[发明专利]压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量系统、方法和装置

权利要求书

1.一种压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量系统，其特征在于，该系统包括自感知位移测量数据采集模块、时间-数字转换测量数据采集模块、数据处理和融合模块；

所述自感知位移测量数据采集模块，配置为基于第一采集频率，获取压电陶瓷发生位移时压电陶瓷电极上的驱动电压、压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的感应电压，将所获取数据作为第一测量数据；

所述时间-数字转换测量数据采集模块，配置为基于第二采集频率，通过时间–数字转换方法,获取经电阻应变片给电容充电后的放电时间，将所获取数据作为第二测量数据；

所述数据处理和融合模块，配置为基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷对应各采样间隔的位移，并通过预设的基于异步多频率数据源融合算法将得到的两组采样频率不同的位移数据融合为一组位移测量结果。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量系统，其特征在于，所述自感知位移测量数据采集模块包括：

电压测量子模块，配置为获取所述压电陶瓷电极上的驱动电压的数字信号表示；

电荷测量子模块，配置为获取所述压电陶瓷电极表面产生的自由电荷感应产生的感应电压的数字信号表示。

3.根据权利要求2所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量系统，其特征在于，所述电压测量子模块包括电压跟随器和模数转换器：

所述电压跟随器，配置为跟随采集所述压电陶瓷驱动电源的驱动电压并输出；

所述模数转换器，配置为基于所述电压跟随器的输出信号，获取所述驱动电压的数字信号表示。

4.根据权利要求2所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量系统，其特征在于，所述电荷测量子模块包括电荷放大器和模数转换器：

所述电荷放大器，串联设置于所述压电陶瓷负极与地之间，用于获取所述压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的感应电压；

所述模数转换器，用于基于所述电荷放大器的输出，获取所述感应电压的数字信号表示。

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量系统，其特征在于，所述时间-数字转换测量数据采集模块包括：

采集电路子模块，包括电阻应变片、电容和开关电路；所述电阻应变片贴附设置于所述压电陶瓷形变表面，用于采集压电陶瓷形变位移；所述电容用于充电或放电时电荷的储存；所述开关电路用于以恒定电压对所述电容进行充电控制和放电控制；

电压测量子模块，配置为通过对所述电容的电压进行测量，获取电压的模拟信号表示；

时间-数字转换子模块，配置为基于电压测量子模块输出的电压的模拟信号表示，通过时间-数字转换器获取电容放电时间的数字信号表示。

6.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器纳米级位移融合测量系统，其特征在于，所述数据处理和融合模块包括：

电量非线性补偿子模块，配置为基于获取的漏电累积误差，对压电陶瓷电极表面产生的自由电荷的测量数据进行非线性补偿；

位移计算子模块，配置为基于所述第一测量数据、所述第二测量数据分别计算压电陶瓷各采样间隔的位移；

位移融合计算子模块，配置为通过预设的基于异步多频率数据源融合算法对所述位移计算子模块输出的两组异步压电陶瓷位移数据进行数据融合，获取输出频率等于两组位移数据采样频率之和的最终位移测量结果

K(k)＝(P^-(k)H^T+U)(HP^-(k)H^T+R+HU+U^TH^T)^-1

其中，为依据前一位移测量结果对当前位移测量结果的预测值，K(k)为增益系数，z(k)为状态量，H为模型系数，U为误差和z(k)误差之积的平均值，R为z(k)的均方误差，P^-(k)为迭代计算位移数据融合结果的协方差矩阵与K(k)时的中间变量，T表示转置。