一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器

摘要

一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，通过在传统的压电陶瓷作动器的菱形环中安装一个由特殊材料制成的具有强挠曲电效应的梯形截面弹簧状传感元件，在低幅的振动环境下，该元件的两端会产生电荷积累，其电荷量取决于弹簧状传感元件的应变梯度，因此，通过测量产生的电荷量，即可得到弹簧状传感元件的变形量，也就表征出作动器的输出位移量；该装置将作动器的输出和传感功能一体化，避免了作动器在实际使用中需要额外增加配套位移传感装置的问题，扩大了作动器的使用范围；该装置的结构紧凑，体积小，并且采用挠曲电效应为原理的位移传感装置，具有作动精度和位移传感精度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种位移自传感作动装置，具体涉及一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器。

背景技术

以压电陶瓷为材料的高精度作动器因为具有响应快、精度高、体积小等优点，其在航天工程，精密机床和精密医疗器械中有着广泛的应用。由于压电材料的特性，及压电材料的应变与所加电压之间并不是绝对的线性关系，这导致压电陶瓷作动器的精准位移输出需要闭环来控制。因此，在压电陶瓷作动器的使用中，通常需要额外增加位移传感装置。位移传感装置的使用使得整个作动机构的体积、重量和成本都增加。将位移传感与压电作动器一体化是解决这一问题的新思路，例如发明专利：CN201510116738.9-具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法，CN201810354487.1-具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器及作动方法等。上述发明还存在着作动器体积较大、位移传感精度较低等缺点。因此，迫切需要一种结构紧凑、位移传感精度高的压电陶瓷作动器。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，无需额外增加位移传感装置即可实现作动器输出位移的实时测量。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，该作动器包括外部壳体，外部壳体内部留有相应的安装空间，外部壳体有开孔，用于引出引线，预紧螺钉2由外部壳体左侧旋入，用于作动器安装完成后的预紧力调节，底座3位于预紧螺钉2和垫片4之间并与垫片4紧密粘接；压电堆6和与菱形环8长轴过盈配合安装，上、下侧表面分别镀有不同的电极的弹簧状传感元件7与压电片9粘接后安装在菱形环中，并且将压电堆6安装于弹簧状传感元件7的内部，压电堆6、弹簧状传感元件7、菱形环8和压电片9组成作动传感一体机构，初始状态下，弹簧状传感元件7处于压缩状态，固结夹具5左侧与垫片4紧密粘接，右侧与菱形环8长轴的左侧固定连接，菱形环8长轴右侧与输出杆10固结，套接在输出杆10上的限制环11安装在外部壳体中预留的安装槽中，并使输出杆10从中间穿出，以保证位移输出的直线精度。

通过给压电堆6施加相应电压，即实现目标位移的高精度输出，给压电堆6施加电压后，压电堆6伸长使得压电片9低幅振动，弹簧状传感元件7的两端会产生电荷，其电荷量与弹簧状传感元件7的应变梯度有关，通过测量电荷量，即得到弹簧状传感元件7的应变，进而得到作动器的实际输出位移，该作动器实现了位移和传感的一体化功能。

所述的一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，其位移传感的工作原理是：在静态载荷下，弹簧状传感元件7上的电荷并不会不断产生，因此在连接电荷或电压测量时，所表现的瞬时放电现象，不利于准确测量，挠曲电效应的测量必须在弹簧状传感元件7振动的情况下；压电片9始终保持低幅的振动，带动弹簧状传感元件7的振动，并且由于弹簧状传感元件7的刚度小于菱形环8的刚度，所以压电片9的振动对作动器的输出影响忽略不计。

所述的一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，其位移传感的标定方法是：作动器安装完成后，弹簧状传感元件7处于压缩状态，此时在压电片9低幅振动下，测得产生的电荷量为Q

优选的，所述弹簧状传感元件7的材料采用聚偏氟乙烯(PVDF)，采用该材料能够增强结构的挠曲电效应，提高传感输出精度，并且该材料的刚度较低，使用时对被测量结构的影响较小。

优选的，为增强弹簧状传感元件7的挠曲电效应，弹簧状传感元件7的截面为梯形，以增大其受力时的应变梯度。

优选的，所述压电堆6为压电陶瓷。

优选的，所述外部壳体由左外壳1-1和右外壳1-2固定后共同组成，便于安装。

与现有技术相比，本发明具有下述优点：

1.本发明实现了作动器的输出和传感一体化，避免了作动器在实际使用中需要额外配套位移传感器的问题。

2.本发明的结构紧凑，体积较小，重量轻，并且采用挠曲电效应具有较高的位移传感精度。

3.本发明采用压电陶瓷作为驱动单元，使得作动器的位移输出具有高精度、响应快的特点。

附图说明

图1为本发明作动器爆炸示意图。

图2为本发明作动器装配示意图。

图3为本发明作动器的内部结构装配示意图。

图4为悬臂梁的挠曲电效应原理示意图。

图5为本发明作动器使用的弹簧状传感元件及其剖视图。

图6为本发明作动器标定原理图(图中曲线只表示其关系趋势)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，该作动器由左外壳1-1和右外壳1-2固定后共同组成外部壳体，壳体内部留有相应的安装空间，并且左外壳1-1上有开孔，用于引出引线，预紧螺钉2由外壳1-1左侧旋入，用于作动器安装完成后的预紧力调节，底座3位于预紧螺钉2和垫片4之间，并在其右侧与垫片4紧密粘接，压电堆6和与菱形环8长轴过盈配合安装，上、下侧表面分别镀有不同的电极的弹簧状传感元件7与压电片9粘接后安装在菱形环中，并且将压电堆6安装于弹簧状传感元件7的内部，压电堆6、弹簧状传感元件7、菱形环8和压电片9组成作动传感一体机构，初始状态下，弹簧状传感元件7处于压缩状态，固结夹具5左侧与垫片4紧密粘接，右侧与菱形环长轴8的左侧通过螺钉连接，菱形环8长轴右侧与输出杆10固结，套接在输出杆10上的限制环11安装在右外壳1-2中预留的安装槽中，并使输出杆10从中间穿出，以保证位移输出的直线精度。上述零件安装完成后，用螺钉将左外壳1-1和右外壳1-2合紧。

完成安装后，通过给压电堆6施加相应电压，即可实现目标位移的高精度输出，给压电堆6施加电压后，压电堆6伸长使得压电片9低幅振动，弹簧状传感元件7的两端会产生电荷，其电荷量与弹簧状传感元件7的应变梯度有关，通过测量电荷量，即可得到弹簧状传感元件7的应变，进而得到作动器的实际输出位移，该作动器实现了位移和传感的一体化功能。

所述的一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，其位移传感的设计原理是：挠曲电效应是一种由应变梯度产生的电极化效应，将材料中的非均匀变形转化为电压的力电耦合效应，它广泛存在于所有的介电材料中，且具有比压电效应更高的温度稳定性，例如，如图4所示，悬臂梁受到端部的力F作用，其上表面受拉，下表面受压，沿y轴方向存在应变梯度，在挠曲电效应影响下，其上下表面会有电荷聚集，并且电荷量随着应变梯度增大而增多；弹簧状传感元件7的两端受到拉力或者压力作用时，其挠曲电效应与悬臂梁近似，如图5所示，将弹簧状传感元件7的上、下侧表面分别镀上不同的电极，并引出用于测量的引线；为增强弹簧状传感元件7的挠曲电效应，将弹簧状传感元件7的截面设计成梯形，以增大其受力时的应变梯度。

所述的一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，其位移传感的工作原理是：在静态载荷下，弹簧状传感元件7上的电荷并不会不断产生，因此在连接电荷或电压测量时，所表现的瞬时放电现象，不利于准确测量，挠曲电效应的测量必须在弹簧状传感元件7振动的情况下；压电片9始终保持低幅的振动，带动弹簧状传感元件7的振动，并且由于弹簧状传感元件7的刚度远小于菱形环8的刚度，所以压电片9的振动对作动器的输出影响可以忽略不计。

所述的一种基于挠曲电效应的位移自传感压电作动器，其位移传感的标定方法是：作动器安装完成后，弹簧状传感元件7处于压缩状态，此时在压电片9低幅振动下，如图6所示，可测得产生的电荷量为Q