CN101854153A - 压电式高频振动台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电式高频振动台，属于力学振动计量领域。为了解决现有高频振动台粘结胶老化对振动台长期稳定性的影响，以及进一步提高振动台失真度、谐振峰等关键技术指标，本发明提供的振动台，包括：基座，基座上端叠置压电陶瓷叠堆，压电陶瓷叠堆上端叠置台面；预应力螺栓，设置于基座内表面底部的中央位置，并设置为穿过基座和压电陶瓷叠堆后并插入台面内，且螺栓位于压电陶瓷叠堆内的部分套有绝缘套管；压电陶瓷叠堆，包裹于绝缘套管外部，内部各层之间设置有电极。本发明技术方案保证了振动台的长期稳定性，达到提高功率容量及改善谐振频率的目的；基本可实现在工作频率范围内无谐振峰；可使振动台满足高频加速度计的大振幅校准。

Description

压电式高频振动台

技术领域

本发明属于力学振动计量领域，具体涉及一种压电式高频振动台。

背景技术

高频振动基准承担着全国各省市计量部门、航空航天及军工、各部委最高振动标准高频的量值传递工作。高频振动基准主要由高频振动台、激光干涉仪及数据采集处理系统三部分组成。在高频振动基准中高频振动台主要用于产生2kHz～50kHz的高频振动激励信号。该基准的性能对保证我国高频量值的统一性和准确性起到至关重要的作用。压电式高频振动台是该高频振动基准装置非常重要的组成部分。因此压电式高频振动台的长期稳定性及关键技术指标直接影响高频振动基准的性能。我国70年代研制的压电式高频振动台如图1所示，其中，101：台面；102：基座；103：外壳；104：压电叠堆；105：电极；该高频振动台目前主要存在两方面问题：(1)在26kHz～28kHz之间有两个谐振峰，因此该振动台在26kHz～28kHz频率范围内无法正常工作；(2)现有振动台台面、压电片、电极和底座之间采用环氧树脂粘结，随着粘结胶的老化，无法保证振动台的长期稳定性及失真度、谐振峰等关键技术指标。并且原振动台在采用环氧树脂粘结压电片的过程中，无法精确控制预应力的大小，因此同时研制的多台压电式高频振动台一致性较差。而高频振动台作为高频基准的核心部件，其长期稳定性非常重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是克服现有高频振动台粘结胶老化对振动台长期稳定性的影响，以及进一步提高振动台失真度、谐振峰等关键技术指标，并进一步确保全国高频振动量值的准确可靠，为技术监督部门提供计量保证。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种压电式高频振动台，包括基座、压电陶瓷叠堆、台面以及预应力螺栓；

所述基座上端叠置所述压电陶瓷叠堆，所述压电陶瓷叠堆上端叠置所述台面；

所述预应力螺栓设置于所述基座内表面底部的中央位置，并设置为穿过所述基座和压电陶瓷叠堆后并插入所述台面内，且所述预应力螺栓位于所述压电陶瓷叠堆内的部分套有绝缘套管；

所述压电陶瓷叠堆包裹于所述绝缘套管外部，所述压电陶瓷叠堆的各层之间设置有电极。

所述压电陶瓷叠堆由为压电系数范围为250～400C/N的材料制成。

所述压电陶瓷叠堆两端面的平直度和平行度均为0.001mm～0.01mm。

所述压电陶瓷叠堆由压电陶瓷片堆叠而成，所述压电陶瓷片的厚度为3mm～5mm；

所述压电陶瓷叠堆的高度为12.20mm～25.12mm。

所述电极为铜箔电极，用于与所述压电陶瓷叠堆进行同极性相连；

所述压电陶瓷叠堆的负电极分别连接所述基座与台面。

所述台面由密度值为(4.0×10³～8.0×10³)Kg/m³、且弹性模量值为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa的材料制成，其尺寸根据待校准的对象设计。

所述基座由密度值为(14.0×10³～17.5×10³)Kg/m³、且弹性模量值为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa的材料制成。

所述预应力螺栓由经热处理后的高强度螺栓钢制成；

预应力螺栓为螺距值为0.75mm～1.25mm、机械强度值为900～1600Mpa且长度为45mm～55mm的螺栓。

(三)有益效果

本发明技术方案对比现有技术，具备如下几方面的特征：

(1)利用压电陶瓷振子的逆压电效应，即轴向极化的压电陶瓷叠堆在交变电场中产生轴向交变形变，使振动台台面产生正弦振动；

(2)通过采用台面、底座以及预应力螺栓给压电陶瓷叠堆施加预应力代替环氧树脂粘结法，使压电陶瓷叠堆在工作过程中承受高频振动时维持压缩状态的持久性得到显著提高，进而有效避免现有技术中因环氧树脂粘结胶老化的原因而导致压电陶瓷片易破裂的问题；该技术方案保证了振动台的长期稳定性，达到提高功率容量及改善谐振频率的目的；

(3)通过ANSYS有限元分析法对高频振动台的整体结构进行理论分析，结合研制经验，最终研制的振动台基本可实现在工作频率范围(2kHz～50kHz)内无谐振峰；

(4)将变幅杆的原理应用到高频振动台的台面设计上，使振动台在相同的推力下产生振幅放大的作用，该设计可使新研制的振动台满足高频加速度计的大振幅校准。

附图说明

图1为现有技术中压电式高频振动台的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的压电式高频振动台的结构示意图；

图3为本发明实施例中压电陶瓷叠堆的示意图；

图4为本发明实施例中压电陶瓷叠堆的内部结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的压电式高频振动台对比现有技术在失真度及谐振峰上的区别表现。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例具体描述本发明技术方案所提供的压电式振动台的结构特征及功能特征。

如图2所示，一种压电式高频振动台，包括外壳203、基座202、压电陶瓷叠堆204、台面201以及预应力螺栓207；

所述基座202上端叠置所述压电陶瓷叠堆204，所述压电陶瓷叠堆204上端叠置所述台面201，所述台面201上表面用于承接待校准的对象(例如传感器)；

所述预应力螺栓207设置于所述基座202内表面底部的中央位置，并设置为穿过所述基座202以及压电陶瓷叠堆204后并插入所述台面201内部，且预应力螺栓207位于压电陶瓷叠堆204内的部分套有绝缘套管206；

所述压电陶瓷叠堆204，设置于所述台面201和基座202之间，并包裹于所述绝缘套管206外部，所述压电陶瓷叠堆204内部各层之间设置有电极205。

所述压电陶瓷叠堆204材料为压电系数大并且形变线性好的材料；

优选地，所述压电陶瓷叠堆204由压电系数范围为250～400C/N的材料制成。

所述压电陶瓷叠堆204两端面的平直度和平行度为0.001mm～0.01mm。

所述压电陶瓷叠堆由压电陶瓷片堆叠而成，所述压电陶瓷片厚度为3mm～5mm；

所述高频振动台中压电陶瓷叠堆204的总高度选择范围为12.20mm～25.12mm。

如图4所示，压电元件(例如压电陶瓷片)组成叠堆时，为保证极间导电，两压电片之间均衬以铜箔电极402，用于与外界供电系统连接，并对所述压电陶瓷叠堆401进行同极性相连，以形成电路并联的状态，且所述压电陶瓷叠堆401的负电极分别连接基座202与台面201。

所述台面201制作材料为密度小刚性大的材料，其尺寸根据待校准的对象设计；

优选地，所述台面201由密度值范围为(4.0×10³～8.0×10³)Kg/m³、且弹性模量值范围为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa的材料制成。

所述基座202制作材料为密度大刚性大的材料；

优选地，所述基座202由密度值范围为(14.0×10³～17.5×10³)Kg/m³、且弹性模量值范围为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa的材料制成。

所述预应力螺栓207制作材料为经热处理后的高强度螺栓钢。

所述预应力螺栓207为细螺距、机械强度高且长度为45mm～55mm的螺栓；

优选的螺距值范围为0.75mm～1.25mm、机械强度值范围为900～1600Mpa。

下面对上述各部件进行详细说明：

1>关于压电陶瓷元件(即上述压电陶瓷片)的设计方案

压电陶瓷元件的设计尺寸是指压电陶瓷叠堆单个元件在振动方向上的几何尺寸以及整个压电陶瓷叠堆的总体积。压电元件可选用锆钛酸铅系列PZT-4、PZT-5和PZT-8材料，它们的介质损耗tgδ＜0.4％。机械品质因素较大。其形状尺寸如图3所示，所述301为压电陶瓷片，可选厚度为5mm，其内径直径可选择为12mm，外径直径可选择为40mm。由于压电高频振动台在弱电场下工作，所以其材料选择不限于发射型。综合考虑，压电系数应控制在250～400C/N的范围内，优先选用压电系数较大和形变线性较好的接收型材料PZT-5或PZT-8。元件经烧结后，经磨削使两端面的平直度和平行度均控制到0.01mm以内，优选的为0.001mm～0.01mm的范围，从几何尺寸上保证振动台台面的失真和横向较小。

压电陶瓷片的厚度以及数量选择，也需要认真全面地考虑，这和振动台的电阻抗、机械品质因素以及机电耦合系数都有关系。压电陶瓷片不能太厚，否则不易激励；但也不能太薄，否则会造成片与片之间的接触面太多，形成多个反射层，影响振动的传播。根据实践经验，如图4所示，压电陶瓷片401的一般厚度选择为3mm～5mm范围，优选的，可选择厚度5mm的压电陶瓷片；所述高频振动台中压电陶瓷叠堆的总高度选择范围为12.20mm～25.12mm，以保证适当的机电耦合系数；

所述压电叠堆总高度是由以下公式得出：h＝d₁×s₁+d₂×s₂；

其中，h为压电叠堆的总高度，d₁为压电片的厚度；s₁为压电片数，根据理论仿真和实验结果压电片数取4～5片为宜；d₂为电极厚度，s₂为电极数量。

2>关于台面以及基座的设计方案

对高频振动台激振可粗略地视为在台面与基座间作用一交变力，使台面与基座的运动与它们的质量成反比。为使台面输出较大振幅，台面要轻而基座的质量要大，台面的材料应该考虑密度小钢度大的特征，优先选择密度值范围为(4.0×10³～8.0×10³)Kg/m³、弹性模量值范围为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa的材料；比如钛合金，钛合金具有密度小钢度大的特性，这样将使台面具有足够大的运动振幅和较高的谐振频率，台面的几何尺寸是考虑在做校准试验时，其机械刚度应比安装在台面上的被校传感器要大，这样，台面可视为完成近似刚性活塞的往复运动。

对于基座的要求，主要选用比重较大，刚度也较大的材料，以期减小基座本身的运动，密度值范围可控制为(14.0×10³～17.5×10³)Kg/m³、弹性模量值范围可控制为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa。可以选用的材料有硬质钨钴合金，但进一步切削加工困难。另一种是钨铜合金，它可进行切削加工，但刚度较小。

3>关于预应力相关部件的设计方案

压电陶瓷元件材料的抗张强度较低，其数值约为2×10⁷N/m²～5×10⁷N/m²，而其抗压强度则较高，大概为其抗张强度的10倍左右。因此在大功率状态下，压电陶瓷容易损坏。为了避免这一现象发生，关于研制高频振动台时本发明技术方案采用施加预应力的方法。对于预应力螺栓的要求是既能产生一个很大的恒定预应力，又要有良好的弹性。预应力螺栓要用高强度的螺栓钢制成，机械强度值范围应选择在900～1600Mpa的材料，常用的有40号铬钢，工具钢以及钛合金等。为了保证螺栓材料的性能，应对螺栓材料进行适当的热处理。另一方面，预应力的大小对高频振动台的性能影响很大。本发明技术方案研究过程中经过大量试验表明，预应力的大小应有一个较合适的范围，所加的预应力大小应调节到大于振动台工作过程中所遇到的最大伸张应力。如果预应力太小，振动台工作过程中产生的伸缩应力可能大于预应力，使振动台各个接触面之间产生较大的能量损耗，降低了振动台的机电转换效率，严重时可能导致压电陶瓷片破裂，从而损坏振动台。另一方面，振动台的预应力又不能太大，因为太大的预应力可能会使压电陶瓷片的振动受到影响，降低压电陶瓷叠堆的机电耦合系数，有时可能也会导致压电片破裂。

预应力的施加使用千斤顶改制的加压装置和力矩扳手相结合的方法。首先用加压装置给振动台施加一定的压力，然后再利用力矩扳手紧固预应力螺栓。预应力施加的过程中应注意，首先将加压装置的两个加压平面调整到平行，缓慢地增加压力，当达到预先设计的压力值时停止加压，然后用力矩扳手以一定的力矩紧固好预应力螺栓。在实际研制振动台的过程中，预应力的控制一方面要借助于理论研究的结果，更重要的是靠反复试验后实践经验的积累。

关于高频振动台预应力的影响，可归纳为以下几点：第一，预应力可使高频振动台的谐振频率产生微小的变化，从而通过改变预应力可使多个振动台的共振频率等性能达到一致；第二，大小适中的预应力基本上不会改变振动台组成材料的材料参数；第三，随着预应力的增大，可以使振动台的共振频率升高，并最终达到一个稳定值；第四，预应力的增大，可以增加振动台的有效接触面积，增大弹性波的作用范围，从而降低机械损耗。第五，对于常用的压电陶瓷材料，如PZT-8型材料，预应力选择在30MPa左右较为合适；当然这一数值的大小不是绝对的，因为预应力的大小与许多因素有关，例如接触面的光滑程度，机械零件的加工精度以及压电陶瓷元件性能的不一致等。

通过以上分析可知，施加预应力对压电式高频振动台是极为重要的，它是压电式高频振动台研制工艺中的关键，可以使压电式振动台承受大功率，提高振动台的可靠性、稳定性和一致性。

另外，预应力螺栓的螺纹形状及几何尺寸对振动台的振动性能也是有影响的。螺栓横截面积设计应考虑的因素很多，例如振动频率，振动台的功率等，而所有这些都与预应力螺栓的预应力紧密关联，因而其选择是很复杂的。一般情况下，取决于振动台预应力螺栓的横截面积。因此，根据经验并结合实际情况，压电式高频振动台优先选用M10的螺栓，以保证足够的机械强度。关于预应力螺栓的长度，原则上越长越好，但考虑到工艺及实际使用等问题，预应力螺栓的最佳长度应为压电陶瓷元件总长度的三倍以上。至于具体的长度，还要考虑振动台的功率及螺栓的螺距等因素的影响，优选的，可选择长度为45mm～55mm的螺栓。在振动台预应力螺栓的选择过程中，螺栓的螺距选择是很重要的，它对振动台的性能影响很大。根据一般的原则，细牙螺纹优于粗牙螺纹，螺纹的螺距不大于2mm，而对于一种规格的螺栓，例如同为细牙螺纹，则螺距越细，振动台的性能越好，优选的螺距值范围为0.75mm～1.25mm。具体的体现为：预应力螺纹的螺距越细，振动台的台面和底座与压电陶瓷的接触面之间受到的预应力越均匀，预应力螺栓的螺杆本身受到的应力分布也越均匀，从而可保证整个压电高频振动台较高的机械品质因素和较低的机械损耗，以提高振动台的转换效率。以上仅为一些定性的分析，如果要详细研究预应力螺栓对振动台性能的影响，则必须建立较为复杂的有限元模型，例如螺栓的摩擦接触模型、螺栓的弹性形变模型及塑性形变模型。

4>综合上述技术方案中振动台各部件接触界面之间的相互影响

在压电式振动台的研制过程中，加工精度和安装工艺的每一个过程都对振动台的性能有很大的影响。第一，组成压电式高频振动台的各个元件之间的接触面应平整光滑。所以各个结合部分的表面要进行研磨，一般应达到接近镜面的水平；第二，每相邻两片陶瓷片之间，以及陶瓷片和前后金属盖板之间通常要垫一层薄金属片作为金属电极，其材料可选用磷铜片。电极的厚度可分为两种情况。一种是薄电极情况，其厚度一般在0.2mm左右；另一种是厚电极情况，其厚度可根据具体的要求加以选择。对于厚电极情况，其作用除了用作电极接线以外，还具有散热及其它功能，如与外界供电系统连接等。第三，通常情况下，在晶片、电极片及金属前后盖板之间用环氧树脂胶合，然后用预应力螺栓将振动台各部件固定在一起并拧紧。如果振动台各组成部件的接触面是经过特殊的研磨工艺处理过，也可以不用环氧树脂胶合剂，直接用预应力螺栓紧固。但为了消除空气隙的存在，提高振动台的转换效率，在用预应力螺栓紧固之前可以先使用环氧树脂胶合剂粘结的方法。另外，应尽可能保证预应力螺栓与振动台各个部件的横截面保持垂直，否则高频振动台可能无法正常工作或者导致压电陶瓷晶片破裂。

另外还要注意，高频振动台在工作时，如果将其直接放在地基上，振动台的振动会与外界产生振动耦合。为了尽可能减小这种耦合，应将振动台放置在与振动台底座相同大小的橡胶圈上，实现振动台与地基之间的隔振。

经过大量实验比较，本实施例所提供的压电式高频振动台在失真度、横向振动比及谐振峰等方面均优于现有技术中高频振动基准上的原振动台，经一段时间的稳定性考核后可以替代原高频振动基准上的原振动台。该研究成果不仅可以进一步完善高频振动基准，而且在此研究成果的基础上，为中国计量科学研究院的高频振动基准参加国际比对提供了重要的技术保障。

经过试验测试，本实施例所提供的振动台对于现有的振动台在失真度及谐振峰方面的数据比较如下表及图5所示：

由上表及图5可以看出，原高频基准振动台在28kHz、30kHz、34kHz频率点的失真度很大，几乎无法测量。而新研制的高频振动台在2kHz～50kHz整个频段内失真度均小于1.5％。失真度指标的好坏对振动测量至关重要，新研制的振动台在整个频段内对失真度指标的改善对提高高频基准的性能具有重要的意义；而且从图5失真度比较中可以发现，原高频基准的振动台存在两个谐振点，而新研制的振动台有效抑制了谐振点，事实上，结合研制经验，最终研制的振动台基本实现在工作频率范围(2kHz～50kHz)内无谐振峰。

综上所述，本发明技术方案利用ANSYS有限元法，对数十种不同结构不同尺寸的高频台进行谐振频率仿真分析，最终确定了高频振动台的尺寸，从理论分析的角度有效避开了振动台的谐振峰，最终研制出的振动台的实验数据与理论分析完全吻合；

其核心特征在于：

(1)利用压电陶瓷振子的逆压电效应，即轴向极化的压电陶瓷叠堆在交变电场中产生轴向交变形变，使振动台台面产生正弦振动；

(2)通过采用台面、底座以及预应力螺栓给压电陶瓷叠堆施加预应力代替环氧树脂粘结法，使压电陶瓷叠堆在工作过程中承受高频振动时维持压缩状态的持久性得到显著提高，进而有效避免现有技术中因环氧树脂粘结胶老化的原因而导致压电陶瓷片易破裂的问题；该技术方案保证了振动台的长期稳定性，达到提高功率容量及改善谐振频率的目的；

(3)通过ANSYS有限元分析法对高频振动台的整体结构进行理论分析，结合研制经验，最终研制的振动台基本可实现在工作频率范围(2kHz～50kHz)内无谐振峰；

(4)将变幅杆的原理应用到高频振动台的台面设计上，使振动台在相同的推力下产生振幅放大的作用，该设计可使新研制的振动台满足高频加速度计的大振幅校准。

(5)只要台面、底座和压电陶瓷片外形尺寸设计合理，压电陶瓷材料弹性常数的温度系数就可以由金属材料弹性常数的温度系数获得补偿，因此压电式高频振动台的温度系数可以做的很小，其温度的稳定性很好；

(6)通过改变压电陶瓷材料的厚度、形状及台面和底座的几何尺寸和形状，可以对振动台进行优化设计，获得较宽的频率范围和较大的振动幅值，以适应高频振动校准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种压电式高频振动台，其特征在于，包括基座、压电陶瓷叠堆、台面以及预应力螺栓；

所述基座上端叠置所述压电陶瓷叠堆，所述压电陶瓷叠堆上端叠置所述台面；

所述预应力螺栓设置于所述基座内表面底部的中央位置，并设置为穿过所述基座和压电陶瓷叠堆后并插入所述台面内，且所述预应力螺栓位于所述压电陶瓷叠堆内的部分套有绝缘套管；

所述压电陶瓷叠堆包裹于所述绝缘套管外部，所述压电陶瓷叠堆的各层之间设置有电极。

2.如权利要求1所述的压电式高频振动台，其特征在于，所述压电陶瓷叠堆由为压电系数范围为250～400C/N的材料制成。

3.如权利要求1所述的压电式高频振动台，其特征在于，所述压电陶瓷叠堆两端面的平直度和平行度均为0.001mm～0.01mm。

4.如权利要求1所述的压电式高频振动台，其特征在于，所述压电陶瓷叠堆由压电陶瓷片堆叠而成，所述压电陶瓷片的厚度为3mm～5mm；

所述压电陶瓷叠堆的高度为12.20mm～25.12mm。

5.如权利要求1所述的压电式高频振动台，其特征在于，所述电极为铜箔电极，用于与所述压电陶瓷叠堆进行同极性相连；

所述压电陶瓷叠堆的负电极分别连接所述基座与台面。

6.如权利要求1所述的压电式高频振动台，其特征在于，所述台面由密度值为(4.0×10³～8.0×10³)Kg/m³、且弹性模量值为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa的材料制成，其尺寸根据待校准的对象设计。

7.如权利要求1所述的压电式高频振动台，其特征在于，所述基座由密度值为(14.0×10³～17.5×10³)Kg/m³、且弹性模量值为(1.3×10¹¹～1.5×10¹¹)/Gpa的材料制成。

8.如权利要求1所述的压电式高频振动台，其特征在于，所述预应力螺栓由经热处理后的高强度螺栓钢制成；

预应力螺栓为螺距值为0.75mm～1.25mm、机械强度值为900～1600Mpa且长度为45mm～55mm的螺栓。

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