基于结构集成的叠堆式压电传感执行器的研究

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1、硕士学位论文基于结构集成的叠堆式压电传感执行器的研究RESEARCHOFSTACKINGPIEZOELECTRICSENSINGACTUATORBASEDONSTRUCTURALINTEGRATION梁云雷哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP211学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于结构集成的叠堆式压电传感执行器的研究硕士研究生：梁云雷导师：谢涛教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：

2、哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP211U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHOFSTACKINGPIEZOELECTRICSENSINGACTUATORBASEDONSTRUCTURALINTEGRATIONCandidate：LiangYunleiSupervisor：Prof.XieTaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecial

3、ity：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要机电系统的测控技术领域同时需要执行器和传感器，集成有压电传感器和执行器的装置称为压电传感执行器，而压电传感执行器工作时，其执行器部分会对传感器部分产生电场干扰，影响传

4、感信号的精度，限制了压电传感执行器的研究与应用。为此本文从理论研究、仿真分析、实验验证三个角度出发，研制了两种基于结构集成的压电传感执行器，提出了两种滤波方案来减小电场干扰的影响，提高了传感信号精度。本文以压电陶瓷为材料进行研究，完成了两种结构集成型传感执行器的结构建模，并设计了封装方案。从压电材料的基本理论出发分析了压电叠堆的基本特性，对本文所提出的两种压电传感执行器建立了相应的数学模型，并在数学模型中考虑了电场干扰的影响。本文提出了两种方案来消除电场干扰带来的误差，一种方案通过理论研究分析电

5、场干扰的来源，确定电场干扰与驱动电压幅值和频率的关系，进而提出了基于傅里叶变换的滤波方案，根据驱动电压的傅里叶展开式，理论推得电场干扰产生的误差，并在电路中消除此误差的影响。另一种方案从结构优化角度出发，使模型执行器部分相对于传感器部分完全对称，进而抵消电场干扰对传感部分的影响，同时利用金属型腔和导电薄膜将传感器部分包裹起来，使电场干扰的影响由于封闭金属空间产生的静电屏蔽作用而进一步减小。建立有限元分析模型，对本文所研制的两种压电传感执行器进行仿真分析，得到了模型的动力学特性，进而得知模型输出位

6、移精度与驱动电压频率、压电陶瓷形状尺寸的关系。分析了电场干扰对压电传感执行器的影响，得到了干扰电荷与压电陶瓷尺寸的关系，验证了理论分析的正确性及滤波方案的有效性，同时为模型的优化提供参考。建立实验系统，利用LabVIEW软件进行系统中信号的分析和处理，通过实验验证了电场干扰与驱动电压幅值和频率的关系，分析了两种滤波方案消除电场干扰的效果，并得出了本文所研制的两种压电传感执行器的力和位移传感特性。设计了硬件电路来实现滤波方案，使本文研制的压电传感执行器更容易产品化、市场化。本文所研制的两种结构集成

7、型压电传感执行器，从根本上避免了传统的压电传感执行器所存在的缺陷，用一个器件同时实现了压电执行器、力传感器、位移传感器三个器件的功能。经济性好、节省安装空间、不需要复杂的信号处-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文理电路、在振动的主动控制、微位移工作平台的建立、生物医疗、空间卫星通讯等领域有着广阔的应用前景。关键词：压电传感执行器；电场干扰；傅里叶变换；静电屏蔽-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractActuatorsandsensorsarebothneededinmeasure-

8、controltechnologyfieldofelectromechanicalsystem,thedeviceintegratedwithpiezoelectricsensorsandactuatorsisknownaspiezoelectricsensingactuator.Whenpiezoelectricsensingactuatorisworking,actuatorwillgenerateelectricfielddisturbanceonthesensor,precisionof