CN109945926B - 一种面向压电器件的检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了面向压电器件的检测系统及其方法。其中，面向压电器件的检测系统，包括：线性放大模块，其与自适应数字控制模块相连；所述随动电源模块用于为线性放大模块提供工作电压；所述线性放大模块，用于线性放大所述自适应数字控制模块输出的驱动信号，以驱动待测压电器件；负载反馈模块，其用于将实时检测的线性放大模块输出信号以及待测压电器件的某个物理量均反馈至自适应数字控制模块；所述自适应数字控制模块，用于根据输入信号和负载反馈，自适应输出驱动信号经线性放大模块放大后驱动待测压电器件的某个物理量跟随输入信号变化。
Description
技术领域
本公开属于压电器件检测领域，尤其涉及一种面向压电器件的检测系统及其方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
压电器件是由压电材料构成，其中，压电材料具有力电耦合特性，可以将电能转换为机械能，或者将机械能转换为电能。但是检测压电器件的过程中，压电材料往往存在着多种未知的特性，包括阻抗特性，频率特性，迟滞特性,形变特性等未知参数，这样难以保证检测系统的精密放大、稳定工作以及快速响应。现有的面向压电器件的检测系统使用同样的控制算法驱动不同的压电材料，必然会造成系统性能下降，甚至不稳定。
发明人发现，对于以不同物理量为目的的驱动模式，即对不同的物理量进行闭环控制，使用单一的控制方法，即使是驱动同一个压电材料样品，也不可能都取得比较精确的结果，单一的控制方法甚至都无法适用于全部的驱动模式。
发明人还发现，在现有的面向压电器件的检测系统中的线性功率放大驱动电路采用固定的供电电压，在以低电压驱动材料样品时效率低下，功率都浪费在线性放大器的调整管上，发热导致系统温度上升，过高的温升使系统性能和测量精度严重下降。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种面向压电器件的检测系统，其能够针对未知特性的压电特性和未知变化的输入信号，实现稳定，精密的线性放大和驱动，实现压电器件参数的精确测量。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种面向压电器件的检测系统，包括：
线性放大模块，其与自适应数字控制模块相连；所述随动电源模块用于为线性放大模块提供工作电压；所述线性放大模块，用于线性放大所述自适应数字控制模块输出的驱动信号，以驱动待测压电器件；
负载反馈模块，其用于将实时检测的线性放大模块输出信号以及待测压电器件的某个物理量均反馈至自适应数字控制模块；
所述自适应数字控制模块，用于根据输入信号和负载反馈，自适应输出驱动信号经线性放大模块放大后驱动待测压电器件的某个物理量跟随输入信号变化。
进一步地，所述自适应数字控制模块还与随动电源模块相连；所述自适应数字控制模块，用于根据其自身的输入信号的实时幅值及负载反馈模块的反馈信息，自适应计算出线性放大模块所需的供电电压，根据随动电源模块的电压反馈，输出相应PWM信号以控制随动电源模块的输出电压；
所述随动电源模块，还用于自动跟随自适应数字控制模块的输入信号，为线性放大模块提供所需的最佳工作电压。
为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供面向压电器件的检测系统的工作方法，其能够针对未知特性的压电特性和未知变化的输入信号，实现稳定，精密的线性放大和驱动，实现压电器件参数的精确测量。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种面向压电器件的检测系统的工作方法，包括：
接收实时检测的待测压电器件的电流、电压和形变量；
根据输入信号和控制目标，自适应计算出压电器件驱动信号；
输出压电器件驱动信号，经线性放大模块线性放大后以驱动待测压电器件；
根据实时记录的各项物理参数分析被测压电材料的各项特性；
结合输入信号的实时幅值，自适应计算出线性放大模块所需的供电电压；
接收随动电源模块的电压反馈，输出相应PWM信号以控制随动电源模块的输出电压，使得随动电源模块自动跟随输入信号的幅值，为线性放大模块提供所需的最佳工作电压。
本公开的有益效果是：
(1)本公开的面向压电器件的检测系统，可以针对未知特性的压电器件，利用电流和电压反馈以及形变测量，通过自适应数字控制模块和线性放大模块实现了对任意给定信号的稳定，精密驱动和阻抗，频率特性，压电特性，迟滞特性，形变特性等物理参数精确测量。
2)由于线性功率放大器输出特性和线性范围在不同供电电压下都是不同的，本公开的随动电源模块针对线性放大模块的输出特性和功耗特点，自动跟随输入信号的幅值，为线性放大器提供放大该信号所需的最佳工作电压，使整个系统既具备线性放大器精密，稳定，快速，线性，带宽高的特点，又具备PWM开关电源高效，损耗低的特点，能够在保证线性范围和良好的输出特性的条件下动态调整供电电压以降低功耗，使整个系统长期稳定可靠的高效运行。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例提供的一种面向压电器件的检测系统结构示意图。
图2是本公开实施例提供的由自适应数字控制模块和随动电源模块构成的电源电压闭环。
图3是本公开实施例提供的由自适应数字控制模块和线性放大模块、负载反馈模块构成的压电器件驱动闭环。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本公开实施例提供的一种面向压电器件的检测系统结构示意图。
如图1所示，本实施例的一种面向压电器件的检测系统，包括：线性放大模块、负载反馈模块、自适应数字控制模块和随动电源模块。自适应数字控制模块和随动电源模块构成如图2所示的电源电压闭环。自适应数字控制模块和线性放大模块、负载反馈模块构成如图3所示的压电材料驱动闭环。
其中：
(1)线性放大模块
线性放大模块，其与自适应数字控制模块和随动电源模块分别相连。
所述随动电源模块用于为线性放大模块提供工作电压；所述线性放大模块，用于线性放大所述自适应数字控制模块输出的驱动信号，以驱动待测压电器件。
在一个或多个实施例中，所述线性放大模块，包括：
放大器芯片A；
两个三极管(如：T2和T3)构成的直接耦合互补输出级电路；
其中，T2和T3这两个三极管的参数相同且特性对称。
需要说明的，线性放大模块也可采用其他现有的线性放大电路形式，本领域技术人员可以根据具体情况自行选择，在此不作详述。
(2)负载反馈模块
负载反馈模块，其用于将实时检测的线性放大模块输出信号以及待测压电器件的形变量均反馈至自适应数字控制模块。
在一个或多个实施例中，所述负载反馈模块，包括：
(2.1)电流检测模块，其用于实时检测线性放大模块输出的电流信号并反馈至自适应数字控制模块。
具体地，通过A/D(模拟/数字)采样负载电流并反馈至自适应数字控制模块。
可以理解的，在其他的实施例中，电流采样方式包括但不限于串联采样电阻，霍尔传感器，互感器等方式，本领域技术人员可以根据具体工况自行选择，在此不作详述。
(2.2)电压检测模块，其用于实时检测线性放大模块输出的电压信号并反馈至自适应数字控制模块。
具体地，通过A/D(模拟/数字)转换模块将被测材料的电压反馈至自适应数字控制模块。
可以理解的，在其他的实施例中，电压采样方式包括但不限于并联采样电阻，霍尔传感器，互感器等方式，本领域技术人员可以根据具体工况自行选择，在此不作详述。
(2.3)形变量检测模块，其用于实时检测待测压电器件的形变量并反馈至自适应数字控制模块。
具体地，通过编码器接口，数字或模拟接口等接收包括激光干涉仪，光栅，电容传感器，磁传感器等在内的仪器的形变量测量。
(3)随动电源模块
随动电源模块用于自动跟随自适应数字控制模块的输入信号，为线性放大模块提供所需的最佳工作电压。
在一个或多个实施例中，所述随动电源模块为开关电源，所述开关电源的开关元件的控制端与自适应数字控制模块相连。
随动电源模块反馈输出电压信号给自适应数字控制模块，根据自适应数字控制模块的PWM信号输出一对正负电源。
作为示例，如图1所描述的随动电源模块采用的拓扑结构是电感反馈式半桥模式，包括一个场效应管T1，变压器耦合三点式电感，三部分线圈匝数分别为N1，N2/2，N2/2，一对二极管D1，D2和一对电容C1，C2。
需要说明的是，随动电源模块的拓扑结构包括但不限于常用的单端正激，单端反激，推挽，半桥，全桥等模式，本领域技术人员可以根据具体工况自行选择，在此不作详述。
(4)自适应数字控制模块
所述自适应数字控制模块与负载反馈模块相连，实时获取电流，电压和形变反馈。
所述自适应数字控制模块与线性放大模块相连。所述自适应数字控制模块根据输入信号和负载反馈，通过自适应控制算法，输出驱动信号经线性放大模块放大后驱动待测压电器件的某个物理量跟随输入信号变化。
其中，自适应过程是一个不断逼近目标的过程。它所遵循的途径以数学模型表示，通常采用基于梯度的算法，其中最小均方误差算法(即LMS算法)尤为常用。
所述自适应数字控制模块还与随动电源模块相连；所述自适应数字控制模块，用于根据其自身的输入信号的实时幅值及负载反馈模块的反馈信息，自适应计算出线性放大模块所需的供电电压；以及根据随动电源模块的电压反馈，输出相应PWM信号以控制随动电源模块的输出电压。
在具体实施中，自适应数字控制模块由CPU及其外部电路组成，其CPU为数字系统中中央处理器的统称。
可以理解的，在其他的实施例中，CPU的类型包括但不限于DSP，ARM，单片机等，数量也不限于一个，本领域技术人员可以根据具体工况自行选择，在此不作详述。
本实施例所述自适应数字控制模块根据其接收的输入信号识别出有限时间内的信号幅值。
根据线性放大模块的输入及输出，构建并实时更新线性放大模块的模型；
所述线性放大模块的模型包括输出特性和负载特性。
所述自适应数字控制模块，根据实时更新的线性放大模块的模型，和输入信号的幅值，计算出线性放大模块所需的供电电压；
然后以随动电源的输出电压为反馈实现闭环控制，更新控制随动电源模块的PWM信号，使得随动电源模块输出电压自动跟随输入信号幅值，为线性放大模块提供所需的最佳工作电压。
所述自适应数字控制模块，实时获取待测压电器件的电流，电压和形变反馈。
对比压电材料的电压，电流和形变量，实时更新压电材料的负载模型。根据获得的线性放大器模型和逐步逼近实际的压电器件模型，更新压电器件的驱动算法。
最后，通过以输入信号为参考输入，以某个物理量(如电压，形变等)为反馈的闭环自适应控制算法计算出压电器件驱动信号，经线性放大模块线性放大后驱动压电材料的该物理量，跟随输入信号变化。
根据实时记录的待测压电器件的所有物理量，进行各项特性分析。压电特性的计算、分析、统计和识别是离线进行的，本方案只负责记录实时数据。
例1：
以正弦信号为输入信号，以负载电压为被控物理量闭环，驱动负载电压跟随输入信号。改变输入信号的频率重复驱动。
根据负载电压和电流可以获得不同频率下的阻抗特性。
根据负载电压和形变量可以获得不同频率下的电压-形变特性。
例2：
以方波为输入信号，以负载电压为被控物理量闭环，驱动负载电压跟随输入信号。
根据负载电压和形变，可以计算出压电材料的迟滞特性和蠕变特性。
例3：
以三角波为输入信号，以负载电流为被控物理量闭环，驱动负载电流跟随输入信号。
根据负载电流和电压可以获得压电材料的电容值，再根据形变量可以进一步获得形变-电容特性。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向压电器件的检测系统，其特征在于，包括：
线性放大模块，其与自适应数字控制模块相连；随动电源模块用于为线性放大模块提供工作电压；所述线性放大模块，用于线性放大所述自适应数字控制模块输出的驱动信号，以驱动待测压电器件；
负载反馈模块，其用于将实时检测的线性放大模块输出信号以及待测压电器件的某个物理量均反馈至自适应数字控制模块；
所述自适应数字控制模块，用于根据输入信号和负载反馈，自适应输出驱动信号经线性放大模块放大后驱动待测压电器件的某个物理量跟随输入信号变化。
2.如权利要求1所述的一种面向压电器件的检测系统，其特征在于，所述自适应数字控制模块还与随动电源模块相连；所述自适应数字控制模块，用于根据其自身的输入信号的实时幅值及负载反馈模块的反馈信息，自适应计算出线性放大模块所需的供电电压，根据随动电源模块的电压反馈，输出相应PWM信号以控制随动电源模块的输出电压；
所述随动电源模块，还用于自动跟随自适应数字控制模块的输入信号，为线性放大模块提供所需的最佳工作电压。
3.如权利要求1所述的一种面向压电器件的检测系统，其特征在于，所述随动电源模块为开关电源，所述开关电源的开关元件的控制端与自适应数字控制模块相连。
4.如权利要求1所述的一种面向压电器件的检测系统，其特征在于，所述线性放大模块，包括：
放大器芯片；
两个三极管构成的直接耦合互补输出级电路；
其中，两个三极管的参数相同且特性对称。
5.如权利要求1所述的一种面向压电器件的检测系统，其特征在于，所述负载反馈模块，包括：
电流检测模块，其用于实时检测线性放大模块输出的电流信号并反馈至自适应数字控制模块；
电压检测模块，其用于实时检测线性放大模块输出的电压信号并反馈至自适应数字控制模块；
形变量检测模块，其用于实时检测待测压电器件的形变量并反馈至自适应数字控制模块。
6.如权利要求1所述的一种面向压电器件的检测系统，其特征在于，所述自适应数字控制模块，还用于：
根据线性放大模块的输入及输出，构建并实时更新线性放大模块的模型；
所述线性放大模块的模型包括输出特性和负载特性。
7.如权利要求6所述的一种面向压电器件的检测系统，其特征在于，所述自适应数字控制模块，还用于：
根据实时更新线性放大模块的模型，更新控制随动电源模块输出的PWM信号。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的面向压电器件的检测系统的工作方法，其特征在于，包括：
接收实时检测的待测压电器件的电流、电压和形变量；
根据输入信号和控制目标，自适应计算出压电器件驱动信号；
输出压电器件驱动信号，经线性放大模块线性放大后以驱动待测压电器件；
根据实时记录的各项物理参数分析被测压电材料的各项特性；
结合输入信号的实时幅值，自适应计算出线性放大模块所需的供电电压；
接收随动电源模块的电压反馈，输出相应PWM信号以控制随动电源模块的输出电压，使得随动电源模块自动跟随输入信号的幅值，为线性放大模块提供所需的最佳工作电压。
9.如权利要求8所述的面向压电器件的检测系统的工作方法，其特征在于，所述的面向压电器件的检测系统的工作方法，还包括：
根据其接收的输入信号识别出信号特征及有限时间内的信号幅值。
10.如权利要求8所述的面向压电器件的检测系统的工作方法，其特征在于，所述的面向压电器件的检测系统的工作方法，还包括：
根据线性放大模块的输入及输出，构建并实时更新线性放大模块的模型；
所述线性放大模块的模型包括输出特性和负载特性；
或
所述的面向压电器件的检测系统的工作方法，还包括：
根据实时更新线性放大模块的模型，更新控制随动电源模块输出的PWM信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20220411 Address after: 276800 Room 101, floor 1, building 15, new generation information technology industrial park, high tech Zone, Rizhao City, Shandong Province Patentee after: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. Address before: 100096 Room 301, unit 6, building 1, longxiyuan District 2, Huilongguan town, Changping District, Beijing Patentee before: BEIJING TONGCHUANG WEINA TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A piezoelectric device oriented detection system and its method Effective date of registration: 20220613 Granted publication date: 20210702 Pledgee: Rizhao Gaosheng Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980007667 |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 276800 Room 101, floor 1, building 15, new generation information technology industrial park, high tech Zone, Rizhao City, Shandong Province Patentee after: Ami Precision Control Technology (Shandong) Co.,Ltd. Address before: 276800 Room 101, floor 1, building 15, new generation information technology industrial park, high tech Zone, Rizhao City, Shandong Province Patentee before: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230809 Granted publication date: 20210702 Pledgee: Rizhao Gaosheng Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980007667 |