[发明专利]一种压电执行器输出位移的自感知方法

说明书

本发明公开了一种压电执行器输出位移的自感知方法，包括用于获得压电执行器晶片表面电荷的积分器，积分器包括运算放大器和积分电容，压电执行器输出位移δ的自感知表达式为：式中，δ_est为压电执行器的自感知位移，C、u_out分别为积分器的积分电容、输出电压，α为电荷‑位移系数，R_P为压电执行器的绝缘电阻，u为施加在压电执行器上的驱动电压，Q_DA为压电执行器晶片的介电吸收电荷，i_BIAS为运算放大器的偏置电流。本发明无需给积分器中的反馈电容并联电阻，就能消除压电执行器中晶片漏电阻对自感知精度的影响；并且，补偿了压电执行器中晶片的介电吸收及构成积分器的运算放大器的偏置电流，能进一步提高压电执行器输出位移的自感知精度。

技术领域

本发明属于纳米定位技术领域，涉及纳米定位系统中的压电执行器，特别涉及一种压电执行器输出位移的自感知方法。

背景技术

压电执行器是一种能够产生纳米级运动精度与分辨率的致动器。相对于电磁式、磁致伸缩式、静电式、电热式、形状记忆合金式等其他形式的执行器，压电执行器具有体积小、刚度高、响应快、输出力大、位移分辨率高、不发热、无噪声等优点，因此被广泛应用于纳米定位系统中。如，采用压电执行器来驱动x-y两自由度微位移机构，进而构成x-y两自由度微动平台，在扫描隧道显微镜、原子力显微镜进行微结构表面形貌测量时，微动平台可提供纳米级的x、y坐标；而在MEMS微装配与生物医学工程中，微动平台同微夹钳相结合，进而构成微装配与微操作系统，可实现对微轴、微齿轮等微零件以及微马达、微泵等微部件的拾取、搬运、装配，以及对细胞的捕捉和释放。

在纳米定位系统中，需要感知其中微动机构(如微动平台)的位移大小，目前大都采用精密位移传感器来进行感知，如采用电阻应变片、电感式传感器、电容式传感器来测量微动平台的位移。这些精密位移传感器价格昂贵，从而使微定位系统的成本较高；另外，在某些纳米定位系统中，如微装配与微操作系统中，受空间限制，往往无法安装传感器，这就增加了系统的设计难度。鉴于此，目前也有采用自感知(即省掉精密位移传感器)的方法来获得压电执行器的位移信息的，主要有电桥法和积分器法。

电桥法的原理是将压电执行器作为一个桥臂，同其他三个桥臂——参考电容、串联阻抗一同构成电桥，驱动电压未作用于压电执行器时电桥平衡，在驱动电压作用下，电桥便输出电压(即感知电压)，该电压同压电执行器的驱动电压成比例关系，由于压电执行器的位移也同驱动电压成比例关系，于是便可用感知电压来反映压电执行器的位移。电桥法的实现原理及电路构成简单，但存在以下不足：仅适用于动态驱动情况，而不适用于静态或低频驱动情况，这是因为：压电陶瓷晶片并非理想的绝缘体，而是存在一定的漏电阻，在工作过程中会产生漏电流，静态或低频情况下漏电流会破坏电桥的平衡，而电桥的平衡被破坏时，会使系统的稳定性变差；同驱动电压相比，感知电压很小。

积分器法的原理是构成压电执行器的压电陶瓷晶片在驱动电压作用下，发生变形的同时发生电极化，进而在晶片表面产生同驱动电压成比例关系的电荷，由于压电执行器的位移也同驱动电压成比例关系，进而压电执行器的位移也同晶片表面电荷成比例关系，但晶片表面电荷无法直接获得，需通过积分器(即积分电路)来获得，积分电路的输出电压便可反映压电执行器的位移。积分器法的实现原理及电路构成也较简单，反映晶片表面电荷的积分电路输出电压(即感知电压)远大于电桥法的感知电压，且不仅适用于静态或低频驱动情况，也适用于动态驱动情况。可见，积分器法比电桥法更具有优势。但目前的积分器法(如专利ZL201510515293.1所公开的积分器法)还存在以下不足：