專利名稱：分時壓電自感知作動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及壓電片分時傳感、作動的自感知作動器。
背景技術(shù)：
由于壓電材料的正、逆向壓電效應(yīng)都十分顯著，同時其頻響范圍寬、線性關(guān)系好、 易于加工、輸入與輸出均為電信號等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地用于制作傳感器和作動器器。 目前，在壓電智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，壓電傳感器與壓電作動器大都是分離的，使真正的 同位控制難以實(shí)現(xiàn)。如果粘貼的位置不精確，就會影響系統(tǒng)的控制效果，甚至引起失 穩(wěn)現(xiàn)象，同時也增加了結(jié)構(gòu)的重量和布線方面的困難。特別是在獨(dú)立模態(tài)的控制中， 如果要求對系統(tǒng)的5階以上的模態(tài)進(jìn)行控制，則就要使用10個以上的傳感器和作動 器，這在實(shí)際上是不可行的。傳感器與作動器的減少不僅能使被控對象附加質(zhì)量降低、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化，而且還能精確實(shí)現(xiàn)在控制中的同位配置的要求。此外還可大大減少布 線，這對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和被控模態(tài)數(shù)量要求較多的系統(tǒng)尤其重要。
實(shí)現(xiàn)作動器與傳感器統(tǒng)一的基本思想是分離出加在壓電器件上的驅(qū)動信號與結(jié) 構(gòu)本身的運(yùn)動狀態(tài)信號。Dosch和Inman于1992年設(shè)計(jì)了一個橋式電路將感應(yīng)信號 從作動電壓中提取出來，實(shí)現(xiàn)了自感知主動控制。AndersonEH等利用一個并聯(lián)在壓 電作動器兩端的參考電容來得到其應(yīng)變信號。Chaudhr Y等用阻抗分析儀測量電路的 阻抗而得到PZT-結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合阻抗，并通過頻率掃描的方法得到了壓電元件的傳 感信號。徐明龍也設(shè)計(jì)了一種電橋來實(shí)現(xiàn)自感知控制，并用實(shí)驗(yàn)分析了這種方法的優(yōu) 缺點(diǎn)。YellinJM和Shen將自感知技術(shù)應(yīng)用到主被動阻尼控制中，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 這種方法的可行性。
由Dosdi和Inman提出的基于電橋電路的分離裝置是目前大多數(shù)自感知作動器的 實(shí)現(xiàn)方法。該方法如圖1所示。
由于<formula>formula see original document page 3</formula>,其中Vs為控制電壓、
Fpa為壓電片因形變而產(chǎn)生的電壓、必為控制電壓的頻率、Cp是PZT的電容量。當(dāng) 電橋處于平衡時(=J 2Cp)， Fp只與傳感信號^a有關(guān)而與激勵電壓無關(guān)。且當(dāng) R2Cp較大時，可以近似認(rèn)為Vp=Vpzt.在進(jìn)行實(shí)時控制前，將電橋調(diào)節(jié)平衡，從而實(shí)現(xiàn)了傳感信號與作動信號的分離。
這種基于電橋電路的壓電自感知作動器在實(shí)際應(yīng)用上存在幾個難點(diǎn)。其一是由于
q難以精確測定、q易引起波形畸變。其二是交流電橋無法達(dá)到絕對平衡。即使沒
有任何振動，電橋的輸出也不為零。其三是由于分壓作用，要求較大的控制電壓。這 會增加系統(tǒng)的能量消耗。此外還應(yīng)注意避免電橋的自激振蕩。同時還要指出的是，這 種電橋型自感知作動器要求對每一個壓電片都有獨(dú)立的電橋。如果使用多個壓電片進(jìn) 行控制則會使電路變得更為復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中現(xiàn)有壓電自感知作動器所存在的問題，本實(shí)用新型提出了分 時壓電自感知作動器。
自感知作動器的設(shè)計(jì)原理是將壓電片作為傳感器與作為作動器的功能在時間上 進(jìn)行分離，即使壓電片在某一時間段作為傳感器而在下一時間片作為作動器。該自感 知作動器的技術(shù)方案為-
一禾中分時壓電自感知作動器，包括一壓電片、 一計(jì)算機(jī)或控制器、第一開關(guān)l、
第二開關(guān)2、時序控制電路，其特征為，壓電片的狀態(tài)信息通過第一開關(guān)l輸入至計(jì) 算機(jī)或控制器，計(jì)算機(jī)或控制器處理后的數(shù)據(jù)通過第二開關(guān)2輸出至壓電片，時序控 制電路的輸入與計(jì)算機(jī)或控制器的輸出相連，時序控制電路的輸出分別與第一開關(guān)1 和第二開關(guān)2相連，計(jì)算機(jī)或控制器通過時序控制電路分時交替選通/關(guān)閉第一開關(guān)1 和第二開關(guān)2，從而，將壓電片作為傳感器與作為作動器的功能在時間上進(jìn)行分離， 即使壓電片在某一時間段作為傳感器而在下一時間段作為作動器。
本實(shí)用新型提出的分時壓電自感知作動器是一種更為簡單的自感知作動器，可以 并聯(lián)多個壓電片，并且不受壓電片之間差異的影響；同時也無需電橋平衡調(diào)節(jié)，大大 減少了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性與能量消耗，也可方便地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)表面的粘貼與埋入。


圖1為基于電橋電路的分離裝置電路圖； 圖2為分時壓電自感知作動器裝置框圖。
具體實(shí)施方式

下面根據(jù)說明書附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)表述。 圖2示出了本實(shí)用新型的分時壓電自感知作動器裝置圖，壓電片或PZT陶瓷(即 鋯鈦酸鉛)的狀態(tài)信息通過第一開關(guān)1連接至運(yùn)算放大器的輸入端，該運(yùn)算放大器的 輸出接濾波器的輸入端，濾波器的輸出端與采樣保持器輸入端相連，采樣保持器的輸 出與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸入相連，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸出信號輸入至控制 器或計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)發(fā)出一個選通信號給第一開關(guān)l，壓電片的狀態(tài)信息通過上 述放大、濾波后輸入采樣保持器中等待轉(zhuǎn)換，在A/D測量控制端START的觸發(fā)下對 該輸入信號進(jìn)行變換。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被送入計(jì)算機(jī)存儲器中等待處理由控制 器或計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)被送入到數(shù)據(jù)保持器中，該數(shù)據(jù)保持器的輸出與第二模數(shù)轉(zhuǎn) 換器2的輸入連接，然后由第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換為模擬控制量，同時，選通第二 開關(guān)2、關(guān)閉第一開關(guān)l，并保持一段時間，輸出的模擬控制信號通過第二開關(guān)2與 功放的輸入端相連，所述模擬控制信號經(jīng)功放后輸入至壓電片。這樣完成一個循環(huán)周 期。
第一開關(guān)l、第二開關(guān)2、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換D/A的啟動(電 位啟動)均由計(jì)算機(jī)或控制器控制時序控制電路來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)使用兩個壓電片時，第一開關(guān)1和第二開關(guān)2可使用多路模擬開關(guān)。壓電片1 輸入傳感信號時，壓電片2則施加作動信號。
權(quán)利要求1、一種分時壓電自感知作動器，包括一壓電片、一計(jì)算機(jī)或控制器、第一開關(guān)(1)、第二開關(guān)(2)、時序控制電路，其特征為，壓電片的狀態(tài)信息通過第一開關(guān)(1)輸入至計(jì)算機(jī)或控制器，計(jì)算機(jī)或控制器處理后的數(shù)據(jù)通過第二開關(guān)(2)輸出至壓電片，時序控制電路的輸入與計(jì)算機(jī)或控制器的輸出相連，時序控制電路的輸出分別與第一開關(guān)(1)和第二開關(guān)(2)相連，計(jì)算機(jī)或控制器通過時序控制電路分時交替選通/關(guān)閉第一開關(guān)(1)和第二開關(guān)(2)，從而，將壓電片作為傳感器與作為作動器的功能在時間上進(jìn)行分離，即使壓電片在某一時間段作為傳感器而在下一時間段作為作動器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分時壓電自感知作動器，該傳感器還包括運(yùn)算放大器、 濾波器、采樣保持器、數(shù)據(jù)保持器、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(D/A)、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D) 和功放，其特征為，壓電片通過第一開關(guān)(1)連接至運(yùn)算放大器的輸入端，該運(yùn)算 放大器的的輸出接濾波器的輸入端，濾波器的輸出端與采樣保持器輸入端相連，采樣 保持器的輸出與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的輸入相連，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的輸 出信號輸入至控制器或計(jì)算機(jī)中；控制器或計(jì)算機(jī)的輸出與數(shù)據(jù)保持器的輸入相連，該數(shù)據(jù)保持器的輸出與第二模 數(shù)轉(zhuǎn)換器(D/A)的輸入連接，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(D/A)輸出的模擬控制信號通過第 二開關(guān)(2)與功放的輸入端相連，所述模擬控制信號經(jīng)功放后輸入至壓電片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分時壓電自感知作動器，其特征為，所述自感知 作動器可以使用兩個以上的壓電片，當(dāng)使用兩個壓電片時，所述第一開關(guān)(1)和第 二開關(guān)(2)使用多路模擬開關(guān)，所述兩個壓電片中的一個壓電片輸入傳感信號時， 另一個壓電片則施加作動信號。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種自感知作動器，將壓電片作為傳感器與作為作動器的功能在時間上進(jìn)行分離，即壓電片在某一時間段作為傳感器而在下一時間片作為作動器，如此，在傳感器與作動器之間交替切換，時序由計(jì)算機(jī)或控制器控制。該分時壓電自感知作動器是一種更為簡單的自感知作動器，可以并聯(lián)多個壓電片，并且不受壓電片之間差異的影響；同時也無需電橋平衡調(diào)節(jié)，大大減少了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性與能量消耗，也可方便地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)表面的粘貼與埋入。
文檔編號G01D5/12GK201159847SQ20082009775
公開日2008年12月3日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者波 王, 王榮秀 申請人:重慶工學(xué)院