，一組做執(zhí)行電極，通過(guò)這兩組空間上分離的電極，驅(qū)動(dòng)電壓和敏感電信號(hào)自然分離。只要傳感電極和執(zhí)行電極空間充分交叉靠近，那么兩組電極所在位置的運(yùn)動(dòng)即是同步一致的，傳感電極與地電極之間的電壓/電流就是由執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的。因此，不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器和執(zhí)行器對(duì)一片壓電陶瓷/晶體的復(fù)用，而且傳感器和執(zhí)行器是同位配置；一片壓電陶瓷/晶體既做執(zhí)行器又做傳感器，即實(shí)現(xiàn)了壓電自感知執(zhí)行器。傳感電極和執(zhí)行電極的充分靠近又帶來(lái)靜電干擾問(wèn)題，傳感電極和地電極之間的電壓受執(zhí)行電極電壓的靜電干擾；但是如果將傳感電極和地電極短路，變測(cè)量開(kāi)路電壓為測(cè)量短路電流，靜電干擾問(wèn)題就解決了。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案是壓電陶瓷/晶體4的一個(gè)電極面全部做地電極5；另一個(gè)電極面被分割成兩組，一組做傳感電極6，另一組做執(zhí)行電極7，傳感電極6和執(zhí)行電極7交錯(cuò)排布。如果壓電陶瓷/晶體4為方形晶片或長(zhǎng)方形晶片，傳感電極6和執(zhí)行電極7為回字形或叉指形；如果壓電陶瓷/晶體4為圓片，傳感電極6和執(zhí)行電極7為環(huán)形。將兩片相同的壓電自感知執(zhí)行器1的地電極5粘貼在一起，可以組成壓電雙晶片式自感知執(zhí)行器。如果多片壓電陶瓷/晶體4組成疊堆結(jié)構(gòu)，空分復(fù)用的技術(shù)方案是在疊堆最上部晶片的執(zhí)行電極7上涂絕緣感應(yīng)層9，在絕緣感應(yīng)層9上涂銀或覆銅，銀層或銅層就是傳感電極6。傳感器短路電流測(cè)量電路3由集成運(yùn)算放大器IC1、直流電源+Vcc和-Vcc、電阻R1、R2、R3組成。IC1的正電源端接+Vcc，IC1的負(fù)電源端接-Vcc；IC1的反相輸入端通過(guò)電極接線板8接傳感電極6，IC1的同相輸入端接地；IC1的同相輸入端和反相輸入端用屏蔽環(huán)屏蔽后接地，空腳8與屏蔽環(huán)連接。R1的一端接IC1的反相輸入端，R1的另一端接電阻R2和R3；R2的一端接R1和R3，另一端接IC1的輸出端；R3的一端接R1和R2，另一端接地。
本發(fā)明的效果和益處是采用空分復(fù)用解耦方法使一片壓電陶瓷/晶體做自感知執(zhí)行器。由于不涉及壓電電容參數(shù)，不需要調(diào)整電橋平衡，因而降低了自感知執(zhí)行器的設(shè)計(jì)難度。本發(fā)明不僅可減小壓電執(zhí)行器和傳感器集成系統(tǒng)的重量和體積、促進(jìn)其集成化和微型化，而且可實(shí)現(xiàn)真正的同位控制、提高控制穩(wěn)定性，可廣泛適用于對(duì)速度和位移的測(cè)控系統(tǒng)，如振動(dòng)主動(dòng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)和健康診斷。


圖1是壓電自感知執(zhí)行器物理基礎(chǔ)及機(jī)電雙口網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖2是空分復(fù)用解耦法實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器的整體實(shí)施方式示意圖。
圖3和圖4是其他方式空分復(fù)用示意圖。
圖中，v為速度；F為力；V為電壓；I為電流；Zm為機(jī)械阻抗；Ye為壓電電容的導(dǎo)納；N為速度v＝0時(shí)電壓到力的變換因子；Vin是執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電壓；Is是傳感電極6和地電極5之間的短路電流；Vout是IC1的輸出電壓。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和實(shí)施例。
如圖1，本發(fā)明的物理基礎(chǔ)是正、逆壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)對(duì)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換具有雙向可逆性。機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能是正壓電效應(yīng)，利用正壓電效應(yīng)可以制作力、位移、速度、加速度傳感器；電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能是逆壓電效應(yīng)，利用逆壓電效應(yīng)可以制作執(zhí)行器，產(chǎn)生力或位移。當(dāng)正、逆壓電效應(yīng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，如果能解除執(zhí)行器的控制電壓和傳感器敏感電信號(hào)之間的耦合，那么雙向機(jī)電能量轉(zhuǎn)換相當(dāng)于是各自獨(dú)立進(jìn)行的，則實(shí)現(xiàn)了壓電自感知執(zhí)行器。與圖1對(duì)應(yīng)的機(jī)電變換方程如下
按照本發(fā)明的技術(shù)方案，上述方程應(yīng)用于執(zhí)行器時(shí)，V＝Vin，如果執(zhí)行器作力輸出器，v＝0，輸出力F＝NV；如果執(zhí)行器作定位器，輸出速度v=F-NVZm,]]>具體速度或位移大小要由外部傳感器測(cè)量；上述方程應(yīng)用于傳感器時(shí)，正壓電效應(yīng)和靜電干擾對(duì)電壓V都有影響，為了消除干擾因素，令V＝0，即傳感電極和執(zhí)行電極短路，則短路電流Is＝-Nv，Is與速度成比例。
實(shí)施例1如圖2，本發(fā)明包括壓電自感知執(zhí)行器1、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源電路2和短路電流測(cè)量電路3。壓電自感知執(zhí)行器1由壓電陶瓷/晶體4、地電極5、傳感電極6、執(zhí)行電極7、電極接線板8組成，叉指形傳感電極6和執(zhí)行電極7交叉排列。電極接線板8固定在壓電自感知執(zhí)行器外封裝上，地電極5、傳感電極6和執(zhí)行電極7的引線接到電極接線板8上，地電極5接地。執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源電路2為交流電壓源，Vin的一端通過(guò)電極接線板8接執(zhí)行電極7，Vin的另一端接地。短路電流測(cè)量電路3由集成運(yùn)算放大器IC1、直流電源+Vcc和-Vcc、電阻R1、R2、R3組成。IC1的正電源端接+Vcc，IC1的負(fù)電源端接-Vcc；IC1的反相輸入端通過(guò)電極接線板8接傳感電極6，IC1的同相輸入端接地；IC1的同相輸入端和反相輸入端用屏蔽環(huán)6屏蔽后接地，空腳8與屏蔽環(huán)連接。R1的一端接IC1的反相輸入端，R1的另一端接電阻R2和R3；R2的一端接R1和R3，另一端接IC1的輸出端；R3的一端接R1和R2，另一端接地。Vin的電壓可根據(jù)具體應(yīng)用要求在-140V～+140V范圍內(nèi)選擇，參見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利CN2586280Y，IC1選用典型偏流為75fA的集成運(yùn)算放大器OPA129，+Vcc＝+15V，-Vcc＝-15V，R2＝18kΩ，R3＝2kΩ，Vout＝-R1Is。
實(shí)施例2如圖3所示，壓電自感知執(zhí)行器1還可以采用回字形電極分割方式。壓電自感知執(zhí)行器1分為三層，中層是壓電陶瓷/晶體4，下層是公共地電極5，上層是回字型分割的傳感電極6和執(zhí)行電極7。若壓電陶瓷/晶體4為方形，則將電極分割成回字形，若壓電陶瓷/晶體4為圓形，則將電極分割成環(huán)形。執(zhí)行電極和敏感電極相間排列。
實(shí)施例3如圖4所示，壓電自感知執(zhí)行器1還可以采用全電極復(fù)用方式。壓電自感知執(zhí)行器1分為五層，從下向上第一層是公共地電極5；第二層是壓電陶瓷/晶體4，可以單片，也可以是疊堆結(jié)構(gòu)；第三層是執(zhí)行器電極層7；第四層是厚度為0.1～0.3mm的絕緣感應(yīng)層9，第五層是傳感電極層6。前三層與常規(guī)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)沒(méi)有區(qū)別。絕緣感應(yīng)層9有兩個(gè)作用一是起絕緣作用，防止執(zhí)行電極和傳感電極之間短路；二是將執(zhí)行電極上的電荷耦合到傳感電極上。
權(quán)利要求
1.實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器的空分復(fù)用解耦方法，其特征是a)空分復(fù)用解耦法實(shí)現(xiàn)的壓電自感知執(zhí)行器系統(tǒng)包括空分復(fù)用的壓電自感知執(zhí)行器(1)、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源電路(2)和傳感器短路電流測(cè)量電路(3)；b)壓電自感知執(zhí)行器(1)由壓電陶瓷/晶體(4)、地電極(5)、傳感電極(6)、執(zhí)行電極(7)、電極接線板8組成；傳感電極6和執(zhí)行電極7交錯(cuò)排列；地電極(5)、傳感電極(6)和執(zhí)行電極(7)的引線接到電極接線板(8)上；電極接線板(8)固定在壓電自感知執(zhí)行器外封裝上，地電極(5)接地；c)短路電流測(cè)量電路(4)由集成運(yùn)算放大器IC1、電阻R1、R2、R3、直流電源+Vcc、-Vcc組成，IC1的正電源端接+Vcc；IC1的負(fù)電源端接-Vcc；IC1的反相輸入端通過(guò)接線板(2)接傳感電極(6)，IC1的同相輸入端接地；IC1的同相輸入端和反相輸入端用屏蔽環(huán)屏蔽后接地，空腳8接到屏蔽環(huán)上；R1的一端接IC1的反相輸入端，R1的另一端接電阻R2和R3；R2的一端接R1和R3，R2的另一端接IC1的輸出端；R3的一端接R1和R2，R3的另一端接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器的空分復(fù)用解耦方法，其特征在于傳感電極(6)和執(zhí)行電極(7)為叉指形交叉排列、回字型或環(huán)形相間排列、或通過(guò)引入絕緣感應(yīng)層(9)實(shí)現(xiàn)傳感電極(6)和執(zhí)行電極(7)在空間上對(duì)壓電陶瓷/晶體(4)的完全重合復(fù)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器的空分復(fù)用解耦方法，其特征在于通過(guò)采取將傳感電極(6)與地電極(5)短路的辦法消除靜電干擾；利用超低偏流集成運(yùn)算放大器OPA129輸入端虛短路和虛斷路特點(diǎn)測(cè)量短路電流。
全文摘要
本發(fā)明屬于測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，涉及到壓電傳感器與壓電執(zhí)行器的集成方法。其特征為在一片壓電陶瓷/晶體上同時(shí)使用正、逆壓電效應(yīng)，通過(guò)空分復(fù)用解耦方法實(shí)現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器。壓電陶瓷/晶體的下電極面作公共地電極，將上電極面分割成兩組，一組作執(zhí)行電極，另一組作傳感電極。在執(zhí)行電極和地電極之間施加交流驅(qū)動(dòng)電壓，用來(lái)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移、速度或驅(qū)動(dòng)力；將傳感電極和地電極之間虛短路，利用超低偏流運(yùn)算放大器測(cè)量短路電流，獲得執(zhí)行器及其機(jī)械結(jié)構(gòu)的速度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便，避免了電橋解耦法中電橋不易平衡的缺點(diǎn)；可實(shí)現(xiàn)真正的同位控制、提高控制穩(wěn)定性；易于減小機(jī)電系統(tǒng)重量和體積、有利于促進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)的集成化和微型化。
文檔編號(hào)G01L1/16GK1570544SQ20041002049
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者董維杰, 王旭東, 李涵 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)