CN110426142B - 基于正、逆压电效应的传感执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感、测控技术领域，提供了一种基于正、逆压电效应的传感执行器。本发明通过联用压电执行器与压电传感器，实现了产生一个大小、方向、作用点可控的一维力的要求，对整个标定实验结果精度的提升具有重大意义。本发明装置由压电执行器、压电传感器、加载底座、加载底板、内套、中间轴等组成。该装置结构设计紧凑、工作原理可靠、适应性极强，是一种精度较高的力发生装置，拓宽了力产生与检测装置的设计思路。
Description
技术领域
本发明属于传感、测控技术领域，涉及一种一维力产生与同步检测装置。使用一个压电执行器和一个压电传感器，执行器作为力发生装置，传感器作为同步力检测装置。解决了一维力发生装置普遍存在的力值精度、方向精度和作用点精度难以保证的问题，在航空航天、国防军工等领域的静、动态地面力加载模拟实验中有重要意义。
背景技术
新时代，由于对航天器功能的需求越来越大、执行精度要求越来越高，诸如激光通信和高精度成像等新应用的不断加入，设计航天器时，其稳定性成了与日俱增的挑战，航天器上的一些必要运动部件，如太阳翼驱动机构、动量轮、制冷机、相机快门组等大都是不平衡运动，会相应的产生不平衡力矩与微振动，严重影响航天器的预定设计功能及设计寿命。
测量航天器微振动的方法主要有两种，激光测振法和加速度传感器法。由于激光测振的原理是多普勒频移和干涉技术，从而相对应的其显著优点就是测量时不接触被测物体，这对测量强度较低的微小部件有天然优势；但实际测量时难以布置，难以测量被封装起来的内部结构，且测试点的数目受限。加速度传感器可以实现多点同时测量，空间布置简单灵活；但其缺点也比较显著，传感器是核心测量单元，测量结果好坏与传感器息息相关，因此对传感器本身的性能要求严格，并且由于是接触式测量，在测量微小部件时传感器的自重对测量结果的精度有较大影响。
当前的地面动态力加载模拟实验中，产生力的方法主要是激振器或锤击法。激振器虽然能产生力值较精确的力，但由于激振器自重过大，必要的支撑与加载结构使得产生的力的方向精度不能保证。锤击法简单易行，但由于加载时间过短，容易造成过载或非线性问题。
因此，在地面用力加载模拟空中微振动的实验中，需要一种方便且精准的力发生装置。本发明使用压电执行器作为力源，用压电传感器作为检测单元，并设计其他相应结构从而保证两个装置的正常工作。
发明内容
本发明针对的技术难题是：以激振器作为力发生装置时，其产生的力的方向精度较差的问题。而发明的以压电效应为工作原理的传感执行器，能够实现一维动态力的精确加载。本发明结构简单、适应性强、稳定性高，极大程度的保证了动态力加载实验结果的正确性。
本发明的技术方案：
基于正、逆压电效应的传感执行器，包括执行器后盖1、压电执行器2、中间轴3、压电传感器4、内套5、传感器后盖6、加载底板7、连接螺栓8、螺塞9和加载底座10；
所述的执行器后盖1，是一个整体式的两段阶梯轴结构，直径较小一侧的轴，是实心光轴，其头部是半球形结构，其与加载底座10上的光孔实现轴孔配合从而达到导向的目的；直径较大一侧的轴，是空心轴，内部存在一个同心的螺纹孔，此螺纹孔与内套5的螺纹轴实现螺纹连接，且执行器后盖1的环形下表面与内套5的凸台接触，从而保证由压电执行器2传给内套5的力再传递给执行器后盖1；
所述的压电执行器2，是一个整体式轴状结构，其在电场中产生一个正比于电场强度的应力，充当力的发生器，其一侧是内套5，另一侧是中间轴3，内套5上有同心阶梯孔；压电执行器2上有一个同心通孔，连接螺栓8贯穿阶梯孔与通孔，并与中间轴3上的内螺纹实现螺纹配合，从而把内套5和压电执行器2连接在中间轴3的一侧；
所述的中间轴3，是一个轴状结构，其左右端面都有与其自身同心的螺纹孔，一侧螺纹孔与贯穿压电执行器2和内套5的连接螺栓8相连，另一侧螺纹孔与贯穿压电传感器4和内套5的连接螺栓8相连，从而实现中间轴3与压电执行器2和压电传感器4的连接；
所述的压电传感器4，是一个整体式轴状结构，其主要作用是有应力加载其两侧时，产生正比于应力大小的电场强度，充当力的检测器，其一侧是中间轴3，另一侧是内套5；压电传感器4上有一个同心通孔，内套5上有同心阶梯孔，连接螺栓8贯穿阶梯孔与通孔，并与中间轴3上的内螺纹实现螺纹配合，从而把内套5和压电传感器4连接在中间轴3的另一侧；
所述的内套5共两个，外面是有螺纹与凸台的轴状结构，外螺纹与传感器后盖6的内螺纹连接，凸台与传感器后盖6环形下表面接触，保证传递到内套上的力传递给传感器后盖6，其内部存在一个同心的阶梯孔，连接螺栓8穿入阶梯孔与中间轴3的内螺纹连接，并且螺帽的下表面卡在阶梯孔的阶梯面上，从而保证压电执行器2与压电传感器4被固定在中间轴3上；
所述的传感器后盖6，是一个整体式三段阶梯轴结构，直径最小一侧的轴，是实心螺纹轴，其与加载底座10上的内螺纹孔实现螺纹配合，从而将整个装置与加载底座10连接；中间直径的轴是实心光轴，其与加载底座10上的光孔实现轴孔配合从而达到导向的目的；直径最大的一段轴，是空心轴，内部存在一个同心的螺纹孔，此螺纹孔与内套5的螺纹轴实现螺纹连接，且传感器后盖6的环形下表面与内套5的凸台接触，从而保证由压电传感器4传给内套5的力再传递给传感器后盖6；
所述的加载底板7，为带有螺纹孔的方形板，通过螺栓将加载底座10固定在加载底板7上，从而使得整个装置固定在加载底板7上；
所述的连接螺栓8共两个，用于将压电执行器2与压电传感器4固定在中间轴3上；
所述的螺塞9，与压电执行器2一测的加载底座10上的螺纹孔配合，由于其直径小于加载底座10上的光孔，深入光孔中顶紧执行器后盖1上光轴头部的半球，达到预紧整个装置的作用；
所述的加载底座10共两个，其主要把整个力发生与检测装置固定在加载底板7上，其上有一个阶梯孔，直径较大的孔是光孔，直径较小的孔是螺纹孔，与传感器后盖6连接时，光孔和螺纹孔分别对应传感器后盖6上的光轴和螺纹轴，与执行器后盖1连接时，光孔对应执行器后盖1上的光轴，螺纹孔与螺塞9螺纹连接，螺塞9由于直径小于光孔，因此深入光孔中顶住执行器后盖1光轴头部的半球结构，实现整个装置的固定。
本发明的有益效果：本发明是基于正、逆压电效应的传感执行器，通过合理的原理运用与适当的结构设计，可以实现产生一个方向精度极高的动态力，并且可以实时监控产生的力值，从而极大程度的保证了动态力加载实验结果的可靠性。本发明结构紧凑、性能稳定，在航空航天、国防军工等力加载与微振动测试方面具有广泛应用。
附图说明
图1为本发明传感执行器的整体结构示意图。
图2为连接螺栓将压电执行器与压电传感器连接到中间轴的示意图。
图3为中间轴示意图。
图4为压电传感器示意图。
图5为压电执行器示意图。
图6为加载底板示意图。
图7为内套示意图。
图8为执行器后盖示意图。
图9为传感器后盖示意图。
图10为加载底座示意图。
图中：1执行器后盖；2压电执行器；3中间轴；4压电传感器；5内套；6传感器后盖；7加载底板；8连接螺栓；9螺塞；10加载底座；
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
基于正、逆压电效应的传感执行器，包括执行器后盖1、压电执行器2、中间轴3、压电传感器4、内套5、传感器后盖6、加载底板7、连接螺栓8、螺塞9和加载底座10；
所述的执行器后盖1，是一个整体式的两段阶梯轴结构，直径较小一侧的轴，是实心光轴，其头部是半球形结构，其与加载底座10上的光孔实现轴孔配合从而达到导向的目的；直径较大一侧的轴，是空心轴，内部存在一个同心的螺纹孔，此螺纹孔与内套5的螺纹轴实现螺纹连接，且执行器后盖1的环形下表面与内套5的凸台接触，从而保证由压电执行器2传给内套5的力再传递给执行器后盖1；
所述的压电执行器2，是一个整体式轴状结构，其在电场中产生一个正比于电场强度的应力，充当力的发生器，其一侧是内套5，另一侧是中间轴3，内套5上有同心阶梯孔；压电执行器2上有一个同心通孔，连接螺栓8贯穿阶梯孔与通孔，并与中间轴3上的内螺纹实现螺纹配合，从而把内套5和压电执行器2连接在中间轴3的一侧；
所述的中间轴3，是一个轴状结构，其左右端面都有与其自身同心的螺纹孔，一侧螺纹孔与贯穿压电执行器2和内套5的连接螺栓8相连，另一侧螺纹孔与贯穿压电传感器4和内套5的连接螺栓8相连，从而实现中间轴3与压电执行器2和压电传感器4的连接；
所述的压电传感器4，是一个整体式轴状结构，其主要作用是有应力加载其两侧时，产生正比于应力大小的电场强度，充当力的检测器，其一侧是中间轴3，另一侧是内套5；压电传感器4上有一个同心通孔，内套5上有同心阶梯孔，连接螺栓8贯穿阶梯孔与通孔，并与中间轴3上的内螺纹实现螺纹配合，从而把内套5和压电传感器4连接在中间轴3的另一侧；
所述的内套5共两个，外面是有螺纹与凸台的轴状结构，外螺纹与传感器后盖6的内螺纹连接，凸台与传感器后盖6环形下表面接触，保证传递到内套上的力传递给传感器后盖6，其内部存在一个同心的阶梯孔，连接螺栓8穿入阶梯孔与中间轴3的内螺纹连接，并且螺帽的下表面卡在阶梯孔的阶梯面上，从而保证压电执行器2与压电传感器4被固定在中间轴3上；
所述的传感器后盖6，是一个整体式三段阶梯轴结构，直径最小一侧的轴，是实心螺纹轴，其与加载底座10上的内螺纹孔实现螺纹配合，从而将整个装置与加载底座10连接；中间直径的轴是实心光轴，其与加载底座10上的光孔实现轴孔配合从而达到导向的目的；直径最大的一段轴，是空心轴，内部存在一个同心的螺纹孔，此螺纹孔与内套5的螺纹轴实现螺纹连接，且传感器后盖6的环形下表面与内套5的凸台接触，从而保证由压电传感器4传给内套5的力再传递给传感器后盖6；
所述的加载底板7，为带有螺纹孔的方形板，通过螺栓将加载底座10固定在加载底板7上，从而使得整个装置固定在加载底板7上；
所述的连接螺栓8共两个，用于将压电执行器2与压电传感器4固定在中间轴3上；
所述的螺塞9，与压电执行器2一测的加载底座10上的螺纹孔配合，由于其直径小于加载底座10上的光孔，深入光孔中顶紧执行器后盖1上光轴头部的半球，达到预紧整个装置的作用；
所述的加载底座10共两个，其主要把整个力发生与检测装置固定在加载底板7上，其上有一个阶梯孔，直径较大的孔是光孔，直径较小的孔是螺纹孔，与传感器后盖6连接时，光孔和螺纹孔分别对应传感器后盖6上的光轴和螺纹轴，与执行器后盖1连接时，光孔对应执行器后盖1上的光轴，螺纹孔与螺塞9螺纹连接，螺塞9由于直径小于光孔，因此深入光孔中顶住执行器后盖1光轴头部的半球结构，实现整个装置的固定。
加载底座10布置在加载底板7上，通过外六角螺栓实现两者连接，从信号发生器引出的导线将电场信号施加在压电执行器2两端，压电执行器2由于逆压电效应产生应变，由于诸如内套5与执行器后盖1的相应结构设计，使得加载底座10将压电执行器2两侧卡死，因此压电执行器2产生的应变会变成应力，加载底座10的光孔分别与执行器后盖1的光轴、传感器后盖6的光轴配合，从而保证产生的力的方向精度，压电传感器4由于正压电效应产生电荷，从压电传感器4引出的导线接在电荷放大器上，实时监测产生的力的大小，保证力值精度，从而达到产生一个较高精度的一维力的目标。
虽然本发明是基于正、逆压电效应的传感执行器，并进行了详细的描述，但并非本发明仅限于上述实例。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加、以本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于正、逆压电效应的传感执行器，其特征在于，所述的基于正、逆压电效应的传感执行器包括执行器后盖(1)、压电执行器(2)、中间轴(3)、压电传感器(4)、内套(5)、传感器后盖(6)、加载底板(7)、连接螺栓(8)、螺塞(9)和加载底座(10)；
所述的执行器后盖(1)，是一个整体式的两段阶梯轴结构，直径较小一侧的轴，是实心光轴，其头部是半球形结构，其与加载底座(10)上的光孔实现轴孔配合从而达到导向的目的；直径较大一侧的轴，是空心轴，内部存在一个同心的螺纹孔，此螺纹孔与内套(5)的螺纹轴实现螺纹连接，且执行器后盖(1)的环形下表面与内套(5)的凸台接触，从而保证由压电执行器(2)传给内套(5)的力再传递给执行器后盖(1)；
所述的压电执行器(2)，是一个整体式轴状结构，其在电场中产生一个正比于电场强度的应力，充当力的发生器，其一侧是内套(5)，另一侧是中间轴(3)，内套(5)上有同心阶梯孔；压电执行器(2)上有一个同心通孔，连接螺栓(8)贯穿阶梯孔与通孔，并与中间轴(3)上的内螺纹实现螺纹配合，从而把内套(5)和压电执行器(2)连接在中间轴(3)的一侧；
所述的中间轴(3)，是一个轴状结构，其左右端面都有与其自身同心的螺纹孔，一侧螺纹孔与贯穿压电执行器(2)和内套(5)的连接螺栓(8)相连，另一侧螺纹孔与贯穿压电传感器(4)和内套(5)的连接螺栓(8)相连，从而实现中间轴(3)与压电执行器(2)和压电传感器(4)的连接；
所述的压电传感器(4)，是一个整体式轴状结构，其主要作用是有应力加载其两侧时，产生正比于应力大小的电场强度，充当力的检测器，其一侧是中间轴(3)，另一侧是内套(5)；压电传感器(4)上有一个同心通孔，内套(5)上有同心阶梯孔，连接螺栓(8)贯穿阶梯孔与通孔，并与中间轴(3)上的内螺纹实现螺纹配合，从而把内套(5)和压电传感器(4)连接在中间轴(3)的另一侧；
所述的内套(5)共两个，外面是有螺纹与凸台的轴状结构，外螺纹与传感器后盖(6)的内螺纹连接，凸台与传感器后盖(6)环形下表面接触，保证传递到内套上的力传递给传感器后盖(6)，其内部存在一个同心的阶梯孔，连接螺栓(8)穿入阶梯孔与中间轴(3)的内螺纹连接，并且螺帽的下表面卡在阶梯孔的阶梯面上，从而保证压电执行器(2)与压电传感器(4)被固定在中间轴(3)上；
所述的传感器后盖(6)，是一个整体式三段阶梯轴结构，直径最小一侧的轴，是实心螺纹轴，其与加载底座(10)上的内螺纹孔实现螺纹配合，从而将整个装置与加载底座(10)连接；中间直径的轴是实心光轴，其与加载底座(10)上的光孔实现轴孔配合从而达到导向的目的；直径最大的一段轴，是空心轴，内部存在一个同心的螺纹孔，此螺纹孔与内套(5)的螺纹轴实现螺纹连接，且传感器后盖(6)的环形下表面与内套(5)的凸台接触，从而保证由压电传感器(4)传给内套(5)的力再传递给传感器后盖(6)；
所述的加载底板(7)，为带有螺纹孔的方形板，通过螺栓将加载底座(10)固定在加载底板(7)上，从而使得整个装置固定在加载底板(7)上；
所述的连接螺栓(8)共两个，用于将压电执行器(2)与压电传感器(4)固定在中间轴(3)上；
所述的螺塞(9)，与压电执行器(2)一测的加载底座(10)上的螺纹孔配合，由于其直径小于加载底座(10)上的光孔，深入光孔中顶紧执行器后盖(1)上光轴头部的半球，达到预紧整个装置的作用；
所述的加载底座(10)共两个，其主要把整个力发生与检测装置固定在加载底板(7)上，其上有一个阶梯孔，直径较大的孔是光孔，直径较小的孔是螺纹孔，与传感器后盖(6)连接时，光孔和螺纹孔分别对应传感器后盖(6)上的光轴和螺纹轴，与执行器后盖(1)连接时，光孔对应执行器后盖(1)上的光轴，螺纹孔与螺塞(9)螺纹连接，螺塞(9)由于直径小于光孔，因此深入光孔中顶住执行器后盖(1)光轴头部的半球结构，实现整个装置的固定。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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