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压电陶瓷振动传感器的迟滞非线性误差补偿研究

更新时间：2019-12-29 23:13:19 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：压电陶瓷振动传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对振动测试中压电陶瓷传感器的迟滞非线性会影响检测精度的问题,分析了压电陶瓷的微观极化机理,解释了压电陶瓷传感器产生迟滞非线性的原因。为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性,提高检测精度,提出了一种可以反映压电陶瓷传感器非对称迟滞特性的改进Bouc-Wen模型,研究并给出了模型参数对迟滞曲线的大小、形状及平稳性影响关系和逆模型的求取方法。利用改进Bouc-Wen逆模型作为补偿器来补偿压电陶瓷传感器的迟滞非线性,实验验证结果表明:采用逆补偿后,校正位移总是能够很好跟踪传感器的实际输入位移,有效保证了检测精度。


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振
动
与
冲
击
37  
23  
期
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK  
Vol． 37 No． 23 2018  
第
卷第  
  
压电陶瓷振动传感器的迟滞非线性误差补偿研究  
1
2
2
1
， ， ，  
陈高华 闫献国 郭 宏 李志飞  
( 1．  
，
太原科技大学 电子信息工程学院 太原  
030024; 2．  
，
太原科技大学 机械工程学院 太原  
030024)  
:
，
针对振动测试中压电陶瓷传感器的迟滞非线性会影响检测精度的问题 分析了压电陶瓷的微观极化机  
摘
要
， 。 ， ，  
理 解释了压电陶瓷传感器产生迟滞非线性的原因 为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性 提高检测精度 提出了一种可  
Bouc-Wen  
， 、  
模型 研究并给出了模型参数对迟滞曲线的大小 形状及平稳  
以反映压电陶瓷传感器非对称迟滞特性的改进  
。 Bouc-Wen  
性影响关系和逆模型的求取方法 利用改进  
，
逆模型作为补偿器来补偿压电陶瓷传感器的迟滞非线性 实验验  
: ， ，  
证结果表明 采用逆补偿后 校正位移总是能够很好跟踪传感器的实际输入位移 有效保证了检测精度  
。
: ; ; ; ;  
关键词 压电陶瓷传感器 迟滞非线性 迟滞模型 逆补偿 检测精度  
: TP212 : A DOI: 10． 13465 /j． cnki． jvs． 2018． 23． 038  
文献标志码  
中图分类号  
Error compensation for hysteresis nonlinearity of piezoelectric ceramic vibration sensors  
1
2
2
1
CHEN Gaohua ，YAN Xianguo ，GUO Hong ，LI Zhifei  
( 1． School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;  
2． School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)  
Abstract:  
The hysteresis nonlinearity of piezoelectric ceramic sensors affects detection accuracy in vibration  
measurement． Here，the micro-polarization mechanism of piezoelectric ceramics was analyzed and the reason why  
piezoelectric ceramic sensors have hysteresis nonlinearity was explained． In order to effectively compensate the hysteresis  
nonlinearity of piezoelectric ceramics and improve the detection accuracy，a modified Bouc-Wen model to reflect the  
asymmetric hysteresis feature of piezoelectric ceramic sensors was proposed． The effects of model parameters on  
magnitude，shape and stationarity of hysteresis curves were analyzed． The solving method of the inverse model was  
derived． The modified Bouc-Wen inverse model was taken as a compensator to compensate the hysteresis nonlinearity of  
piezoelectric ceramic sensors． The test results showed that after using the inverse compensation， the corrected  
displacement can always track the actual input displacement of the sensor to effectively guarantee its detection accuracy．  
Key words: piezoelectric ceramic sensor; hysteresis nonlinearity; hysteretic model; inverse compensation; detection  
accuracy  
，
振动传感器被用于飞机发动机故障诊断上 可以用来  
机械设备的振动信号可直接反映其当前的工作状  
70%  
［6］  
， ，  
态 以航空飞行器为例 据统计  
以上的发动机故  
， ，  
测量累积性损伤 裂纹增长 转子不平衡  
。
但是压电  
［1］  
。
，
因此 可以通过监  
障可以通过振动形式表现出来  
， ， ，  
陶瓷本身存在迟滞 蠕变 非线性等特性 直接影响到  
［7-8］  
、 、  
测振动信号来分析 推测 判断设备内部一些组件的工  
。
，
其中迟滞特性的影响最大 因  
传感器的检测精度  
。
作状况  
此迟滞非线性补偿成为提高基于压电陶瓷传感的微测  
、 、  
因具有良好的压电效应 较高的居里温度 强自发  
。 ，  
量精度的首要问题 为减小或消除该不利影响 可以  
［9-10］  
、 、  
极性 高机电耦合系数 亚纳米级分辨率以及亚微秒级  
，
利用逆模型进行线性化控制  
而利用逆模型进行线  
， 、  
的响应时间 压电陶瓷在微驱动 微测量领域中得到了  
。
性化控制的关键是非线性迟滞的精确建模  
［2-5］  
。
广泛研究与应用  
比如使用压电陶瓷材料制成的  
描述压电陶瓷迟滞现象的经典建模方法大体分为  
:
两类 一类是根据压电陶瓷的微观机理建立物理方程  
，
:
基金项目 山西省自然科学基金  
( 201701D121056) ;  
国家自然科学基金  
［11-12］  
。
从而求解出输入输出关系的建模方法  
另一类是  
( 51675363)  
只考虑输入输出关系而不深究其微观机理的建模方  
:
2017 － 12 － 05  
: 2018 － 01 － 25  
收稿日期  
第一作者 陈高华 女 博士生 副教授  
，1963  
修改稿收到日期  
［13］  
，
法 包括  
Preisach  
、Prandtl-Ishlinskii  
(
模型  
模型 简称  
、Bouc-Wen ( B-W  
模型 简称  
，
，
，1978  
年生  
［14］  
［15］  
，
，
通信作者 闫献国 男 博士 教授  
年生  
PI  
)
、
模型  
多项式模型  
23  
:
陈高华等 压电陶瓷振动传感器的迟滞非线性误差补偿研究  
279  
第
期
［16-17］  
)
。
B-W  
) ，R (  
为输入级等效电阻 包括传感器  
i
模型  
等
其中  
模型由于只需要用一个辅助  
放大级输入电容  
， ，  
的非线性微分方程来描述迟滞行为 计算效率高 实时  
、 ) C  
等效电阻 连接电路等效电阻和放大级输入电阻 为  
f
， ，  
性好 且逆模型求解十分方便 因而受到更多研究者的  
，R 。  
为反馈电阻  
f
反馈电容  
。
青睐 传统  
B-W  
模型是一个关于中心点严格对称的模  
， ，  
型 而压电陶瓷的迟滞特性是不完全对称的 所以传统  
B-W  
。
模型很难达到较高的拟合精度  
，
本文在压电陶瓷压电效应的理论基础上 研究了  
，
电荷放大器在压电陶瓷传感系统中的应用 分析了压  
。
电陶瓷传感器迟滞非线性产生的原因 在传统  
B-W  
模
2
图
电荷放大器工作原理图  
， ，  
型的基础上 提出了改进算法 建立了压电陶瓷传感器  
Fig． 2 Working principle of charge amplifie  
，
的非对称迟滞模型 并给出了模型参数对迟滞曲线的  
。 ，  
影响关系和逆模型的求取方法 设计实验 利用改进  
A，  
设运算放大器的开环增益为 则输出电压  
Bouc-Wen  
，
逆模型补偿压电陶瓷传感器的迟滞非线性  
u
= － Au  
( 1)  
0
i
。
验证了所提方法的有效性  
，
根据集成运算放大器工作在线性区域的虚断特点 对  
KCL  
，
方程 可以得到  
运放的反向输入端对应结点列写  
如下关系  
1
压电陶瓷传感器的基本性能  
1． 1  
压电陶瓷传感器的压电效应  
du  
u
d( u － u )  
0 i  
u － u  
0
dq  
dt  
i
i
i
+ C  
+
= C  
+
( 2)  
i
f
压电陶瓷的正压电效应是指介质在力的作用下产  
dt  
( 2)  
R
dt  
R
i
f
， ，  
生形变 引起介质表面带电 逆压电效应是指施加激励  
( 1)  
由式  
和式  
可得  
， 。  
电场 介质将产生机械变形 压电陶瓷传感器是一种  
dq  
1
du  
u
du  
u
1
0
0
0
0
=
+
( 3)  
1 +  
C
+
C
+
(
)
(
相应的相量式为  
)
(
)
i
f
。
基于压电陶瓷材料的正压电效应而工作的功能器件  
dt  
A
A
dt  
R
dt  
R
i
f
1 。  
压电陶瓷的正压电效应示意图如图 所示 压电陶瓷  
( 3)  
式
·
，
材料经极化处理后 剩余极化强度会使与极化方向垂  
·
1
U
·
0
jw Q =  
+
jwC U +  
i 0  
( ， ) ，  
直的两端出现束缚电荷 一端为正 另一端为负 由于  
(
)
A
R
i
这些束缚电荷的作用会使压电陶瓷的两个电极表面产  
·
U
·
1
0
( 4)  
1 +  
jwC U +  
，
生极性相反的自由电荷 并使整个压电陶瓷片呈电中  
(
)
10  
当运放的开环增益大于  
(
)
时 上式可简写为  
f
0
A
R
f
。
，
当外界压力使压电陶瓷材料发生变形时 瓷片压  
性
5
，
， ， ，  
缩 极化强度变小 导致上下表面的电势改变 和表面  
·
·
Q
，
接触的两电极上的部分自由电荷被释放 因此在电路  
U
=
( 5)  
0
1
C +  
f
。
中会有电荷流动  
jwR  
f
，
以上所述的分析结果表明 电荷放大器输出电压  
相量和输入电荷相量的比值大小决定于被测信号的振  
，
动频率和反馈网络的参数 如果测量信号的振动频率  
，
相当高时 可以得到  
Q
U
( 6)  
≈
0
C
f
1
图
压电陶瓷正压电效应示意图  
:
即 电荷放大器输出电压  
U
Q
与采集到的电荷 近似成  
0
Fig． 1 Positive piezoelectric effect of piezoelectric ceramics  
。
正比关系  
1． 2  
1． 3  
电荷放大器  
迟滞非线性成因分析  
，
压电陶瓷传感器的输出信号非常微弱 且电荷在  
，
压电陶瓷是属于铁电材料的压电体 未经预极化  
，
电路中易消耗掉 所以在使用时通常与电荷放大器配  
， ，  
处理的压电陶瓷材料 是一种多晶体多电畴材料 对于  
， Q U  
合使用 把电荷信号 转换成电压信号 完成物理量  
， ，  
其中的每个电畴来说 具有方向相同的自发极化 但就  
。
，
由多晶体多电畴组成的整体而言 因各电畴无规则排  
的测试  
电荷放大器的工作原理如图 所示 图中 为压  
，C  
2
，
Q
， ，  
列 各电畴的极化效应被相互抵消 并不具有压电效  
。
3( a)  
。
所示 压电陶瓷自发极化的电畴会在外  
电陶瓷传感器受到外力后产生的电荷量  
为输入级  
应
如图  
i
( 、  
等效电容 包括传感器等效电容 连接电路等效电容和  
， ，  
电场的作用下重新取向 这种在外电场作用下 电畴重  

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