CN111024271A - 一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法 - Google Patents

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宋继红
康志宏
穆林枫
米尔为
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Abstract

本发明为一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，应用在9mm压电激励振动筒压力传感器中，重根模态围绕振动筒周向的法向在振动，其中一个模态的波峰或波谷对应第二个模态的波节，压电片贴在其中一个模态的波峰或波谷，意味着贴在另一个模态的波节，由于波节振动能量为零，这样在开环检测过程中只能检测到一个模态，在波峰或波谷振动能量最强，意味着压电片输出能量最高，压力信号转换为电信号时电信号质量最强，传感器抗干扰能力最强。将重根模态理论应用于振动筒轴对称结构进行分析后，找到双频产生的规律，通过激光三维测振仪测试出振型分布规律，再对振幅能量最强点进行标记，可以准确给出要选取的振型和压电片的贴片位置，这样有效的提高传感器性能和传感器生产合格率。

Description

一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法
技术领域
本发明应用在9mm压电激励振动筒压力传感器中，可以提高传感器机电转换效率，提升传感器的抗干扰能力和振动筒生产合格率。并有效地拓展了9mm压电激励振动筒压力传感器在航空机载小型化大气数据系统的压力测量及地面气象、压力校验测量领域的应用。
背景技术
振动筒压力传感器以薄壁圆柱(即振动筒)为谐振敏感元件，被测压力改变振动筒的等效刚度，从而改变其固有频率。通过机电转换元件将振动筒的固有频率转换成电信号，经信号调理电路进行放大调理形成一个正反馈的闭环谐振系统，从而实现对压力的测量。每个振动筒具有不同的振型，每种振型对应一定的固有频率。压电激励振动筒压力传感器采用压电陶瓷片作为机电转换元件，依据所选用的振型呈一定角度粘贴于敏感筒体内壁从而实现振动筒压力传感器的机电转换功能，使传感器以优选好的振型进行谐振，通过信号调理电路保证产品稳定的工作在设计量程工作范围内。
一种筒体直径9mm的小型压电激励振动筒压力传感器采用环向波数为3，轴向半波数为1的(3，1)振型，激励与拾振元件采用压电陶瓷片2片圆周方向呈180°粘贴于敏感筒体内壁从而实现振动筒压力传感器的小型化设计的机电转换功能，现有生产中在环向360°范围任意方向贴片完成后，在振动筒传感器开环测试时有一半左右存在两个相近的频率(俗称双频)，双频的存在使传感器的稳定性受到影响，当外界环境因素变化时，会引起频率跳变，从而影响产品的性能，导致产品合格率较低。另外，考虑到设备检测的分辨率，即使开环测试出现单一频率，压电片不一定能够贴在波峰或波谷的最佳位置，导致压力信号转换为电信号时信号质量不是最佳，影响传感器的抗干扰能力。在振动筒压力传感器设计过程中，明确传感器振型选择和准确选取压电片贴片位置对传感器性能提升尤为重要。
发明内容
9mm压电激励振动筒压力传感器在振型选择和压电陶瓷片贴片位置选择存在周向任意性，导致振型(重根模态)选择不明确，即开环测试出现重根模态两者之一或者开环测试重根模态两者同时出现，由于压电陶瓷片位置选择周向任意，导致压力信号转化为电信号的信号质量离散性大。以上缺陷振动筒压力传感器不仅使传感器合格率降低，而且影响传感器的性能。
本发明提供一种9mm压电激励振动筒传感器振型选择和压电陶瓷片贴片位置选择的方法，解决任意进行振型选择和压电片贴片位置选择，给振动筒压力传感器生产合格率和产品性能带来的问题。
通过对振动筒压力传感器理论建模仿真和采用激光测振仪模态检测，可以发现振动筒压力传感器振动筒敏感元件在相当灵敏度、低能级存在两个振型相同，相位相差30度，频率分别为f1和f2的模态，f1和f2相差几Hz。
按振动理论分析具有轴对称结构的振动筒具有典型的重根模态特征，重根模态是指模态频率相同(特征值相同，为运动方程的重根)，模态振型也相同，但是相同的振型之间有一定的角度差，相当于一个振型围绕对称轴旋转了一定角度成为了另一个模态频率所对应的模态振型。理论上的重根模态应该是频率完全相同，振型也完全相同，但振型之间有角度差。现实世界中，由于材料本身致密性不均匀，结构内部有气泡、裂纹等原因，或者不对称的开孔、或者测量时布置有重量的传感器等等原因，在一定程度上破坏了结构的对称性。因此，现实世界中的重根模态频率会存在频率差(几Hz或10几Hz等)，振型看起来仍相同，但旋转了一定角度。
从图1可以看出在振动筒敏感元件周向模态形成波峰、波谷和波节。在同一坐标系中给出上面重根模态轴向看进去的轮廓图如图1所示。
重根模态围绕振动筒周向的法向在振动，其中一个模态的波峰或波谷对应第二个模态的波节，压电片贴在其中一个模态的波峰或波谷，意味着贴在另一个模态的波节，由于波节振动能量为零，这样在开环检测过程中只能检测到一个模态，在波峰或波谷振动能量最强，意味着压电片输出能量最高，压力信号转换为电信号时电信号质量最强，传感器抗干扰能力最强。
将重根模态理论应用于振动筒轴对称结构进行分析后，找到双频产生的规律，通过激光三维测振仪测试出振型分布规律，再对振幅能量最强点进行标记，可以准确给出要选取的振型和压电片的贴片位置，这样有效的提高传感器性能和传感器生产合格率。
技术方案
一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法步骤如下：
(7)将激光测振仪进行激光位置校准；
(8)将被测振动筒垂直安装于三维激光测振仪校正装置；
(9)对被测振动筒施加激励信号，使振动筒处于谐振状态；
(10)用激光测振仪扫描振动筒圆柱体面的振动参数：频率、相位和幅值；
(11)通过激光测振仪分析软件计算出振动筒柱面振型分布图形；
(12)依据振动筒振型分布图形选定波峰或波谷、波节位置，用激光再次定点扫描波峰或波谷、波节坐标，用记号笔在振动筒上标注相应位置；
(13)选定其中一个频率f1振型波节所对应的重根模态所对应的频率f2振型的波峰位置，
确定为压电陶瓷片A的起始位置，周向180°对称位置为压电陶瓷片B的位置。
所述(6)中波节位置具体为谐振振幅最大点为波峰或波谷；
上述谐振振幅为零点为波节。
所述(7)选择波峰相对较大的位置。
所述振动筒为轴对称形式。
所述压电陶瓷片A、压电陶瓷片B，可以用电感线圈A和电感线圈B替换。
所述激光测振仪为一维、二维或三维其中一种。
所述的贴片位置选择方法还可以应用在轴对称的振模压力传感器上的贴片位置选择。
技术效果
将上述方案应用于振动筒贴片前的测试准备中，有效的提高传感器性能和传感器生产合格率，传感器贴片合格率从原有的50％左右提升至80％。实测图型见图3。
附图说明
图1为重根模态轴向轮廓图
图2为贴片位置选择方法流程图
图3为重根模态轴向实测图
具体实施方式
结合本发明发的技术方案和说明书附图，对本申请做进一步说明：
方法步骤如下：
(1)将激光测振仪进行激光位置校准；
(2)将被测振动筒垂直安装于三维激光测振仪校正装置；
(3)对被测振动筒施加激励信号，使振动筒处于谐振状态；
(4)用激光测振仪扫描振动筒圆柱体面的振动参数：频率、相位和幅值；
(5)通过激光测振仪分析软件计算出振动筒柱面振型分布图形；
(6)依据振动筒振型分布图形选定波峰或波谷、波节位置，用激光再次定点扫描波峰或波谷、波节坐标，用记号笔在振动筒上标注相应位置；
(7)选定其中一个频率f1振型波节所对应的重根模态所对应的频率f2振型的波峰位置，
确定为压电陶瓷片A的起始位置，周向180°对称位置为压电陶瓷片B的位置。
通过对振动筒压力传感器理论建模仿真和采用激光测振仪模态检测，可以发现振动筒压力传感器振动筒敏感元件在相当灵敏度、低能级存在两个振型相同，相位相差30度，频率分别为f1和f2的模态，f1和f2相差几Hz。
按振动理论分析具有轴对称结构的振动筒具有典型的重根模态特征，重根模态是指模态频率相同(特征值相同，为运动方程的重根)，模态振型也相同，但是相同的振型之间有一定的角度差，相当于一个振型围绕对称轴旋转了一定角度成为了另一个模态频率所对应的模态振型。理论上的重根模态应该是频率完全相同，振型也完全相同，但振型之间有角度差。现实世界中，由于材料本身致密性不均匀，结构内部有气泡、裂纹等原因，或者不对称的开孔、或者测量时布置有重量的传感器等等原因，在一定程度上破坏了结构的对称性。因此，现实世界中的重根模态频率会存在频率差(几Hz或10几Hz等)，振型看起来仍相同，但旋转了一定角度。
从图1可以看出在振动筒敏感元件周向模态形成波峰、波谷和波节。在同一坐标系中给出上面重根模态轴向看进去的轮廓图如图1所示。
重根模态围绕振动筒周向的法向在振动，其中一个模态的波峰或波谷对应第二个模态的波节，压电片贴在其中一个模态的波峰或波谷，意味着贴在另一个模态的波节，由于波节振动能量为零，这样在开环检测过程中只能检测到一个模态，在波峰或波谷振动能量最强，意味着压电片输出能量最高，压力信号转换为电信号时电信号质量最强，传感器抗干扰能力最强。
将重根模态理论应用于振动筒轴对称结构进行分析后，找到双频产生的规律，通过激光三维测振仪测试出振型分布规律，再对振幅能量最强点进行标记，可以准确给出要选取的振型和压电片的贴片位置，这样有效的提高传感器性能和传感器生产合格率。

Claims (8)

1.一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，步骤如下：
(1)将激光测振仪进行激光位置校准；
(2)将被测振动筒垂直安装于三维激光测振仪校正装置；
(3)对被测振动筒施加激励信号，使振动筒处于谐振状态；
(4)用激光测振仪扫描振动筒圆柱体面的振动参数：频率、相位和幅值；
(5)通过激光测振仪分析软件计算出振动筒柱面振型分布图形；
(6)依据振动筒振型分布图形选定波峰或波谷、波节位置，用激光再次定点扫描波峰或波谷、波节坐标，用记号笔在振动筒上标注相应位置；
(7)选定其中一个频率f1振型波节所对应的重根模态所对应的频率f2振型的波峰位置，确定为压电陶瓷片A的起始位置，周向180°对称位置为压电陶瓷片B的位置。
2.根据权利要求1所述的一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，所述(6)中波节位置具体为谐振振幅最大点为波峰或波谷。
3.根据权利要求2所述的一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，上述谐振振幅为零点为波节。
4.根据权利要求1所述的一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，所述(7)中选择波峰相对较大的位置。
5.根据权利要求1所述的一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，所述振动筒为轴对称形式。
6.根据权利要求1所述的一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，所述压电陶瓷片A、压电陶瓷片B，可用电感线圈A和电感线圈B替换。
7.根据权利要求1所述的一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，所述激光测振仪为一维、二维或三维其中一种。
8.根据权利要求1所述的一种压电激励振动筒传感器的贴片位置选择方法，其特征在于，所述的贴片位置选择方法还可以应用在轴对称的振模压力传感器上的贴片位置选择。
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