专利名称：分时压电自感知作动器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于传感器技术领域，具体涉及压电片分时传感、作动的自感知作动器。
背景技术：
由于压电材料的正、逆向压电效应都十分显著，同时其频响范围宽、线性关系好、 易于加工、输入与输出均为电信号等优点，因而被广泛地用于制作传感器和作动器器。 目前，在压电智能结构的应用中，压电传感器与压电作动器大都是分离的，使真正的 同位控制难以实现。如果粘贴的位置不精确，就会影响系统的控制效果，甚至引起失 稳现象，同时也增加了结构的重量和布线方面的困难。特别是在独立模态的控制中， 如果要求对系统的5阶以上的模态进行控制，则就要使用10个以上的传感器和作动 器，这在实际上是不可行的。传感器与作动器的减少不仅能使被控对象附加质量降低、 结构设计简化，而且还能精确实现在控制中的同位配置的要求。此外还可大大减少布 线，这对于较为复杂的结构和被控模态数量要求较多的系统尤其重要。
实现作动器与传感器统一的基本思想是分离出加在压电器件上的驱动信号与结 构本身的运动状态信号。Dosch和Inman于1992年设计了一个桥式电路将感应信号 从作动电压中提取出来，实现了自感知主动控制。AndersonEH等利用一个并联在压 电作动器两端的参考电容来得到其应变信号。Chaudhr Y等用阻抗分析仪测量电路的 阻抗而得到PZT-结构的机电耦合阻抗，并通过频率扫描的方法得到了压电元件的传 感信号。徐明龙也设计了一种电桥来实现自感知控制，并用实验分析了这种方法的优 缺点。YellinJM和Shen将自感知技术应用到主被动阻尼控制中，并通过实验验证了 这种方法的可行性。
由Dosdi和Inman提出的基于电桥电路的分离装置是目前大多数自感知作动器的 实现方法。该方法如图1所示。
由于<formula>formula see original document page 3</formula>,其中Vs为控制电压、
Fpa为压电片因形变而产生的电压、必为控制电压的频率、Cp是PZT的电容量。当 电桥处于平衡时(=J 2Cp)， Fp只与传感信号^a有关而与激励电压无关。且当 R2Cp较大时，可以近似认为Vp=Vpzt.在进行实时控制前，将电桥调节平衡，从而实现了传感信号与作动信号的分离。
这种基于电桥电路的压电自感知作动器在实际应用上存在几个难点。其一是由于
q难以精确测定、q易引起波形畸变。其二是交流电桥无法达到绝对平衡。即使没
有任何振动，电桥的输出也不为零。其三是由于分压作用，要求较大的控制电压。这 会增加系统的能量消耗。此外还应注意避免电桥的自激振荡。同时还要指出的是，这 种电桥型自感知作动器要求对每一个压电片都有独立的电桥。如果使用多个压电片进 行控制则会使电路变得更为复杂。
发明内容
为了解决背景技术中现有压电自感知作动器所存在的问题，本实用新型提出了分 时压电自感知作动器。
自感知作动器的设计原理是将压电片作为传感器与作为作动器的功能在时间上 进行分离，即使压电片在某一时间段作为传感器而在下一时间片作为作动器。该自感 知作动器的技术方案为-
一禾中分时压电自感知作动器，包括一压电片、 一计算机或控制器、第一开关l、
第二开关2、时序控制电路，其特征为，压电片的状态信息通过第一开关l输入至计 算机或控制器，计算机或控制器处理后的数据通过第二开关2输出至压电片，时序控 制电路的输入与计算机或控制器的输出相连，时序控制电路的输出分别与第一开关1 和第二开关2相连，计算机或控制器通过时序控制电路分时交替选通/关闭第一开关1 和第二开关2，从而，将压电片作为传感器与作为作动器的功能在时间上进行分离， 即使压电片在某一时间段作为传感器而在下一时间段作为作动器。
本实用新型提出的分时压电自感知作动器是一种更为简单的自感知作动器，可以 并联多个压电片，并且不受压电片之间差异的影响；同时也无需电桥平衡调节，大大 减少了控制系统的复杂性与能量消耗，也可方便地应用于结构表面的粘贴与埋入。
图1为基于电桥电路的分离装置电路图； 图2为分时压电自感知作动器装置框图。
具体实施方式
下面根据说明书附图对本实用新型的技术方案进行详细表述。 图2示出了本实用新型的分时压电自感知作动器装置图，压电片或PZT陶瓷(即 锆钛酸铅)的状态信息通过第一开关1连接至运算放大器的输入端，该运算放大器的 输出接滤波器的输入端，滤波器的输出端与采样保持器输入端相连，采样保持器的输 出与第一模数转换器A/D的输入相连，第一模数转换器A/D的输出信号输入至控制 器或计算机中，由计算机发出一个选通信号给第一开关l，压电片的状态信息通过上 述放大、滤波后输入采样保持器中等待转换，在A/D测量控制端START的触发下对 该输入信号进行变换。经A/D转换后的数据被送入计算机存储器中等待处理由控制 器或计算机处理后的数据被送入到数据保持器中，该数据保持器的输出与第二模数转 换器2的输入连接，然后由第二模数转换器D/A转换为模拟控制量，同时，选通第二 开关2、关闭第一开关l，并保持一段时间，输出的模拟控制信号通过第二开关2与 功放的输入端相连，所述模拟控制信号经功放后输入至压电片。这样完成一个循环周 期。
第一开关l、第二开关2、第一模数转换器A/D与第二模数转换D/A的启动(电 位启动)均由计算机或控制器控制时序控制电路来实现。
当使用两个压电片时，第一开关1和第二开关2可使用多路模拟开关。压电片1 输入传感信号时，压电片2则施加作动信号。
权利要求1、一种分时压电自感知作动器，包括一压电片、一计算机或控制器、第一开关(1)、第二开关(2)、时序控制电路，其特征为，压电片的状态信息通过第一开关(1)输入至计算机或控制器，计算机或控制器处理后的数据通过第二开关(2)输出至压电片，时序控制电路的输入与计算机或控制器的输出相连，时序控制电路的输出分别与第一开关(1)和第二开关(2)相连，计算机或控制器通过时序控制电路分时交替选通/关闭第一开关(1)和第二开关(2)，从而，将压电片作为传感器与作为作动器的功能在时间上进行分离，即使压电片在某一时间段作为传感器而在下一时间段作为作动器。
2、 根据权利要求1所述的分时压电自感知作动器，该传感器还包括运算放大器、 滤波器、采样保持器、数据保持器、第一模数转换器(D/A)、第二模数转换器(A/D) 和功放，其特征为，压电片通过第一开关(1)连接至运算放大器的输入端，该运算 放大器的的输出接滤波器的输入端，滤波器的输出端与采样保持器输入端相连，采样 保持器的输出与第一模数转换器(A/D)的输入相连，第一模数转换器(A/D)的输 出信号输入至控制器或计算机中；控制器或计算机的输出与数据保持器的输入相连，该数据保持器的输出与第二模 数转换器(D/A)的输入连接，第二模数转换器(D/A)输出的模拟控制信号通过第 二开关(2)与功放的输入端相连，所述模拟控制信号经功放后输入至压电片。
3、 根据权利要求1或2所述的分时压电自感知作动器，其特征为，所述自感知 作动器可以使用两个以上的压电片，当使用两个压电片时，所述第一开关(1)和第 二开关(2)使用多路模拟开关，所述两个压电片中的一个压电片输入传感信号时， 另一个压电片则施加作动信号。
专利摘要本实用新型公开了一种自感知作动器，将压电片作为传感器与作为作动器的功能在时间上进行分离，即压电片在某一时间段作为传感器而在下一时间片作为作动器，如此，在传感器与作动器之间交替切换，时序由计算机或控制器控制。该分时压电自感知作动器是一种更为简单的自感知作动器，可以并联多个压电片，并且不受压电片之间差异的影响；同时也无需电桥平衡调节，大大减少了控制系统的复杂性与能量消耗，也可方便地应用于结构表面的粘贴与埋入。
文档编号G01D5/12GK201159847SQ20082009775
公开日2008年12月3日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者波 王, 王荣秀 申请人:重庆工学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
