压电式自感知微驱动器的研究

　　0 引言

　　智能微驱动器是集成了传感器、执行器和控制器而构成的自诊断、自适应、高性能系统，具有极大的应用价值，近年来得到了长足的发展^[1]。压 电材料具有正逆压电效应，这使得压电材料在智能微驱动器中既可作传感元件又可作驱动元件，方便形成具有自感知和控制能力的“主动”结构。随着压电传感与驱 动研究的深入，已经实现了用同一压电元件既作传感器又作驱动器，即自感知压电驱动技术。Sincarin 等人首次将传感器、执行器集成称为传感执行器，其包含三方面关键内容: 传感器、执行器、传感器与执行器同位配置^[2]。

　　分析现有国内外传感器与执行器的集成技术，可归纳为两类: 结构集成和功能集成^[3]。结构集成是将两个独立的器件，在 结构上作为一个整体，两个器件各自独立地承担传感和执行功能。功能集成是在一个器件中同时实现传感与执行两种功能，这个器件必须具有能量双向可逆转换的特 性。本文通过对一种结构集成型压电自感知微驱动器的实验与仿真，对智能微驱动器的实现进行初步探索与研究。

　　1 压电式自感知结构

　　基于压电陶瓷的正逆压电效应自行制作了压电陶瓷堆，包括驱动部分和感应部分，结构上两部分串联在一起，中间用绝缘陶瓷片隔开。这两部分均选用层 叠式压电陶瓷结构，使用中将每一片压电陶瓷实现电路上并联，结构上串联的方式。将压电陶瓷片具有相同极性的面粘结在一起，相邻的片具有相反的极化方向，每 片的极化方向与电场方向一致。在电场作用下，把叠片式压电陶瓷的一端固定，就可在另一端推动负载产生微位移。图 1a 为压电陶瓷堆的结构示意图，图 1b 为压电陶瓷堆的实物图。

　　当给驱动端输入一个给定的驱动电压时，基于逆压电效应，压电陶瓷堆驱动端会产生相应的输出位移，由于驱动端和感应端结构上串联，所以驱动端和感 应端所受外界抵抗其变形的力是相等的，压电陶瓷堆感应端将受到力的作用; 由于正压电效应的存在，通过感应端的电压可表现出来，因此，就可以得到驱动电压、输出位移和感应电压之间的对应关系，从而通过感应电压的反馈来对输入的驱 动电压进行控制，实现自感知控制。

　　2 压电式自感知驱动实验

　　压电式自感知微驱动器的实验系统如图 2 所示，系统包括 DGS-6C 型数显电感测微仪、DGC-8ZG/C 型( 轴向式) 测量传感头、PDG-Ⅱ型 PZT 驱动控制器和测试工作台。在压电陶瓷驱动端输入 0 ～ 210V 等值间隔的电压值，从低电压到高电压，分别测量压电陶瓷堆驱动端对应的输出位移量和感应端对应的感应电压值，各电压对应关系如表 1 所示。