[發明專利]一種壓電執行器輸出位移的自感知方法

有效

• 申請號: 201911104119.2
• 申請日: 2019-11-13
• 公開（公告）號: CN110906852B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 崔玉國;聶志剛;馬劍強;楊依領;王博文;謝啟芳;應榮輝
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02;G01D5/242
• 代理公司: 寧波市天晟知識產權代理有限公司 33219
• 代理人: 王美榮;黃曉凡

本發明公開了一種壓電執行器輸出位移的自感知方法，包括用于獲得壓電執行器晶片表面電荷的積分器，積分器包括運算放大器和積分電容，壓電執行器輸出位移δ的自感知表達式為：式中，δ_est為壓電執行器的自感知位移，C、u_out分別為積分器的積分電容、輸出電壓，α為電荷?位移系數，R_P為壓電執行器的絕緣電阻，u為施加在壓電執行器上的驅動電壓，Q_DA為壓電執行器晶片的介電吸收電荷，i_BIAS為運算放大器的偏置電流。本發明無需給積分器中的反饋電容并聯電阻，就能消除壓電執行器中晶片漏電阻對自感知精度的影響；并且，補償了壓電執行器中晶片的介電吸收及構成積分器的運算放大器的偏置電流，能進一步提高壓電執行器輸出位移的自感知精度。

技術領域

本發明屬于納米定位技術領域，涉及納米定位系統中的壓電執行器，特別涉及一種壓電執行器輸出位移的自感知方法。

背景技術

壓電執行器是一種能夠產生納米級運動精度與分辨率的致動器。相對于電磁式、磁致伸縮式、靜電式、電熱式、形狀記憶合金式等其他形式的執行器，壓電執行器具有體積小、剛度高、響應快、輸出力大、位移分辨率高、不發熱、無噪聲等優點，因此被廣泛應用于納米定位系統中。如，采用壓電執行器來驅動x-y兩自由度微位移機構，進而構成x-y兩自由度微動平臺，在掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡進行微結構表面形貌測量時，微動平臺可提供納米級的x、y坐標；而在MEMS微裝配與生物醫學工程中，微動平臺同微夾鉗相結合，進而構成微裝配與微操作系統，可實現對微軸、微齒輪等微零件以及微馬達、微泵等微部件的拾取、搬運、裝配，以及對細胞的捕捉和釋放。

在納米定位系統中，需要感知其中微動機構(如微動平臺)的位移大小，目前大都采用精密位移傳感器來進行感知，如采用電阻應變片、電感式傳感器、電容式傳感器來測量微動平臺的位移。這些精密位移傳感器價格昂貴，從而使微定位系統的成本較高；另外，在某些納米定位系統中，如微裝配與微操作系統中，受空間限制，往往無法安裝傳感器，這就增加了系統的設計難度。鑒于此，目前也有采用自感知(即省掉精密位移傳感器)的方法來獲得壓電執行器的位移信息的，主要有電橋法和積分器法。

電橋法的原理是將壓電執行器作為一個橋臂，同其他三個橋臂——參考電容、串聯阻抗一同構成電橋，驅動電壓未作用于壓電執行器時電橋平衡，在驅動電壓作用下，電橋便輸出電壓(即感知電壓)，該電壓同壓電執行器的驅動電壓成比例關系，由于壓電執行器的位移也同驅動電壓成比例關系，于是便可用感知電壓來反映壓電執行器的位移。電橋法的實現原理及電路構成簡單，但存在以下不足：僅適用于動態驅動情況，而不適用于靜態或低頻驅動情況，這是因為：壓電陶瓷晶片并非理想的絕緣體，而是存在一定的漏電阻，在工作過程中會產生漏電流，靜態或低頻情況下漏電流會破壞電橋的平衡，而電橋的平衡被破壞時，會使系統的穩定性變差；同驅動電壓相比，感知電壓很小。

積分器法的原理是構成壓電執行器的壓電陶瓷晶片在驅動電壓作用下，發生變形的同時發生電極化，進而在晶片表面產生同驅動電壓成比例關系的電荷，由于壓電執行器的位移也同驅動電壓成比例關系，進而壓電執行器的位移也同晶片表面電荷成比例關系，但晶片表面電荷無法直接獲得，需通過積分器(即積分電路)來獲得，積分電路的輸出電壓便可反映壓電執行器的位移。積分器法的實現原理及電路構成也較簡單，反映晶片表面電荷的積分電路輸出電壓(即感知電壓)遠大于電橋法的感知電壓，且不僅適用于靜態或低頻驅動情況，也適用于動態驅動情況。可見，積分器法比電橋法更具有優勢。但目前的積分器法(如專利ZL201510515293.1所公開的積分器法)還存在以下不足：