CN108982008B - 双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法，属于计量测试技术领域。本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器，包括液压管道、顶部压电换能器、底部压电换能器、压力控制器、压力测量腔、信号发生器、顶部功率放大器、底部功率放大器。本发明还公开基于所述双元组合式高频正弦压力发生器实现的高频正弦压力发生方法。本发明能够在(1～30)kHz频率范围内产生较大的压力幅值，用于满足越来越多的动态压力传感器校准的需求，且所述动态压力传感器校准的需求领域包括发动机、炮弹、高速列车等研制过程中对动态压力传感器在1kHz至30kHz的校准需求。具有如下优点：校准范围扩大；幅值更高、频率更高；信号稳定；利于后期维护和更换。

Description

双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法
技术领域
本发明属于计量测试技术领域，涉及一种基于双元压电换能器组合形式的高频正弦压力发生器及压力发生方法。
背景技术
压电换能器是正弦压力动态校准的主要核心部件，利用液压管道谐振的原理，给安装在液压管道底部的压电换能器施加正弦电压，在压电换能器表面会产生与激励电压频率一致的正弦位移，这个位移迫使液压管道中的液体介质传递相同频率的正弦压力波，当激励频率与液压管道谐振频率一致时，从而在液压管道一端得到较大幅值的正弦压力，就可以对动态压力传感器和测试系统的动态灵敏度进行标定。现有的高频正弦压力发生器基本采用单独压电换能器的安置在底部的方式产生正弦压力信号，但压电换能器受到自身结构和整套装置反谐振点的限制，很难在(1～30)kHz频率范围内都具有比较好的输出响应，尤其是在(6～30)kHz高频范围内更是无法得到理想的输出相应。本发明的核心在于建立双元压电换能器组合形式的高频正弦压力发生器，利用管道的谐振原理在(1～30)kHz频率范围内产生较大的压力幅值，满足越来越多动态压力校准与模拟试验的需求。
发明内容
针对现有在正弦压力动态校准中高频正弦压力发生器的下述不足：(1)、自身结构不足，导致某些频率下输出不足，压力幅值偏低；(2)频率范围覆盖小，压力幅值输出小。本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法要解决的技术问题是：提出一种通过双元压电换能器组合形式的高频正弦压力发生器及压力发生方法，在(1～30)kHz频率范围内产生较大的压力幅值，用于满足越来越多的动态压力传感器校准的需求，且所述动态压力传感器校准的需求领域包括发动机、炮弹、高速列车等研制过程中对动态压力传感器在1kHz至30kHz的校准需求。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器，包括液压管道、顶部压电换能器、底部压电换能器、压力控制器、压力测量腔、信号发生器、顶部功率放大器、底部功率放大器。
液压管道为空心圆柱结构，内部注满液体介质，底部与底部压电换能器固定连接，顶部与顶部压电换能器固定连接，中心处与压力测量腔固定连接；
所述的液压管道、顶部压电换能器和底部压电换能器存在下述关系：
顶部压电换能器和底部压电换能器共同受到信号发生器、顶部功率放大器、底部功率放大器的共同作用，使压电换能器表面产生位移，迫使液压管道里液体介质中产生和传递压力波，当传播距离是液体介质传播波长的二分之一的整数倍时，在压力测量腔处的压力波动幅值将达到极大值，即产生谐振。谐振点分布在一系列频率点上，符合如下公式：
Figure BDA0001793786090000021
其中，a为在液体介质中的传播速度，L为液压管道中顶部压电换能器端面与压力测量腔的距离，也是底部压电换能器端面与压力测量腔的距离，k为正整数。
顶部压电换能器和底部压电换能器结构相同，分别由多片压电陶瓷片胶合并施加预应力而成。
所述的顶部压电换能器和底部压电换能器，选用实现下述功能的压电换能器：
当给压电换能器施加正弦变化的电压信号时，压电换能器表面将产生和交流电压频率f相同的振动位移，振动频率和电压频率f一致。持续的激励使得所述压力波在液压管道内多次反射形成驻波，当激励频率和管腔的谐振频率一致时管腔产生谐振，此时在管腔的一端将达到较大的预设压力幅值。
压力控制器用于控制液压管道内部初始压力值。
压力测量腔位于液压管道中心处，用于监视液压管道内最大压力幅值。
信号发生器、顶部功率放大器、底部功率放大器，存在以下关系：
信号发生器能够单独控制顶部功率放大器或底部功率放大器输出正弦电压信号，也能够同时控制顶部功率放大器和底部功率放大器输出两组正弦信号，并调节两组正弦信号之间的相位差，两组正弦信号关系符合如下公式：
Figure BDA0001793786090000022
其中，A和B为电压增益设置，初始为1，sinwt为两组正弦信号中的一个正弦信号，
Figure BDA0001793786090000031
为另一个正弦信号，
Figure BDA0001793786090000032
为两组正弦信号之间相位差。当相位差
Figure BDA0001793786090000033
为零时，叠加信号幅值
Figure BDA0001793786090000034
最大；当相位差
Figure BDA0001793786090000035
为π时，叠加信号幅值
Figure BDA0001793786090000036
最小。
基于所述双元组合式高频正弦压力发生器实现的高频正弦压力发生方法，包括如下步骤：
步骤一：液压管道中注满液体介质，开启压力控制器调节内部压力，并稳定压力；
步骤二：开启信号发生器产生正弦信号，输出给顶部功率放大器和底部功率放大器；
所述的信号发生器用于产生正弦信号，并可调节正弦信号相位。
步骤三：顶部功率放大器和底部功率放大器分别驱动顶部压电换能器和底部压电换能器产生振动位移；
步骤四：顶部压电换能器和底部压电换能器发生振动位移，驱动液压管道中液体介质发生同频率的振动位移，因此，在液压管道内产生高频正弦压力波；
步骤五：压力测量腔监测得到液压管道内产生的高频正弦压力波。
所述的高频范围指1kHz至30kHz。
步骤六：将步骤四产生的高频正弦压力波用于动态压力传感器的校准需求，所述的动态压力传感器的校准需求领域包括发动机、炮弹、高速列车研制过程中对动态压力传感器的校准需求。
有益效果：
1、本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法，采用双元压电换能器组合形式的结构，因此可产生高频的动态压力，是现有正弦压力校准范围的有效补充和扩大。
2、本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法，采用双元组合压电换能器方式和谐振原理，比现有的正弦压力发生期产生的正弦压力幅值更高、频率更高。
3、现有的正弦压力校准装置产生正弦压力时，无法调节正弦压力波形，本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法，采用两组正弦压力信号叠加，因此通过相位调节可控制压力幅值和波形，有利于产生稳定的高频正弦压力信号。
4、本发明公开的双元组合式高频正弦压力发生器及压力发生方法，采用的双元组合式高频正弦压力发生器结构简单稳定，有利于后期维护和更换。
附图说明
图1为本发明具体实时方式中双元组合式高频正弦压力发生器整体结构示意图；
其中，1—液压管道、2—顶部压电换能器、3—底部压电换能器、4—压力控制器、5—压力测量腔、6—信号发生器、7—顶部功率放大器、8—底部功率放大器。
图2为产生两正弦信号的相位差为0°时，两正弦波波叠加后输出翻倍。
其中，因两正弦信号的相位差为0°，实线为顶部换能器输出，虚线为底部换能器输出，实线与虚线重合在一起。
图3为产生两正弦信号的相位差为180°，两正弦波抵消后输出，接近于零。
其中，实线为顶部换能器输出，虚线为底部换能器输出。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
实施例1：
本实施例公开的双元组合式高频正弦压力发生器，包括液压管道1、顶部压电换能器2、底部压电换能器3、压力控制器4、压力测量腔5、信号发生器6、顶部功率放大器7、底部功率放大器8。
液压管道1为空心圆柱结构，内部注满液体介质，底部与底部压电换能器3固定连接，顶部与顶部压电换能器2固定连接，中心处与压力测量腔5固定连接；
所述的液压管道1、顶部压电换能器2和底部压电换能器3存在下述关系：
顶部压电换能器2和底部压电换能器3共同受到信号发生器6、顶部功率放大器7、底部功率放大器8的共同作用，使压电换能器表面产生位移，迫使液压管道1里液体介质中产生和传递压力波，当传播距离是液体介质传播波长的二分之一的整数倍时，在压力测量腔5处的压力波动幅值将达到极大值，即产生谐振。谐振点分布在一系列频率点上，符合如下公式：
Figure BDA0001793786090000051
式中，a为在液体介质中的传播速度，L为液压管道1中顶部压电换能器2端面与压力测量腔5的距离，也是底部压电换能器3端面与压力测量腔5的距离，k为正整数。
顶部压电换能器2和底部压电换能器3结构相同，分别由多片压电陶瓷片胶合并施加预应力而成。
所述的顶部压电换能器2和底部压电换能器3，选用实现下述功能的压电换能器：
当给压电换能器施加正弦变化的电压信号时，压电换能器表面将产生和交流电压频率f相同的振动位移，振动频率和电压频率f一致。持续的激励使得所述压力波在液压管道1内多次反射形成驻波，当激励频率和管腔的谐振频率一致时管腔产生谐振，此时在管腔的一端将达到较大的压力幅值。
压力控制器4用于控制液压管道1内部初始压力值。
压力测量腔5位于液压管道1中心处，用于监视液压管道1内最大压力幅值。
信号发生器6、顶部功率放大器7、底部功率放大器8，存在以下关系：
信号发生器6能够单独控制顶部功率放大器7或底部功率放大器8输出正弦电压信号，也能够同时控制顶部功率放大器7和底部功率放大器8输出两组正弦信号，并调节两组正弦信号之间的相位差，两组正弦信号叠加关系符合如下公式：
Figure BDA0001793786090000052
其中，
Figure BDA0001793786090000053
为叠加信号幅值，A和B为电压增益设置，初始为1，sinwt为两组正弦信号中的一个正弦信号，
Figure BDA0001793786090000054
为另一个正弦信号，
Figure BDA0001793786090000055
为两组正弦信号之间相位差。当相位差
Figure BDA0001793786090000056
为零时，叠加信号幅值
Figure BDA0001793786090000057
最大；当相位差
Figure BDA0001793786090000058
为π时，叠加信号幅值
Figure BDA0001793786090000059
最小。
如图2所示，基于所述双元组合式高频正弦压力发生器实现的高频正弦压力发生方法，操作方法具体实现步骤如下：
步骤一：向液压管道1中注满液体介质，开启压力控制器4调节内部压力，并稳定压力；
上述操作中，液体介质为去离子水，液体介质中的传播速度a＝1480m/s，根据公式(1)设计长度L＝740mm，可得各阶谐振频率为f＝1kHz、2kHz、3kHz...；调节内部压力到6MPa并稳定15min。
步骤二：开启信号发生器6产生正弦信号，输出给顶部功率放大器7和底部功率放大器8；
上述操作中，设定信号发生器6产生两组30kHz频率的正弦信号，相位偏差设定为0°，电压频率f＝30kHz。
步骤三：顶部功率放大器7和底部功率放大器8分别驱动顶部压电换能器2和底部压电换能器3产生振动位移；
步骤四：顶部压电换能器2和底部压电换能器3发生振动位移，驱动液压管道1中液体介质发生同频率的振动位移，这样就在液压管道1内产生了正弦压力波；
步骤五：压力测量腔5监测得到液压管道1内产生的叠加正弦压力波，结果如图2所示，试验得到最大压力幅值Δp＝1MPa。
步骤六：改变信号发生器6设定，产生两组30kHz频率的正弦信号，相位偏差设定为180°，液压管道1内产生的抵消的正弦压力波，结果如图3所示，最大压力幅值Δp趋近于0。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.双元组合式高频正弦压力发生器，其特征在于：包括液压管道(1)、顶部压电换能器(2)、底部压电换能器(3)、压力控制器(4)、压力测量腔(5)、信号发生器(6)、顶部功率放大器(7)、底部功率放大器(8)；
液压管道(1)为空心圆柱结构，内部注满液体介质，底部与底部压电换能器(3)固定连接，顶部与顶部压电换能器(2)固定连接，中心处与压力测量腔(5)固定连接；
所述的液压管道(1)、顶部压电换能器(2)和底部压电换能器(3)存在下述关系：
顶部压电换能器(2)和底部压电换能器(3)共同受到信号发生器(6)、顶部功率放大器(7)、底部功率放大器(8)的共同作用，使压电换能器表面产生位移，迫使液压管道(1)里液体介质中产生和传递压力波，当传播距离是液体介质传播波长的二分之一的整数倍时，在压力测量腔(5)处的压力波动幅值将达到极大值，即产生谐振；谐振点分布在一系列频率点上，符合如下公式：
Figure FDA0002418766970000011
其中，a为在液体介质中的传播速度，L为液压管道(1)中顶部压电换能器(2)端面与压力测量腔(5)的距离，也是底部压电换能器(3)端面与压力测量腔(5)的距离，k为正整数；
顶部压电换能器(2)和底部压电换能器(3)结构相同，分别由多片压电陶瓷片胶合并施加预应力而成；
所述的顶部压电换能器(2)和底部压电换能器(3)，选用实现下述功能的压电换能器：
当给压电换能器施加正弦变化的电压信号时，压电换能器表面将产生和交流电压频率f相同的振动位移，振动频率和交流电压频率f一致；持续的激励使得所述压力波在液压管道(1)内多次反射形成驻波，当激励频率和液压管道(1)的谐振频率一致时液压管道(1)产生谐振，此时在液压管道(1)的一端将达到较大的预设压力幅值；
压力控制器(4)用于控制液压管道(1)内部初始压力值；
压力测量腔(5)位于液压管道(1)中心处，用于监视液压管道(1)内最大压力幅值；
信号发生器(6)、顶部功率放大器(7)、底部功率放大器(8)，存在以下关系：
信号发生器(6)能够单独控制顶部功率放大器(7)或底部功率放大器(8)输出正弦电压信号，也能够同时控制顶部功率放大器(7)和底部功率放大器(8)输出两组正弦信号，并调节两组正弦信号之间的相位差，两组正弦信号关系符合如下公式：
Figure FDA0002418766970000021
其中，A和B为电压增益设置，初始为1，sin wt为两组正弦信号中的一个正弦信号，
Figure FDA0002418766970000022
为另一个正弦信号，
Figure FDA0002418766970000023
为两组正弦信号之间相位差；当相位差
Figure FDA0002418766970000024
为零时，叠加信号幅值
Figure FDA0002418766970000025
最大；当相位差为π时，叠加信号幅值
Figure FDA0002418766970000026
最小。
2.如权利要求1所述的双元组合式高频正弦压力发生器，其特征在于：所述的高频范围指1kHz至30kHz。
3.基于如权利要求1或2所述的双元组合式高频正弦压力发生器实现的高频正弦压力发生方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：液压管道(1)中注满液体介质，开启压力控制器(4)调节内部压力，并稳定压力；
步骤二：开启信号发生器(6)产生正弦信号，输出给顶部功率放大器(7)和底部功率放大器(8)；
所述的信号发生器(6)用于产生正弦信号，并可调节正弦信号相位；
步骤三：顶部功率放大器(7)和底部功率放大器(8)分别驱动顶部压电换能器(2)和底部压电换能器(3)产生振动位移；
步骤四：顶部压电换能器(2)和底部压电换能器(3)发生振动位移，驱动液压管道(1)中液体介质发生同频率的振动位移，因此，在液压管道(1)内产生高频正弦压力波；
步骤五：压力测量腔(5)监测得到液压管道(1)内产生的高频正弦压力波。
4.基于如权利要求3所述的高频正弦压力发生方法，其特征在于：还包括步骤六：将步骤四产生的高频正弦压力波用于动态压力传感器的校准需求，所述的动态压力传感器的校准需求领域包括发动机、炮弹、高速列车研制过程中对动态压力传感器的校准需求。
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