压电陶瓷振动传感器的迟滞非线性误差补偿研究

陈高华, 闫献国, 郭 宏, 李志飞

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024;2.太原科技大学 机械工程学院，太原 030024)

机械设备的振动信号可直接反映其当前的工作状态，以航空飞行器为例, 据统计70%以上的发动机故障可以通过振动形式表现出来[1]。因此，可以通过监测振动信号来分析、推测、判断设备内部一些组件的工作状况。

因具有良好的压电效应、较高的居里温度、强自发极性、高机电耦合系数、亚纳米级分辨率以及亚微秒级的响应时间，压电陶瓷在微驱动、微测量领域中得到了广泛研究与应用[2-5]。比如使用压电陶瓷材料制成的振动传感器被用于飞机发动机故障诊断上，可以用来测量累积性损伤，裂纹增长，转子不平衡[6]。但是压电陶瓷本身存在迟滞，蠕变，非线性等特性，直接影响到传感器的检测精度[7-8]。其中迟滞特性的影响最大，因此迟滞非线性补偿成为提高基于压电陶瓷传感的微测量精度的首要问题。为减小或消除该不利影响，可以利用逆模型进行线性化控制[9-10]，而利用逆模型进行线性化控制的关键是非线性迟滞的精确建模。

描述压电陶瓷迟滞现象的经典建模方法大体分为两类：一类是根据压电陶瓷的微观机理建立物理方程，从而求解出输入输出关系的建模方法[11-12]。另一类是只考虑输入输出关系而不深究其微观机理的建模方法，包括 Preisach模型[13]、Prandtl-Ishlinskii 模型(简称PI模型)[14]、多项式模型[15]、Bouc-Wen模型(简称B-W模型)[16-17]等。其中B-W模型由于只需要用一个辅助的非线性微分方程来描述迟滞行为，计算效率高，实时性好，且逆模型求解十分方便,因而受到更多研究者的青睐。……