一種壓電陶瓷執行器的智能篩選方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種壓電陶瓷執行器的智能篩選方法，尤其是通過建立對壓電陶瓷執 行器遲滯特征檢測實驗，測得在正弦輸入下的遲滯曲線數據，然后根據曲線數據和壓電陶 瓷執行器標定指標提取產品性能的特征向量，并基于分層聚類的方法對產品的特征向量進 行聚類，從而實現對同類型壓電陶瓷執行器的批量產品快速而準確的自動化智能篩選，以 及次品、基本合格、良好和優秀等級劃分的方法。
【背景技術】
[0002] 壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，由壓電陶 瓷制成的執行器具有許多其它執行器無可比擬的優點，如位移分辨率高、機電耦合效率 高、響應快、功耗小、無噪聲等，所以被廣泛應用于微機械、微電子、精密加工、生物醫學、機 器人、航空航天等領域。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生嚴重的遲滯和非線性。壓電陶瓷執行器的這一遲滯非線性 是由鐵電效應產生的。這種非線性遲滯特性降低了系統的控制精度，還會造成與輸入信號 幅值相關的位移和諧波失真，削弱了閉環控制系統的反饋作用，甚至出現系統不穩定，從而 極大地限制了壓電陶瓷執行器在微納米定位技術中的應用。因此，無論在研制壓電陶瓷執 行器過程中，還是在設計和建立壓電陶瓷執行器控制系統時，都需要進行壓電陶瓷執行器 質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。
[0003] 目前壓電陶瓷執行器篩選方法主要基于其靜態特性，除了靈敏度、分辨率、位移的 行程范圍以外，靜態輸入和輸出的非線性、同一輸入下輸出的重復性、相同輸入正反行程的 滯后都是考慮的因素。而后三個靜態特征是與壓電陶瓷的遲滯曲線特征密切相關的。但是 現今遲滯指標的標定是通過有限次實驗得到遲滯誤差和曲線重復性偏差，這種方法得到的 結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，甚 至還存在次環現象，基于此對壓電陶瓷執行器進行篩選的準確性不高，主觀性較大，不能滿 足實際需求。近些年，隨著納米技術的快速發展，壓電陶瓷執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行器，如何從進行科學的質量篩選，如何為控制系 統挑選最合適的執行器，都迫切需要設計一種準確的自動化智能篩選方法。
【發明內容】
[0004] 本發明提供一種壓電陶瓷執行器性能特征量的提取方法，其根據壓電陶瓷固有的 遲滯非線性特性，通過建立壓電陶瓷執行器遲滯特征檢測實驗，采集正弦輸入下壓電陶瓷 執行器的位移輸出數據，并提取位移遲滯曲線的特征。該方法包括：
[0005] 步驟一，將周期往復變化信號加載到壓電陶瓷執行器上，使其發生形變，產生位 移；
[0006] 步驟二，標定用傳感器將位移數據轉換成電壓信號，記錄位移輸出信號數據；
[0007] 步驟三，對位移輸出信號繪制壓電陶瓷執行器的遲滯特性曲線，其中橫軸為輸入 電壓信號X，縱軸為壓電陶瓷執行器的位移輸出信號y，壓電陶瓷執行器的遲滯特性曲線包 括壓電陶瓷執行器的上行程和下行程曲線，上行程和下行程曲線的交點為遲滯環起點A和 拐點B ;
[0008] 步驟四，根據曲線數據依次求得遲滯環起點坐標A(x。，y。)、拐點坐標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_和壓電陶瓷執行器理 想輸出直線AB的斜率K，獲取壓電陶瓷執行器性能特征向量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經過濾波和/或放大后加載到壓電 陶瓷執行器上。
[0010] 步驟二中，由示波器記錄位移電壓信號數據。
[0011] 步驟三中，在對位移輸出信號繪制壓電陶瓷執行器的遲滯特性曲線前，對位移輸 出信號進行濾波處理，優選的進行巴特沃斯低通數字濾波處理，包括：
[0012] 采集的壓電陶瓷執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總數）；
[0013] 對d(kT)進行巴特沃斯低通數字濾波，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)為巴特沃斯低通數字濾波器的傳遞函數，濾波頻率等于輸入 信號頻率。
[0014] 上述述特征參數計算公式如下：
[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 應采樣點。
[0021] 本發明還提供一種壓電陶瓷執行器智能篩選方法，基于提取的位移輸出數據進行 分層聚類，準確劃分不同形狀的遲滯曲線，實現對規定指標相同的同類型壓電陶瓷執行器 質量次品、基本合格、良好和優秀等級的準確篩選。該方法包括：
[0022] 步驟一，對N個待篩選的同種類壓電陶瓷執行器，在輸入信號不變的情況下，重復 如前述的壓電陶瓷執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)，構建壓電陶瓷執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行器的L個特征向量，構成遲滯曲線數據矩陣W，其中 M ^ 10, n ^ N, m ^ M ；
[0023] 步驟二，計算每個壓電陶瓷執行器的遲滯、非線性和重復性指標：
[0024] 遲滯性指標為
[0025] 非線性指標為
[0026] 重復性指標為
[0027] 其中，
和M分別為在上行程或者下行程輸入為同一 X 時，相同壓電陶瓷執行器的第a次和第b次實驗獲得的遲滯曲線位移輸出值；
[0028] 步驟三，根據已知的標定指標δΗ、滿量程輸出Y，求得N個同型號壓電陶瓷 執行器基本合格標定值：
[0030] 步驟四，計算每個壓電陶瓷執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行器的平均特征值晃&和^?，其中 為壓電陶瓷執行器η第m次實驗測得的遲滯性數值，
為壓電陶瓷執行 器η第m次實驗測得的非線性數值，從而獲得第η個壓電陶瓷執行器的基本合格特征值
[0032]
為壓電陶瓷執行器的遲滯環B點縱坐標均值，
為遲滯環A點縱坐標均值；
[0033] 步驟五，若λη> λ，則其對應的壓電陶瓷執行器η就為次品，次品數為Nd，去除次 品后的合格產品數為N 1= N-N d。
[0034] 進一步，該方法還包括步驟六，在剩余N1個產品中進行基于分層聚類方法的合格 產品的篩選，
[0035] a)將第η個執行器的第m次實驗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 Ld個特征向量 數據，建立1^類，即G i (0)，G2⑹，...，Gw (0)，并計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)計算合并后新類別之間的距離，得到距離矩陣D(e+1);
[0038] d)轉至第b)步進行重復計算與合并，直至全部壓電陶瓷執行器聚為一類，得到聚 類分級樹；