CN101596522B - 惯性压电激振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性压电激振装置和实现方法，该装置包括压电陶瓷叠堆、惯性质量、底座、压电力传感器、预紧弹簧、预紧螺帽、螺栓、绝缘套管等；压电陶瓷叠堆位于惯性质量和底座之间，预紧螺栓和预紧弹簧对各结合面压紧，压电陶瓷叠堆的正负电极引出线分别接外部驱动电路的正负输出，预紧螺栓与压电陶瓷叠堆的内壁之间装有绝缘套管，底座与压电力传感器通过螺栓紧密连接。本发明采用固定螺栓直接固定于被激励结构的方式，通过压电陶瓷叠堆的伸缩运动对结构产生激振力，通过压电力传感器对输出力进行测量与监控，提供的激振力频率上限可超过20KHz。具有体积小巧、结构简单、安装方便、频率上限高等优点，可以工作于正弦、正弦扫频激励和冲击激励方式。

Description

惯性压电激振装置

技术领域

本发明涉及一种惯性压电激振装置和实现方法，该装置可用于结构动力学试验中的高频范围振动激励。

背景技术

压电陶瓷作为智能材料之一，因具有双向机械能与电能的转换能力在传感和驱动都得到了广泛应用，其具有频率响应快，驱动力大、发热小等优点，在微驱动和微定位领域成为重要的驱动器之一，并已具有多种工作方式，包括直接驱动式、惯性冲击式、蠕动位移式等，在惯性驱动方面，可通过施加对称或不对称波形，通过其动态伸缩时产生的惯性冲击力实现步进运动，在超声领域它也是重要的应用元件，超声换能器广泛应用于超声焊接、超声清洗等许多工程方面。

激振器是目前在机械结构动力学试验分析中的不可缺少的试验设备，传统的激振器主要是电动式激振器，因其受驱动线圈和骨架的固有频率限制，存在上限频率低的缺点，因为结构中有励磁元件和驱动线圈存在，有电磁干扰和漏磁影响，而且通常具有较重的固定底座，存在重量较大和安装不方便等问题。

压电陶瓷具有逆压电效应，输入电信号后会产生变形，但是单片陶瓷变形量很小，采用叠堆形式将多片叠加在一起，即机械上串联和电路上并联的形式，可以扩大其总的变形量，通过在压电材料的极化方向施加交变电信号，通过逆压电效应使其产生伸缩，并推动惯性质量产生驱动力，同时该驱动力反作用于被激励结构，并可通过力传感器获取激振力的变化情况。通过改变输入电信号的频率控制激振频率，通过改变电信号的幅值控制输出激振力的幅值。采用此方式可以把激振装置直接固定到试验结构上，采用绝对式激振，避免了相对激振时的底座需要固定的问题，压电陶瓷器件具有很高的频率响应，与电动式激振器相比，可以工作于更高频率范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种惯性压电激振装置和实现方法，可以实现对结构的高频范围的振动激励，相比于传统的电动式激振器，具有更小的体积和质量、更宽的频率上限，能够实现以往激振器的高频范围的扩展，并且具有较少的零件数量和较低的制作成本。

本发明提供的惯性压电激振装置包括：压电陶瓷叠堆、惯性质量、底座、压电力传感器、预紧弹簧、预紧螺帽、预紧螺栓、绝缘套管、电极引出线、输出端子；压电陶瓷叠堆位于惯性质量和底座之间，并通过中心的预紧螺栓和预紧弹簧对各结合面进行压紧，预紧力的调节可通过调整预紧螺帽进行，压电陶瓷叠堆的正负电极引出线分别接外部驱动电路的正负输出，预紧螺栓与压电陶瓷叠堆的内壁之间装有绝缘套管，底座与压电力传感器通过双头螺栓紧密连接。

所述的压电陶瓷叠堆、惯性质量与底座的结合面采用粘接或不粘接。

所述的压电陶瓷叠堆由偶数片极化后的压电陶瓷圆环和正电极片、负电极片构成，正电极片与压电陶瓷圆环的极化正极相连，多片正电极片经正电极连接线进行连接，再经正电极引出线接到驱动电源的正极，负电极片与压电陶瓷圆环的极化负极相连，多片负电极片经负电极连接线进行连接，再经负电极引出线接到驱动电源的负极。

本发明提供的惯性压电激振装置的实现方法包括的步骤：

将该激振装置与测试结构通过压电力传感器的底部固定螺栓固定连接，并将压电力传感器底部与测试结构接触面压紧，激振力通过其接触面传递到测试结构上，其力信号可通过压电力传感器的输出端子输出接到测量系统中，实现激振力的测量与监控。

本发明的惯性压电激振装置利用压电陶瓷的逆压电效应，通过对压电陶瓷施加正弦交变电压，使其产生伸缩，推动惯性质量运动，在动态情况下，需要克服质量的惯性力，根据作用力与反作用力原理，即产生驱动力推动惯性质量运动，压电陶瓷另一端力同时作用在底座和被激励结构上，从而对结构产生激振力，该力可通过固定在底座上的力传感器测量并用于监视或记录。惯性力激振力的数值与惯性质量、振动位移、频率的平方成正比。当对压电陶瓷叠堆施加阶跃电压或脉冲电压时，可以使其快速伸缩，由于惯性质量的存在，可产生对被激励结构的冲击力，实现对结构的冲击激励。

本发明的激振装置采用绝对式激振方式，与被测结构仅通过一个固定面进行振动激励，不需要相对激振时笨重的底座，大大减小了体积和重量，并消除了相对激振时的底座安装固定要求和对输出杆侧向刚度的严格限制，本发明可作为结构动力学特性测试中结构的中高频振动激励源。

附图说明

图1为本发明的惯性压电激振装置整体轴向剖面图。

具体实施方式

以下结合附图说明详细说明本发明：

如图1所示，压电陶瓷叠堆5一端与惯性质量9连接，另一端与底座4连接，并通过中心的预紧螺栓12和预紧弹簧10对各结合面进行压紧，结合面可采用粘接，也可不粘接而仅通过预紧机构实现结合面的紧密连结，预紧力的调节可通过调整预紧螺帽11进行，预紧弹簧10采用刚度较高的蝶形弹簧，其外径与惯性质量9顶面的凸台的内径相等，并将预紧弹簧10的直径大的一面与惯性质量9的顶面连接，直径较小的另一面与预紧螺帽11连接，通过调整预紧螺帽11使弹簧处于压紧并具有一定的预紧力，压电陶瓷叠堆的正负电极引出线15、6分别接外部驱动电路的正负输出，为避免压电元件正负电极通过金属材料的预紧螺杆12接触而 发生的短路，预紧螺栓12与压电陶瓷叠堆5的内壁之间装有绝缘套管16，预紧螺栓12与底座4为一体加工，保证预紧机构的可靠性，底座4与压电力传感器2通过双头螺栓3紧密连接。工作时激振装置与测试结构通过压电力传感器2的底部固定螺栓1固定连接，并将压电力传感器2底部与测试结构接触面压紧，激振力通过其接触面传递到测试结构上，其力信号可通过压电力传感器2的输出端子11输出接到测量系统中。

为产生较大的激振力，需要提高振动位移，故采用压电陶瓷叠堆为驱动元件，压电陶瓷叠堆由N片压电片叠加组成，压电片采用轴向极化，所有压电片采用机械串联和电路并联的方式组合在一起，相邻两层压电元件极化方向相反，各层压电片之间电极正负相间，通过电极连接线14、7将正极和负极分别连接到一起并通过引出线15、6引出，通过预紧机构消除间隙，当外加电压时，相当于N个驱动元件共同工作，可以将振动位移扩大为单片的N倍。预紧机构由预紧螺栓和预紧弹簧组成，除了消除结构中的运动间隙外，还由于压电陶瓷结构承受拉力能力有限，预紧机构也可以减小作用在压电陶瓷叠堆动态收缩时受到的拉力。压电陶瓷叠堆采用中间有孔的圆环形状，预紧螺栓从孔间穿过，并在预紧螺栓的外部与压电陶瓷叠层的内壁间加入绝缘套管，以防止压电陶瓷叠堆5元件正负电极13、8与金属材料的预紧螺杆12接触而发生的短路，绝缘套管16与压电陶瓷叠堆5间留有适当间隙，以利于工作时压电元件的散热，防止热量的集中产生造成元件的性能下降乃至损坏。

压电陶瓷叠堆5由偶数片压电圆环与电极片叠加组成，压电圆环采用轴向极化，各片压电圆环极化正极面与电极片正极13连接，负极面与电极片负极8连接，构成的压电陶瓷叠堆上下表面为负极，所有负极通过负极连接线7进行连接，并连接到负电极引出线6，所有正极通过正极连接线14进行连接，并连接到正电极引出线15，当加在正负电极间的电压为正时，压电陶瓷叠堆轴向产生伸长变形，总伸长量为单层变形量乘以层数，当加在正负电极间的电压为负时，压电陶瓷叠堆轴向产生收缩变形，总缩短量为单层变形量乘以层数。当正负电极间加以交变电信号时，压电陶瓷叠堆轴向产生动态伸缩，作为本发明中的致动元件，通过其变形和惯性质量的抑制产生动态激振力。

本发明利用正弦交变或阶跃、脉冲电信号作用下压电陶瓷叠堆的快速伸缩变形，惯性质量阻碍其运动变形使压电陶瓷产生驱动力，该驱动力同时双向施加到惯性质量和底座上，并通过与底座固定在一起的压电力传感器施加到被激励结构上，通过改变电信号的频率和幅值，可以控制压电陶瓷叠堆的伸缩频率和伸缩量，产生不同频率和幅值的激振力作用在被激励结构上，实现了新式惯性压电激振装置。本发明采用固定螺栓直接固定于被激励结构的方式，通过压电陶瓷叠堆的伸缩运动对结构产生激振力，通过压电力传感器对输出力进行测量与监控，提供可控的激振力频率上限可超过20KHz。具有体积小巧、结构简单、安装方便、频率上限高等优点，可以工作于正弦、正弦扫频激励和冲击激励方式。

Claims (4)

1.一种惯性压电激振装置，其特征在于它包括：压电陶瓷叠堆、惯性质量、底座、压电力传感器、预紧弹簧、预紧螺帽、预紧螺栓、绝缘套管、电极引出线、输出端子；压电陶瓷叠堆位于惯性质量和底座之间，并通过中心的预紧螺栓和预紧弹簧对各结合面进行压紧，预紧力的调节通过调整预紧螺帽进行，压电陶瓷叠堆的正负电极引出线分别接外部驱动电路的正负输出，预紧螺栓与压电陶瓷叠堆的内壁之间装有绝缘套管，底座与压电力传感器通过双头螺栓紧密连接。

2.根据权利1所述的惯性压电激振装置，其特征在于所述的压电陶瓷叠堆、惯性质量与底座的结合面采用粘接或不粘接。

3.根据权利1所述的惯性压电激振装置，其特征在于所述的压电陶瓷叠堆由偶数片极化后的压电陶瓷圆环和正电极片、负电极片构成，正电极片与压电陶瓷圆环的极化正极相连，多片正电极片经正电极连接线进行连接，再经正电极引出线接到驱动电源的正极，负电极片与压电陶瓷圆环的极化负极相连，多片负电极片经负电极连接线进行连接，再经负电极引出线接到驱动电源的负极。

4.根据权利1所述的惯性压电激振装置，其特征在于所述的绝缘套管与压电陶瓷叠堆间留有间隙。

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