一種壓電陶瓷執(zhí)行器的智能篩選方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷執(zhí)行器的智能篩選方法，尤其是通過建立對壓電陶瓷執(zhí) 行器遲滯特征檢測實(shí)驗(yàn)，測得在正弦輸入下的遲滯曲線數(shù)據(jù)，然后根據(jù)曲線數(shù)據(jù)和壓電陶 瓷執(zhí)行器標(biāo)定指標(biāo)提取產(chǎn)品性能的特征向量，并基于分層聚類的方法對產(chǎn)品的特征向量進(jìn) 行聚類，從而實(shí)現(xiàn)對同類型壓電陶瓷執(zhí)行器的批量產(chǎn)品快速而準(zhǔn)確的自動化智能篩選，以 及次品、基本合格、良好和優(yōu)秀等級劃分的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料，由壓電陶 瓷制成的執(zhí)行器具有許多其它執(zhí)行器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如位移分辨率高、機(jī)電耦合效率 高、響應(yīng)快、功耗小、無噪聲等，所以被廣泛應(yīng)用于微機(jī)械、微電子、精密加工、生物醫(yī)學(xué)、機(jī) 器人、航空航天等領(lǐng)域。但是，壓電陶瓷是屬于鐵電材料的壓電體，有鐵電材料明顯的不 足一一在較高電場的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的遲滯和非線性。壓電陶瓷執(zhí)行器的這一遲滯非線性 是由鐵電效應(yīng)產(chǎn)生的。這種非線性遲滯特性降低了系統(tǒng)的控制精度，還會造成與輸入信號 幅值相關(guān)的位移和諧波失真，削弱了閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔?，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而 極大地限制了壓電陶瓷執(zhí)行器在微納米定位技術(shù)中的應(yīng)用。因此，無論在研制壓電陶瓷執(zhí) 行器過程中，還是在設(shè)計(jì)和建立壓電陶瓷執(zhí)行器控制系統(tǒng)時，都需要進(jìn)行壓電陶瓷執(zhí)行器 質(zhì)量好壞的判別和篩選，而其遲滯特性都是不可忽視的性能指標(biāo)。
[0003] 目前壓電陶瓷執(zhí)行器篩選方法主要基于其靜態(tài)特性，除了靈敏度、分辨率、位移的 行程范圍以外，靜態(tài)輸入和輸出的非線性、同一輸入下輸出的重復(fù)性、相同輸入正反行程的 滯后都是考慮的因素。而后三個靜態(tài)特征是與壓電陶瓷的遲滯曲線特征密切相關(guān)的。但是 現(xiàn)今遲滯指標(biāo)的標(biāo)定是通過有限次實(shí)驗(yàn)得到遲滯誤差和曲線重復(fù)性偏差，這種方法得到的 結(jié)果往往存在較明顯的誤差，尤其是遲滯具有非光滑、多值映射、記憶性和方向性特點(diǎn)，甚 至還存在次環(huán)現(xiàn)象，基于此對壓電陶瓷執(zhí)行器進(jìn)行篩選的準(zhǔn)確性不高，主觀性較大，不能滿 足實(shí)際需求。近些年，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，壓電陶瓷執(zhí)行器的需求量也在不斷增加， 面對成批大量的各種各樣的壓電陶瓷執(zhí)行器，如何從進(jìn)行科學(xué)的質(zhì)量篩選，如何為控制系 統(tǒng)挑選最合適的執(zhí)行器，都迫切需要設(shè)計(jì)一種準(zhǔn)確的自動化智能篩選方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種壓電陶瓷執(zhí)行器性能特征量的提取方法，其根據(jù)壓電陶瓷固有的 遲滯非線性特性，通過建立壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯特征檢測實(shí)驗(yàn)，采集正弦輸入下壓電陶瓷 執(zhí)行器的位移輸出數(shù)據(jù)，并提取位移遲滯曲線的特征。該方法包括：
[0005] 步驟一，將周期往復(fù)變化信號加載到壓電陶瓷執(zhí)行器上，使其發(fā)生形變，產(chǎn)生位 移；
[0006] 步驟二，標(biāo)定用傳感器將位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號，記錄位移輸出信號數(shù)據(jù)；
[0007] 步驟三，對位移輸出信號繪制壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯特性曲線，其中橫軸為輸入 電壓信號X，縱軸為壓電陶瓷執(zhí)行器的位移輸出信號y，壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯特性曲線包 括壓電陶瓷執(zhí)行器的上行程和下行程曲線，上行程和下行程曲線的交點(diǎn)為遲滯環(huán)起點(diǎn)A和 拐點(diǎn)B ;
[0008] 步驟四，根據(jù)曲線數(shù)據(jù)依次求得遲滯環(huán)起點(diǎn)坐標(biāo)A(x。，y。)、拐點(diǎn)坐標(biāo)B(xe，yj、上 行程和下行程曲線間的X軸最大寬度A X_、上行程和下行程曲線間的y軸最大寬度Δγ_、 同一 X下壓電陶瓷執(zhí)行器輸出與理想直線AB輸出的最大差值Δ L_和壓電陶瓷執(zhí)行器理 想輸出直線AB的斜率K，獲取壓電陶瓷執(zhí)行器性能特征向量P = [X。，y。，Xf3, Yf3, Δ χ_，Δ yma x，A Lmax, K] 〇
[0009] 在步驟一中，正弦信號X (t) = Asin (2 JT ft)+B經(jīng)過濾波和/或放大后加載到壓電 陶瓷執(zhí)行器上。
[0010] 步驟二中，由示波器記錄位移電壓信號數(shù)據(jù)。
[0011] 步驟三中，在對位移輸出信號繪制壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯特性曲線前，對位移輸 出信號進(jìn)行濾波處理，優(yōu)選的進(jìn)行巴特沃斯低通數(shù)字濾波處理，包括：
[0012] 采集的壓電陶瓷執(zhí)行器的位移輸出電壓信號為d(kT)，其中T為采樣周期，k = I. .. S (S為輸入一個周期變化時的采樣點(diǎn)總數(shù)）；
[0013] 對d(kT)進(jìn)行巴特沃斯低通數(shù)字濾波，得到濾波后位移輸出信號y(kT)，且有 y(kT) =H(k)d(kT)，其中H(k)為巴特沃斯低通數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)，濾波頻率等于輸入 信號頻率。
[0014] 上述述特征參數(shù)計(jì)算公式如下：
[0015] Δ Xnax= Max|xkl-xkj|，
[0016] 其中Xkl為輸出為同一 yk的上行程曲線的輸入值，Xkj為輸出為同一 yk的下行程曲 線的輸入值，i，j = 1，2，...，S;
[0017] Δ ynax= Max | y kl-ykj | ,
[0018] 其中ykl為輸出為同一 xk的上行程曲線的輸出值，ykj為輸出為同一 xk的下行程曲 線的輸出值，i，j = 1，2，...，S;
[0019] Δ Lnax= Max | Κχ-y ι7?
[0020] 其中K = ，yi7^在同一 χ時位移輸出上行程或下行程曲線上的相 應(yīng)采樣點(diǎn)。
[0021] 本發(fā)明還提供一種壓電陶瓷執(zhí)行器智能篩選方法，基于提取的位移輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行 分層聚類，準(zhǔn)確劃分不同形狀的遲滯曲線，實(shí)現(xiàn)對規(guī)定指標(biāo)相同的同類型壓電陶瓷執(zhí)行器 質(zhì)量次品、基本合格、良好和優(yōu)秀等級的準(zhǔn)確篩選。該方法包括：
[0022] 步驟一，對N個待篩選的同種類壓電陶瓷執(zhí)行器，在輸入信號不變的情況下，重復(fù) 如前述的壓電陶瓷執(zhí)行器性能特征量的提取方法M次，則獲得L = NXM個位移電壓輸出信 號y(kT)，構(gòu)建壓電陶瓷執(zhí)行器性能評價特征向量Pnm= [X(j，y。，Xf3, Yf3, Δ x_，Aymax, ALmax, K ]，則可以獲得N個待篩選壓電陶瓷執(zhí)行器的L個特征向量，構(gòu)成遲滯曲線數(shù)據(jù)矩陣W，其中 M ^ 10, n ^ N, m ^ M ；
[0023] 步驟二，計(jì)算每個壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯、非線性和重復(fù)性指標(biāo)：
[0024] 遲滯性指標(biāo)為
[0025] 非線性指標(biāo)為
[0026] 重復(fù)性指標(biāo)為
[0027] 其中，
和M分別為在上行程或者下行程輸入為同一 X 時，相同壓電陶瓷執(zhí)行器的第a次和第b次實(shí)驗(yàn)獲得的遲滯曲線位移輸出值；
[0028] 步驟三，根據(jù)已知的標(biāo)定指標(biāo)δΗ、滿量程輸出Y，求得N個同型號壓電陶瓷 執(zhí)行器基本合格標(biāo)定值：
[0030] 步驟四，計(jì)算每個壓電陶瓷執(zhí)行器的每條遲滯曲線的特征值δ Η。和δ W其中C =
1，2,... L，并求得每個壓電陶瓷執(zhí)行器的平均特征值晃&和^?，其中 為壓電陶瓷執(zhí)行器η第m次實(shí)驗(yàn)測得的遲滯性數(shù)值，
為壓電陶瓷執(zhí)行 器η第m次實(shí)驗(yàn)測得的非線性數(shù)值，從而獲得第η個壓電陶瓷執(zhí)行器的基本合格特征值
[0032]
為壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯環(huán)B點(diǎn)縱坐標(biāo)均值，
為遲滯環(huán)A點(diǎn)縱坐標(biāo)均值；
[0033] 步驟五，若λη> λ，則其對應(yīng)的壓電陶瓷執(zhí)行器η就為次品，次品數(shù)為Nd，去除次 品后的合格產(chǎn)品數(shù)為N 1= N-N d。
[0034] 進(jìn)一步，該方法還包括步驟六，在剩余N1個產(chǎn)品中進(jìn)行基于分層聚類方法的合格 產(chǎn)品的篩選，
[0035] a)將第η個執(zhí)行器的第m次實(shí)驗(yàn)獲得的性能評價特征向量Pnm= [X。，y。，Xf3, Yf3, Δ x_，Δ y_，Δ Lmax, K]看作一類，其中 η = 1，2,. . .，N1, m = 1，2,. . .，M，共計(jì) Ld個特征向量 數(shù)據(jù)，建立1^類，即G i (0)，G2⑹，...，Gw (0)，并計(jì)算各類間的歐式距離，得到LdX Ld的距離 矩陣D(O);
[0036] b)找出D(e)中的最小元素 （e = 0, 1，2...)，將其對應(yīng)的兩類合并和為一類，由此 建立新的分類61(6+1)，6 2(6+1)，..·；
[0037] c)計(jì)算合并后新類別之間的距離，得到距離矩陣D(e+1);
[0038] d)轉(zhuǎn)至第b)步進(jìn)行重復(fù)計(jì)算與合并，直至全部壓電陶瓷執(zhí)行器聚為一類，得到聚 類分級樹；