CN111229577A - 微梁超谐波同步共振信号倍频调谐放大装置 - Google Patents

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Abstract

所述基于超谐波同步共振信号倍频调谐放大装置，包括静电激励振动装置、超谐波同步共振倍频信号调谐装置两部分。静电激励振动装置由低频微梁、低频压电控制块、固定端、静电驱动电极、底座、直流电压电源、信号源和导线组成。超谐波同步共振倍频信号调谐装置由低频微梁、低频压电控制块、固定端、高频压电控制块、高频微梁、信号采集传感器、耦合连接块和导线组成。设计适当的低频压电控制电压和高频压电控制电压，让低频微梁和高频微梁满足倍频同步条件，能实现倍频信号动态调谐，改变倍频信号的频率。

Description

微梁超谐波同步共振信号倍频调谐放大装置
技术领域
本发明专利是一种振动信号倍频放大装置，特别是一种微梁基于超谐波同步共振信号倍频调谐放大装置，属于振动信号发生领域。
背景技术
振动信号的提取广泛应用于机械振动研究、汽车系统、传感器等领域中。在振动信号的提取中，如何消除外部因素对信号的影响是决定信号精度的主要因素。基于信号倍频原理的倍频技术成为微波频率放大的主要方法之一，其电路和关键器件性能研究与制备成为近年来研究的焦点问题。但是，真空电子学信号源存在体积大、驱动电压高等问题；半导体电子学非线性电路产生幂级数信号，存在互调信号密集导致滤波困难和能量分散造成信噪比低的问题。超谐波共振和同步共振等都可实现倍频振动，还能实现振幅激增、能量耗散抑制等，提高传感器的性能指标。
发明内容
本发明针对振动信号难以提取的现状，提供一种振动信号提取的装置。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：所述基于超谐波同步共振信号倍频调谐放大装置，包括静电激励振动装置、超谐波同步共振倍频信号调谐装置两部分。所述静电激励振动装置由低频微梁、低频压电控制块、固定端、静电驱动电极、底座、直流电压电源、信号源和导线组成。所述低频微梁左端与固定端固定连接，右端与低频压电控制块固定连接，低频压电控制块与固定端固定连接；所述静电驱动电极位于低频微梁的正下方，固结于底座上，长度比低频微梁短一些；低频微梁的右端通过导线连接交流信号源的左端，交流信号源的左端通过导线连接直流电压电源上端，直流电压电源下端接地。
所述超谐波同步共振倍频信号调谐装置由低频微梁、低频压电控制块、固定端、高频压电控制块、高频微梁、信号采集传感器、耦合连接块和导线组成。所述高频微梁左端与固定端固定连接，右端与高频压电控制块固定连接，高频压电控制块与固定端固定连接；所述低频微梁左端与耦合连接块上端固定连接，耦合连接块下端与高频微梁固定连接；信号采集传感器粘贴固定在高频微梁上表面上，高频微梁振动时，信号采集传感器采集振动信号，经带通滤波器滤波后产生高频倍频信号。
低频微梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；当交流信号源激励频率接近于低频微梁固有频率三分之一时，低频微梁会产生超谐波共振；当高频微梁的固有频率为低频微梁固有频率N倍时，高频微梁与低频微梁产生同步共振，高频微梁产生激励频率3N倍的谐波振动，实现超谐波同步共振的倍频振动；信号采集传感器采集倍频振动信号，经带通滤波器滤波后产生高频倍频信号。
当向低频压电控制块施加控制电压时，低频压电控制块沿着低频微梁轴向产生轴向力，低频微梁在轴向力的作用下固有频率发生改变，达到频率调谐的作用；当向高频压电控制块施加控制电压时，高频压电控制块沿着高频微梁轴向产生轴向力，高频微梁在轴向力的作用下固有频率发生改变；设计适当的低频压电控制电压和高频压电控制电压，让低频微梁和高频微梁满足倍频同步条件，能实现倍频信号动态调谐，改变倍频信号的频率。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.静电驱动方法是一种无接触驱动方法，测量干扰因素少，测量灵敏度高。
2.基于超谐波和同步组合共振信号倍频放大调谐装置结构简单，能够与微机电芯片集成制造。
附图说明
图1微梁静电驱动装置图；；
图2微梁组合共振信号倍频装置图
图中，1、低频微梁 2、低频压电控制块 3、固定端 4、静电驱动电极 5、底座 6、直流电压电源 7、交流信号源 8、高频压电控制块 9、高频微梁 10、信号采集传感器 11、耦合连接块
具体实施方式
以下结合附图做作进一步详述：
本实施例的主体结构包括悬臂梁的静电激励振动装置、超谐波同步共振倍频信号调谐装置两部分。所述静电激励振动装置由低频微梁1、低频压电控制块2、固定端3、静电驱动电极4、底座5、直流电压电源6、信号源7和导线组成。所述低频微梁1左端与固定端3固定连接，右端与低频压电控制块2固定连接，低频压电控制块2与固定端3固定连接；所述静电驱动电极4位于低频微梁1的正下方，固结于底座5上，长度比低频微梁1短一些；低频微梁1的右端通过导线连接交流信号源7的左端，交流信号源7的左端通过导线连接直流电压电源6上端，直流电压电源6下端接地。
所述超谐波同步共振倍频信号提取装置由低频微梁1、低频压电控制块2、固定端3、高频压电控制块8、高频微梁9、信号采集传感器10、耦合连接块11和导线组成。所述高频微梁9左端与固定端3固定连接，右端与高频压电控制块8固定连接，高频压电控制块8与固定端3固定连接；所述低频微梁1左端与耦合连接块11上端固定连接，耦合连接块11下端与高频微梁9固定连接；信号采集传感器10粘贴固定在高频微梁9上表面上，高频微梁9振动时，信号采集传感器10采集振动信号，经带通滤波器滤波后产生高频倍频信号。
低频微梁1在交流信号激励作用下产生受迫振动；当交流信号源7激励频率接近于低频微梁1固有频率三分之一时，低频微梁1会产生超谐波共振；当高频微梁9的固有频率为低频微梁1固有频率N倍时，高频微梁9与低频微梁1产生同步共振，高频微梁9产生激励频率3N倍的谐波振动，实现超谐波同步共振的倍频振动；信号采集传感器10采集倍频振动信号，经带通滤波器滤波后产生高频倍频信号。
当向低频压电控制块2施加控制电压时，低频压电控制块2沿着低频微梁1轴向产生轴向力，低频微梁1在轴向力的作用下固有频率发生改变，达到频率调谐的作用；当向高频压电控制块8施加控制电压时，高频压电控制块8沿着高频微梁9轴向产生轴向力，高频微梁9在轴向力的作用下固有频率发生改变；设计适当的低频压电控制电压和高频压电控制电压，让低频微梁1和高频微梁9满足倍频同步条件，能实现倍频信号动态调谐，改变倍频信号的频率。
算例1：低频微梁1的一阶固有频率为3KHz，高频微梁9的一阶固有频率为9KHz，交流信号源7激励频为999.8Hz，交流信号激励低频微梁1产生超谐波共振，低频微梁1的三倍频振动频率为2999.4Hz；高频微梁9产生同步振动，其振动频率为8998.2Hz；信号采集传感器10采集倍频振动信号，经带通滤波器滤波后产生高频倍频信号。
算例2：低频微梁1的一阶固有频率为3KHz，在低频压电控制块2轴向拉力作用下其固有频率变为3.2KHz；高频微梁9的一阶固有频率为9KHz，在高频压电控制块8轴向拉力作用下其固有频率变为9.6KHz；低频交流信号源7激励频为1066Hz，接近低频微梁1的一阶固有频率为3.2KHz的三分之一，能激励低频微梁1产生超谐波共振，低频微梁1的超谐波共振振动频率为3198Hz；高频微梁9产生同步振动，其振动频率为9594Hz；信号采集传感器10采集倍频振动信号，经带通滤波器滤波后产生高频倍频信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。

Claims (2)

1.微梁超谐波同步共振信号倍频调谐放大装置，包括静电激励振动装置和超谐波同步共振倍频信号调谐装置两部分；所述超谐波同步共振倍频信号调谐装置由低频微梁(1)、低频压电控制块(2)、固定端(3)、高频压电控制块(8)、高频微梁(9)、信号采集传感器(10)、耦合连接块(11)和导线组成；所述高频微梁(9)左端与固定端(3)固定连接，右端与高频压电控制块(8)固定连接，高频压电控制块(8)与固定端(3)固定连接；所述低频微梁(1)左端与耦合连接块(11)上端固定连接，耦合连接块(11)下端与高频微梁(9)固定连接；信号采集传感器(10)粘贴固定在高频微梁(9)上表面上，高频微梁(9)振动时，信号采集传感器(10)采集振动信号，经带通滤波器滤波后产生高频倍频信号。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，当向低频压电控制块(2)施加控制电压时，低频压电控制块(2)沿着低频微梁(1)轴向产生轴向力，低频微梁(1)在轴向力的作用下固有频率发生改变，达到频率调谐的作用；当向高频压电控制块(8)施加控制电压时，高频压电控制块(8)沿着高频微梁(9)轴向产生轴向力，高频微梁(9)在轴向力的作用下固有频率发生改变；设计适当的低频压电控制电压和高频压电控制电压，让低频微梁(1)和高频微梁(9)满足倍频同步条件，能实现倍频信号动态调谐，改变倍频信号的频率。
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