CN108549425A - 一种基于pvdf模态传感器的弹性梁试验系统及试验方法 - Google Patents

一种基于pvdf模态传感器的弹性梁试验系统及试验方法 Download PDF

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陈琪
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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于PVDF模态传感器的弹性梁结构试验系统及试验方法，包括弹性梁、PVDF模态传感器、引线端子、电流放大电路，所述PVDF模态传感器经引线封装粘贴在弹性梁表面上，PVDF模态传感器通过引线端子的一端固定在PVDF压电薄膜上，引线端子另一端连接电流放大电路，电压信号由电流放大电路输出，作为主动控制的误差信号输入算法控制器。本发明可以有效避免不必要的模态，实现必要的目标阶模态幅值控制，避免振动主动控制中的观察溢出和控制溢出。连续分布式PVDF模态传感器，独特的空间滤波特点可以降低试验系统信号处理难度。

Description

一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统及试验方法
技术领域
本发明属于振动主动控制技术领域，具体涉及一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统及试验方法。
背景技术
随着电子科学技术的发展，尤其是数字信号处理技术和大规模集成电路的应用，振动的主动控制技术得到快速发展。根据控制策略的不同，振动的主动控制技术主要分为：主动振动控制(AVC)和主动结构声控制(ASAC)。目前针对主动控制技术的研究主要集中在控制算法和作动器。其中，控制算法包括LMS、X-LMS、PPF、LQR等算法。传统的作动器包括气动式、液压式、电磁式、电动式；借助材料科学的发展，新型作动器包括磁致伸缩式、电流变液式、磁流变液式、压电式(PZT、MCF)等。误差传感器作为主动控制系统的关键组成部分在实现目标函数有效降低过程中起着至关重要作用，误差传感器的输出与弹性结构表面振动的物理参数(振动位移、速度、加速度等)成正比。现有的误差传感器多为离散分布式的传感器，如加速度传感器和压电陶瓷传感器。对于加速度传感器，对于薄壁等的轻薄结构来说，加速度传感器会增加附加质量，改变结构原有的动力学特性，多个传感器布设会增加布设成本，同时加大信号难度，造成信号混叠和控制溢出。对于压电陶瓷传感器，脆性较大、机械强度小、抗冲击能力差、难加工等缺陷，极大限制了它的应用。
离散分布式误差传感器的布设策略存在使用数量、尺寸大小、布置位置等优化问题。随着材料科学的发展，一种新型柔性压电材料PVDF(Polyvinylidene Fluoride,聚偏氟乙烯)压电薄膜得到广泛应用，它的主要优势是，质量轻、频响宽(0.001Hz-几个GHz)、电压敏感度高(是压电陶瓷的10倍)，易剪裁(机械加工性好)。弹性结构的振动往往是前几阶结构模态起主要作用，利用PVDF模态传感器在振动主动控制中的目标阶模态信息传感可以很好的实现控制前几阶振动模态降低弹性结构的总振动级的目的。
目前在专利CN 103674353 A中利用PVDF薄膜压电特性的混凝土应力传感器，利用PVDF薄膜传感灵敏特性，设计一种应力传感器，用于测量冲击载荷下的混凝土材料应力。这种传感器结构简单、封装方便、体积小、可预埋在混凝土材料中，克服压阻式的锰铜压阻计和压电式的石英晶体传感器在高冲击应力测量的不足；专利CN 107402063A中利用一种采集移栽机振动信号的捕捉装置及其捕捉信号的方法，使用PVDF压电薄膜发明了一种机械振动信号测量装置；在专利CN107246527 A中一种能够回收噪声能量的管道消声装置，一方面利用消声壳体与PVDF压电薄膜的耦合反射噪声，另一方面利用PVDF压电薄膜的压电效应实现能量采集；在CN103647018A中一种层叠式PVDF作动器及主被动混合隔振器，利用多层PVDF压电薄膜设计了一种主被动混合隔振器，将PVDF压电薄膜应用在振动控制领域。
当前对于PVDF压电薄膜的应用主要集中在力学(应力、压力等)测量、能量采集、隔振器设计等领域，还未发现有一种基于PVDF模态传感器梁结构的试验系统及试验方法的相关专利。综上所述，本发明所述的一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统及试验方法在振动主动控制领域填补了技术空白，具有广泛应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统及试验方法，实现通过控制前几阶振动模态降低弹性梁的总振动级的目的。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验方法，试验系统包括弹性梁13、PVDF模态传感器14、电流放大电路15，所述PVDF模态传感器14使用粘结剂粘贴布设于弹性梁14结构表面，PVDF模态传感器14的输出端连接一电流放大电路15，作为主动控制的误差信号输入DSP控制器；DSP控制器分别与信号发生器、功率放大器以及计算机相连接，信号发生器用于产生初级谐波扰动，一路信号输出到功率放大器a，信号经放大后用于驱动激振器，使弹性梁产生振动；信号发生器另一路同样的输出信号作为参考信号连接到DSP控制器；DSP控制器中通过自适应算法进行实时更新，从而将驱动信号误差降到最小值，驱动信号经功率放大器b放大驱动，实现弹性梁结构的振动抑制；采用具体步骤如下：
(1)将初级谐波扰动参考信号输入加载有自适应算法的DSP控制器16，该控制器在自适应算法的作用下产生次级控制力信号；
(2)次级控制力信号经功率放大器20输入到作动器21，作动器21在带有初级谐波振动弹性梁结构13上产生新的振动，用于抵消初级谐波扰动；
(3)PVDF模态传感器14作为误差传感器拾取振动弹性梁结构13振动目标阶模态幅值误差信号后，输入到DSP控制器16；
(4)DSP控制器16自动调节滤波器权系数，通过改变这些权系数改变次级控制力信号；
(5)不断重复上述步骤(1)～(4)直到弹性梁结构13达到最佳抑制效果。
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，包括弹性梁13、PVDF模态传感器14、电流放大电路15；所述PVDF模态传感器14经引线04封装粘贴在弹性梁13表面上，PVDF模态传感器14通过引线端子03的一端固定在PVDF压电薄膜基体02上，引线端子03另一端连接电流放大电路15，电压信号由电流放大电路输出。
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，所述的PVDF模态传感器14由PVDF压电薄膜基体02、引线端子03、封装材料组成；PVDF模态传感器14的一端通过压线端子07压接在引线05和聚酯薄膜片06之间，引线04与有效电极02直接接触，聚酯膜片05与去除有效电极01的PVDF压电薄膜基体02接触，由封装材料包覆封装。
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，所述的PVDF压电薄膜基体02厚度为8-500μm，使用激光雕刻或剪刀剪裁成所需PVDF模态传感器形状，所述PVDF压电薄膜基体02的上电极10和下电极11分别镀铝，对边缘宽0.5mm的窄带做非金属化处理。
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，所述的引线端子03，引线端子03由引线04、聚酯薄膜片05、压线端子06、空心铆钉07组成；PVDF压电薄膜基体02与压线端子06通过空心铆钉07穿透连接，PVDF模态传感器14另一侧通过聚脂薄膜片05加固绝缘。
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，所述的柔性薄膜层09选用柔性薄膜材料。
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，所述的电流放大电路15由反馈电阻R和运算放大器A组成；所述的PVDF模态传感器14视为电荷源和电容C0串联等效电路。
本发明的有益效果在于：
本发明采用弹性梁结构的主动控制试验系统的设计基于PVDF模态传感器，可以有效避免不必要的模态，实现必要的目标阶模态幅值控制，避免振动主动控制中的观察溢出和控制溢出；本发明采用的连续分布式PVDF模态传感器，相比离散式误差传感器如加速度传感器、压电陶瓷片，独特的空间滤波特点可以降低试验系统信号处理难度。
附图说明
图1为本发明的第一阶段PVDF模态传感器示意图；
图2为本发明的电流放大电路图；
图3为本发明的PVDF模态传感器在主动控制试验中装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做更为详细的说明。
实施例1
结合图1，本发明的第一阶段PVDF模态传感器示意图。一种弹性梁结构PVDF模态传感器14封装引线技术由有效电极01、PVDF压电薄膜基体02、引线端子03、封装材料组成。其中，PVDF模态传感器14的一端通过压线端子06压接在引线04和聚酯薄膜片05之间，引线04与有效电极01直接接触，聚酯薄膜片05与去除有效电极01的PVDF压电薄膜基体02，最后由封装材料柔性薄膜层08包覆封装。值得说明的是，一种弹性梁结构PVDF模态传感器14引线封装技术此处仅以第一阶PVDF模态传感器14有效电极01为例，未说明的其他阶以及其他边界条件下的PVDF模态传感器采用的引线封装技术如上所述。
所述PVDF压电薄膜02厚度为8～500μm，使用激光雕刻或者锐利剪刀剪裁成所需PVDF压电薄膜形状，并且所述PVDF模态传感器14的上电极09和下电极10分别镀铝。为了防止裁剪后的PVDF压电薄膜02电极短路，使用丙酮和酒精作为腐蚀液，对边缘0.5mm宽的窄带做非金属化处理。
所述引线端子03，由压线端子06、空心铆钉07、聚酯薄膜片05、引线04、上电极引线端子11、下电极引线端子12组成，PVDF压电薄膜02与压线端子06通过空心铆钉07穿透连接，PVDF模态传感器14另一侧通过聚脂薄膜片05加固绝缘，引线04由含有铝电极一侧PVDF压引出。
所述封装材料，选用柔性薄膜材料，避免PVDF模态传感器14的有效电极层01和引线端子03暴露在外受化学环境和外力作用划伤损坏，另一方面保证了防水性能和使用寿命。作为本发明的优选方案，所述的柔性薄膜材料选用UV9500型紫外线硬化树脂胶液，这种胶液具有在极短时间内吸收紫外线照射快速固化，涂布简单，固化速度快，便于流水线作业，效率高等优点。
进一步的，考虑到PVDF传感器本身具有高阻抗特点，不能直接连接外部控制器或信号分析仪，为满足电路上的阻抗匹配，需要设计电流放大电路15进行信号调理。如图2所示，电流放大电路15由反馈电阻R和运算放大器A组成，其中，PVDF模态传器视为电荷源和电容C0串联等效电路。
PVDF模态传感器作为误差传感器用于振动主动控制系统，实现目标阶模态信息传感，可以有效防止高阶模态干扰造成控制不稳定以及控制溢出。结合图3为本发明的PVDF模态传感器在主动控制试验中装置示意图。
本发明一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验方法，试验系统包括弹性梁13、PVDF模态传感器14、电流放大电路15，所述PVDF模态传感器14使用粘结剂粘贴布设于弹性梁结构表面，为保证良好的粘贴效果，粘贴前使用酒精擦拭弹性梁13。PVDF模态传感器14的输出端连接一电流放大电路15，作为主动控制的误差信号输入DSP控制器16。DSP控制器16分别与信号发生器17、功率放大器20以及计算机22相连接，信号发生器17用于产生初级谐波扰动，一路信号输出到功率放大器18，信号经放大后用于驱动激振器19，使弹性梁13产生振动；信号发生器17另一路同样的输出信号作为参考信号连接到DSP控制器16；DSP控制器16中通过自适应算法进行实时更新，从而将驱动信号误差降到最小值，驱动信号经功率放大器20放大驱动作动器21，实现弹性梁结构13的振动抑制；具体按照如下步骤：
(1)将初级谐波扰动参考信号输入加载有自适应算法的DSP控制器16，该控制器在自适应算法的作用下产生次级控制力信号；
(2)次级控制力信号经功率放大器20输入到作动器21，作动器21在带有初级谐波振动梁13结构上产生新的振动，用于抵消初级谐波扰动；
(3)PVDF模态传感器14作为误差传感器拾取振动弹性梁13结构振动目标阶模态幅值误差信号后，输入到DSP控制器16；
(4)SP控制器16自动调节滤波器权系数，通过改变这些权系数改变次级控制力信号；
(5)重复上述步骤(1)～(4)直到弹性梁结构13达到最佳抑制效果。
尽管本发明结合附图给出具体详细的实施方案，但本发明并不局限于上述具体实施方案和应用领域，上述的实施例只是为了更好的理解本发明，仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。

Claims (7)

1.一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验方法，其特征在于：试验系统包括弹性梁(13)、PVDF模态传感器(14)、电流放大电路(15)，所述PVDF模态传感器(14)使用粘结剂粘贴布设于弹性梁(14)结构表面，PVDF模态传感器(14)的输出端连接一电流放大电路(15)，作为主动控制的误差信号输入DSP控制器；DSP控制器分别与信号发生器、功率放大器以及计算机相连接，信号发生器用于产生初级谐波扰动，一路信号输出到功率放大器a，信号经放大后用于驱动激振器，使弹性梁产生振动；信号发生器另一路同样的输出信号作为参考信号连接到DSP控制器；DSP控制器中通过自适应算法进行实时更新，从而将驱动信号误差降到最小值，驱动信号经功率放大器b放大驱动，实现弹性梁结构的振动抑制；采用具体步骤如下：
(1)将初级谐波扰动参考信号输入加载有自适应算法的DSP控制器(16)，该控制器在自适应算法的作用下产生次级控制力信号；
(2)次级控制力信号经功率放大器(20)输入到作动器(21)，作动器(21)在带有初级谐波振动弹性梁结构(13)上产生新的振动，用于抵消初级谐波扰动；
(3)PVDF模态传感器(14)作为误差传感器拾取振动弹性梁结构(13)振动目标阶模态幅值误差信号后，输入到DSP控制器(16)；
(4)DSP控制器(16)自动调节滤波器权系数，通过改变这些权系数改变次级控制力信号；
(5)不断重复上述步骤(1)～(4)直到弹性梁结构(13)达到最佳抑制效果。
2.一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，其特征在于：包括弹性梁(13)、PVDF模态传感器(14)、电流放大电路(15)；所述PVDF模态传感器(14)经引线(04)封装粘贴在弹性梁(13)表面上，PVDF模态传感器(14)通过引线端子(03)的一端固定在PVDF压电薄膜基体(02)上，引线端子(03)另一端连接电流放大电路(15)，电压信号由电流放大电路输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，其特征在于：所述的PVDF模态传感器(14)由PVDF压电薄膜基体(02)、引线端子(03)、封装材料组成；PVDF模态传感器(14)的一端通过压线端子(07)压接在引线(05)和聚酯薄膜片(06)之间，引线(04)与有效电极(02)直接接触，聚酯膜片(05)与去除有效电极(01)的PVDF压电薄膜基体(02)接触，由封装材料包覆封装。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，其特征在于：所述的PVDF压电薄膜基体(02)厚度为8-500μm，使用激光雕刻或剪刀剪裁成所需PVDF模态传感器形状，所述PVDF压电薄膜基体(02)的上电极(10)和下电极(11)分别镀铝，对边缘宽0.5mm的窄带做非金属化处理。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，所述的引线端子(03)，其特征在于，引线端子(03)由引线(04)、聚酯薄膜片(05)、压线端子(06)、空心铆钉(07)组成；PVDF压电薄膜基体(02)与压线端子(06)通过空心铆钉(07)穿透连接，PVDF模态传感器(14)另一侧通过聚脂薄膜片(05)加固绝缘。
6.根据权利要求2所述的一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，其特征在于：所述的柔性薄膜层(09)选用柔性薄膜材料。
7.根据权利要求2所述的一种基于PVDF模态传感器的弹性梁试验系统，其特征在于：所述的电流放大电路(15)由反馈电阻R和运算放大器A组成；所述的PVDF模态传感器(14)视为电荷源和电容C0串联等效电路。
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