压电自感知执行器及其电场干扰的滤波方法与流程

本发明涉及压电自感知执行器及其电场干扰的滤波方法，属于滤波技术领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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U_P(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U_P(t)；

计算机将驱动电压U_P(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U_P(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。

本发明的优点：本发明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，本发明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。

本发明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；本发明在超精密加工、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是本发明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U_p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是本发明技术方案中，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U_P(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U_P(t)；

计算机7将驱动电压U_P(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U_P(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U_P(t)产生的电场干扰的共同作用下，产生的电荷为Q_F+Q_C，Q_F为外载荷力F作用下产生的电荷，Q_C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U_f(t)为：

式中C_f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U_P(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)＝U_P(t)，a为有限区间的边界值；对U'_P(t)进行傅里叶展开，得到U_P(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U_P(t)的表达式中低频的正弦波电压组成成分，获得U₂(t)：

式中β为正弦波电压在低频范围内预设的频次边界值；

假设低频的正弦波电压组成成分sin(nω₀t)，n＝1,2,3…β时，电荷放大器5的输出电压为U_n(t)，则在驱动电压U_P(t)的作用下，传感器压电陶瓷4获得的总误差电压U_C(t)：

则传感器压电陶瓷4在外载荷力F作用下，产生的输出电压真值为U_f(t)-U_C(t)。

经过理论分析、仿真和实验得出，当驱动电压信号幅值一定时，传感信号中由于电场干扰带来的误差随着驱动电压信号频率的增加而快速减小；当驱动电压信号频率一定时，传感信号中由于电场干扰带来的误差与驱动电压信号幅值成线性关系。本发明以此为理论基础，在对驱动电压U_P(t)进行傅里叶展开后，可以忽略傅里叶展开式中的高频成分，仅需要提前测得单位幅值、一定频率范围内，即低频范围内的正弦波电压作用时，电荷放大器输出电压误差，就可以推得任意驱动电压作用时电荷放大器输出电压误差，即本发明不需要提前获取无限多的数据，具有实际应用意义。

本发明在采用基于傅里叶变换的滤波方法消除电场干扰的影响后，通过数据运算还可以得到压电自感知执行器所受外载荷信号F及输出位移Z，实现自感知功能。

当压电陶瓷作为执行器使用时，其处于第一类边界条件下；当压电陶瓷作为传感器使用时，处于第三类边界条件下。本发明中，压电自感知执行器工作在d₃₃模式下，即T₃≠0，T_n＝0(n≠3)；E₃≠0，E_j＝0(j≠3)，那么执行器部分压电方程可以简化为：

式中d₃₃——压电陶瓷压电常数，下标33表示Z方向；

——应力恒定时介电常数，下标33表示Z方向；

D₃——电位移，下标3表示Z方向；

T₃——应力，下标3表示Z方向；

E₃——电场强度，下标3表示Z方向；

S₃——压电陶瓷应变，下标3表示Z方向；

——电场恒定时压电陶瓷弹性柔顺系数，下标33表示Z方向。

传感器部分压电方程可以简化为：

式中为电位移恒定时弹性柔顺系数，下标33表示Z方向。

由于位移由执行器部分输出，此时压电自感知执行器处于第一类边界条件下；压力由传感器部分检测，此时压电自感知执行器处于第三类边界条件下，则本发明中压电方程表示如下：

上式中各变量可以表示成如下的形式：

D₃＝(Q_F+Q_C)/S，

E₃＝U_p/h，

T₃＝F/S，

S₃＝Z/m·h；

式中Q_F为由于压力外载荷作用传感器部分压电陶瓷表面产生的电荷。

Q_C为由于电场干扰作用传感器部分压电陶瓷表面产生的电荷。

压电叠堆在驱动电源的作用下沿纵向输出力和位移；传感器压电陶瓷4上不施加驱动电压U_P(t)，当有外载荷作用时，由于正压电效应，其表面会产生电荷Q_F；当对执行器压电陶瓷3施加驱动电压时，对传感器压电陶瓷4会产生电场干扰，在此电场干扰的作用下，传感器压电陶瓷4会产生电荷Q_C，所以若直接用电荷放大器5输出的电压来计算压电自感知执行器所受外载荷是不准确的，必须采用滤波方法消除电场干扰对传感器压电陶瓷的影响。本发明提出基于傅里叶变换的滤波方法，傅里叶变换能够将某一周期函数表示为由一定振幅、相位、频率的基本正弦或余弦信号的组合，傅里叶级数的三角函数展开式及傅里叶系数如下：

对于只在有限区间，例如(0,a)上有定义的函数f(x)，可以采用延拓的方法，使其成为某种周期函数g(x)，在(0,a)上g(x)≡f(x)，然后对g(x)作傅里叶级数展开，其级数和在区间(0,a)上代表f(x)。如果f(x)在边界即区间端点上的值具有限制，即满足一定的边界条件，通常决定了如何进行延拓，例如当f(0)＝0时，应延拓为奇的周期函数，当f'(0)＝0时，应延拓为偶的周期函数，而驱动电压信号必然是一个从0开始、有限区间内的信号，也就是说可以将驱动电压信号延拓成奇的周期信号后，这样傅里叶系数中a_o、a_n均为0，也就是说可以采用傅里叶变换的方法将任意驱动电压信号表示成不同幅值、频率的正弦波电压信号的叠加，而对于频率相同的正弦波驱动电压信号，电场干扰与驱动电压信号幅值之间呈线性关系，同时由于传感器压电陶瓷为容性元件，在受到电场干扰影响时，体现出的是一充放电的过程，驱动电压频率变大时，电场干扰变化频率也会变大，使得传感器压电陶瓷充放电过程跟不上电场干扰的变化，其受到的电场干扰影响随驱动电压信号频率的升高而急剧下降，所以只需考虑傅里叶展开式中频率较低的组成成分就可以。那么只要提前测得单位幅值，一定频率范围内的正弦波电压作用时，电荷放大器5的输出电压误差，就可以获得任意驱动电压作用时电荷放大器5输出电压误差。然后在电荷放大器5输出电压中减去此误差，这样就消除了的电场干扰对传感器部分压电陶瓷的影响，实现了滤波作用。

在获得U₂(t)后，根据事先测得并存储的数据可以得知每个正弦波电压单独作用时，电荷放大器5输出电压误差，将每个正弦波电压作用时电荷放大器输出电压误差叠加，就可以得出驱动电压U_P(t)作用时，电荷放大器输出电压误差。此种滤波方法首先测得压电自感知执行器所受压力外载荷F＝0、驱动电压为幅值1V，频率为0-βw₀Hz的正弦波电压时，电荷放大器的输出电压，此电压为电场干扰带来的误差。在U_f(t)-U_C(t)的结果中不包含电场干扰带来的影响，达到了滤波的目的。由于此种滤波方法以傅里叶变换为理论基础，故称为基于傅里叶变换的滤波方法。

如图5所示，采用基于傅里叶变换的滤波方法后，计算机可以获得同时驱动电压U_P(t)是可知或可测的，那么压电自感知执行器压电方程以及各参数的表达形式进行运算可以得到压电自感知执行器所受的外载荷F及输出位移Z如下：

——压电陶瓷自由介电隔离率系数，下标33表示Z方向；

g₃₃——压电陶瓷压电电压常数，下标33表示Z方向；

m——执行器压电陶瓷的层数；

h——执行器使压电陶瓷的厚度；

S——执行器压电陶瓷的上层或下层表面面积。

上式中，d₃₃、g₃₃、m、h、S均由压电陶瓷材料本身决定，当压电陶瓷材料确定时，它们也相应的确定，本发明最后在计算机中可以得到以电压形式表示的外载荷信号F，以及输出位移信号Z，实现了自感知功能，信号的采集、傅里叶变换、数据的运算均可以利用计算机中的软件完成。

图6中，多片执行器压电陶瓷3采用电学串联的方式来供电，此种方式驱动电压更大，其他的分析与作为执行器使用的压电陶瓷采用电学并联供电时相同。