用于在静态和准静态条件下对分布式压电结构中的压力进行估算的自感知技术

《Mechatronics》：Self-sensing technique for pressure estimation in a distributed piezoelectric structure under static and quasi-static conditions

　　摘要
本研究提出了一种新的分布式压电自感知技术，用于在静态和准静态条件下对智能结构中的压力进行估计。该系统由五个压电元件组成，这些元件旨在检测各种形状物体的局部和分布压力。通过引入传导、迟滞和蠕变效应，电荷模型提高了估计的准确性。定制的电子电路用于与压电结构接口，提供电荷放大和对传导效应的补偿。此外，还实现了一个估计器，以实时补偿非线性行为，并根据有效输出电压和识别的自感知参数计算施加的压力。自感知参数通过实验验证，以确保对电气参数、迟滞和蠕变效应的准确补偿。该系统还使用已知压力和各种形状的物体（包括圆形盘、矩形尺子和迷你书）进行了测试。这些配置证明了系统有效区分局部和均匀分布压力剖面的能力。结果显示，估计压力与应用压力之间具有很强的相关性，在优化补偿后，误差保持在7%以下，远超仅作为传感器使用的传统分布式压电结构的性能（Vin=0V）。电荷模型、定制电路和估计器的集成凸显了所提出方法的鲁棒性，并为实际应用中的自主压力映射提供了可靠的解决方案。

引言
近几十年来，机器人技术、生物医学工程和材料科学等多个技术领域的快速发展，凸显了对能够在材料或结构组件中集成传感、驱动和控制功能的智能结构的需求[[1], [2], [3], [4]]。这些结构可以实时监控并对外部刺激做出适应性响应，从而提高各种应用的系统精度、灵活性和效率[5]。特别是在机器人技术中，智能结构被广泛用于创建适应性系统，如机器人夹爪[6]和人造皮肤[7]，实现精确操作并为人机交互提供良好的环境。同样，在生物医学应用中，智能结构对于推进假肢、可穿戴健康监测设备和微创手术工具的发展至关重要[8], [9]。这些进展突显了智能结构在压力感知方面的变革潜力，有助于解决复杂的技术和生物医学挑战，并提高现代机器人和医疗系统的性能[10,11]。
压电材料是植入式设备和手术仪器中最常用的智能材料之一，因为它们可以提供实时反馈和精确控制。这些材料因其低成本、高灵敏度、宽动态范围和高频响应而在多种应用中受到青睐。例如，分布式压电执行器已被提出用于薄型智能结构的主动振动控制[12,13]，以及六自由度微驱动阶段的精密驱动和高精度定位[14]。另一方面，分布式压电传感器已被用于损伤[15]、接触检测[16]、裂纹[17]识别（这些结构受到各种干扰），以及将环境振动能量转换为电能[18,19]。特别是，[16]中的工作强调了嵌入软基材中的分布式PZT阵列在实现高分辨率触觉感知方面的潜力，展示了压电材料对非均匀和柔性表面的适应性。此外，基于将压电元件同时用作执行器和传感器的设计，已经开发出用于机器人应用中初期滑动的主动感知智能结构[20]。
尽管分布式压电元件取得了成功，但它们主要被用作执行器或传感器。然而，由于它们的固有可逆性，单个压电元件可以同时充当传感器和执行器，这种现象称为压电自感知（PSS）[21,22]。这种方法允许压电系统检测内部状态（如位移、应力或应变），而无需额外的外部传感器，从而降低了系统复杂性和成本。最近，其他智能材料（如巨磁致伸缩材料[23,24]和形状记忆合金（SMA）[25,26]）也被探索用于自感知目的。虽然这些材料具有有趣的特性，但它们通常面临挑战，例如响应时间较慢（SMA）[27]或复杂性增加和成本较高（磁致伸缩材料）[28]。相比之下，压电陶瓷（如PZT）结合了高灵敏度、快速响应、易于集成和低成本，使其特别适合分布式自感知应用[16,29]。
自感知驱动（SSA）概念最初由Dosch等人[21]提出，它允许单个压电元件同时用于驱动和感知，提供了一个紧凑且高效的解决方案。从那时起，压电自感知（PSS）已在振动控制[30], [31], [32]、微组装[33], [34], [35]和精密定位[36,37]等应用中得到广泛研究。然而，其性能经常受到传导效应和电荷泄漏的限制，特别是在低频或静态条件下[38,39]。为了解决这些限制，提出了几种补偿策略，包括Rupper和Reza提出的传导补偿电路[40]以及Ivan等人提出的基于观测器的结合专用电子电路的方法[41,42]，这些方法提高了恒温和低频信号测量的准确性。
基于PZT的分布式压电结构已广泛用作振动控制和精密定位的执行器，或作为损伤检测、接触检测和触觉应用的传感器。这种多功能性主要归功于PZT材料的高机电耦合，使得在电激励下能够高效能量转换和强烈的振动响应，特别是在动态传感配置（如压电悬臂梁）中。然而，在许多实际应用中，如机器人抓取、压力映射和人机交互中，估计静态或准静态压力是首要任务。在这种情况下，动态方法不太适用，因为需要连续激励且其表示稳态接触条件的能力有限。此外，分布式PZT结构中的传感和驱动功能通常是分开实现的，增加了系统复杂性。压电材料的固有可逆性通过自感知原理提供了另一种选择，使得单个元件可以同时作为执行器和传感器工作。这种双重功能在分布式配置中特别有利，因为在保持空间分辨率的同时减少传感器数量至关重要。
分布式PZT传感架构也已被研究用于使用传统压电传感策略进行接触检测。如上所述，Acer等人[16]展示了使用硅胶嵌入的分布式PZT结构进行分布式接触检测的可行性。然而，他们的研究没有涉及定量静态或准静态压力估计。实际上，没有专用补偿策略的传统压电传感在静态负载下通常受到电荷泄漏和信号漂移的限制，这降低了准确估计稳态压力的能力。
最近，使用柔性压电聚合物（如PVDF）在低频激励下也展示了分布式自感知方法[43]，证明了在准静态条件下进行分布式压力估计的可行性。然而，将这一概念扩展到基于压电陶瓷的分布式结构尚未得到充分探索。由于PZT基结构的高机电耦合，它们特别适合敏感的压力估计，但在静态和准静态条件下的实现需要适当建模和对传导、迟滞、蠕变和偏置电流效应的补偿。解决这些挑战是本文的主要目标。
本研究的主要贡献如下：(i) 将自感知原理扩展到基于PZT的分布式压电结构，能够在静态和准静态条件下检测局部和分布压力；(ii) 开发了一个全面的电荷模型，明确考虑了传导、迟滞和蠕变效应；(iii) 设计了一个定制的电子电路用于电荷放大和传导补偿；(iv) 开发了一个专用的估计器用于实时补偿非线性效应，从而在静态和准静态条件下实现精确的压力估计；(v) 通过实验验证证明了所提出方法的有效性和鲁棒性。
本文的结构如下。第2节介绍了分布式压电结构和实验设置。接下来是分布式压电结构的自感知原理（第3节）以及自感知参数的识别和实验（第4节）。第5节给出了结论。

分布式压电结构
本研究考虑的分布式压电结构由一组正方形的锆钛酸铅（PZT）元件（2×2×0.02cm3）组成，这些元件使用硅胶粘合剂粘附在矩形基板（17.5×15×0.2cm3）的表面上，并如图1(a)所示分布在该表面上。根据参考文献[44]，在本研究中，我们建议使用PZT-5H（来自PI公司）作为压电元件，因为它被归类为软压电材料。
如参考文献[41]中所述，自感知方法结合了适当设计的电子电路和估计器，以实现精确测量。电子电路放大并转换结构中各个压电元件产生的电荷Qi为有用的输出电压Vout,i。然后使用输入电压Vin和电路的输出电压来实现一个估计器，以估计施加在分布式压电结构上的压力Pest,i。

分布式压电自感知参数的识别
确定单个压电元件的参数CP,iBias和Rf的实验程序在文献[41,54]中有详细描述。在这项工作中，我们通过单独识别每个压电元件的参数来适应这种方法，以确保准确表征每个元件的特定电气特性。为了提高结果的可靠性，测量进行了多次重复。

结论
本研究展示了将自感知技术成功应用于分布式压电结构，以在静态和准静态条件下估计局部和分布压力。所提出的系统通过集成一个全面的电荷模型来补偿传导、迟滞和蠕变效应，以及一个定制设计的电子电路和实时估计器，实现了准确的压力估计。实验结果验证了...

CRediT作者贡献声明
P.R. Nwagoum Tuwa：概念化、形式分析、资金获取、研究、方法论、可视化、初稿编写、审阅与编辑。
M. Rakotondrabe：项目管理、监督、验证。
Peguy Roussel Nwagoum Tuwa于2018年在喀麦隆雅温得第一大学获得了基础力学博士学位。2018年至2020年，他是雅温得第一大学工程建模与仿真实验室的博士后研究员。自2021年起，他成为喀麦隆Dschang大学的高级讲师。他目前是塔布技术大学生产工程实验室（LGP）的博士后研究员。

P.R. Nwagoum Tuwa | M. Rakotondrabe
图卢兹大学 | 塔布技术大学（UTTOP）| 生产工程实验室（LGP），塔布，65000，法国