CN111237379A - 一种压电型振动冲击隔离缓冲器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密震动隔离缓冲装置或结构技术领域，尤其涉及一种压电型振动冲击隔离缓冲器。包括设置在振动平台与被隔离对象之间的压电片；压电片一端接地，另一端分别通过开关Ks和Kp连接至第一支路和第二支路；打开Kp，关闭Ks，压电型振动冲击隔离缓冲器统隔离振动信号的频率将向低频移动，低频信号增益极大，使得能量衰减极快。打开Ks关闭Kp，压电型振动冲击隔离缓冲器统隔离振动信号的频率将向高频移动，高频信号增益极大，使得能量衰减极快。打开Ks和Kp，压电系统将具有两个共振频率。本发明结构简单易于微型化、能隔离外界微振动微冲击、易于调节缓冲频率以及振动冲击缓冲频带宽。

Description

一种压电型振动冲击隔离缓冲器
技术领域
本发明属于精密震动隔离缓冲装置或结构技术领域，尤其涉及一种压电型振动冲击隔离缓冲器。
背景技术
在精密加工制造、微纳米技术中，为达到极高的尺寸精度，需要一种对外界微振动微冲击隔离的器件，需要结构紧凑且微型化，为隔离外界变化的振动频率或隔离冲击影响，要求这种缓冲器隔离频率具有可调节特性，有时还要求具有较大的缓冲带宽。虽然市场上出现了众多不同类型或结构的隔振减震装置，包括螺旋弹簧、气囊等。采用螺旋弹簧的系统存在着无法抑制低频振动的问题。采用气囊的减振系统虽然可以有效抑制低频振动，但其体积大、尺寸精度难以控制，不利于用在精密小型设备中。另外，单独的螺旋弹簧或气囊等都是被动隔振元件，即它们不需要消耗外部能量，但无法主动根据外界振动情况进行振动抑制，也无法抑制直接作用于受保护设备的振动，并且无法主动进行定位调节。被动隔振元件与传感器、作动器结合可以构成主动减振装置，其传感器常采用速度或加速度传感器，作动器常采用电机，气缸等。受传感器、作动器体积的限制，对于需要微幅精密减振的小型设备而言，这种主动减振装置结构复杂，体积较大，无法满足精密加工制造的种种苛刻要求。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种结构简单易于微型化、能隔离外界微振动微冲击、易于调节缓冲频率、振动冲击缓冲频带宽，并可改变缓冲频率、频带与阻尼比，用于微纳米技术、精密支撑及加工制造等领域的压电型振动冲击隔离缓冲器。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种压电型振动冲击隔离缓冲器，包括设置在振动平台与被隔离对象之间的压电片；还包括与压电片连接的分流电路，所述分流电路包括第一支路和第二支路；
压电片一端接地，另一端分别通过开关Ks和Kp连接至第一支路和第二支路；
第一支路中，开关Ks的另一端连接电阻R0s、电容C0s以及运算放大器As的反相输入端，电阻R0s、电容C0s的另一端与运算放大器As的输出端连接，电阻R2s一端接地，另一端连接电阻R1s及运算放大器As的同相输入端，电阻R1s的另一端与运算放大器As的输出端连接；
第二支路中，开关的另一端连接电容C0p以及运算放大器Ap的正相输入端，电容C0p的另外一端与可调电阻R0p连接，可调电阻R0p的另外一端与运算放大器Ap的输出端连接，电阻R2p一端接地，另一端连接可调电阻R1p及运算放大器Ap的反相输入端，可调电阻R1p的另一端与运算放大器Ap的输出端连接。
对前述压电型振动冲击隔离缓冲器的进一步改进，在用于隔离低于压电片谐振频率的振动信号的时候，闭合Ks使压电片接入第一支路，断开Kp使压电片与第二支路断开。压电片Cp在常应力下电容为
Figure BDA0002364568340000021
k33为压电片机电耦合系数，此时压电片与分支电路形成的等效负电容串联，其值为Cns＝-(R1s/R2s)C0s，设电容比为
Figure BDA0002364568340000022
当δs从0向-1变化时，压电型振动冲击隔离缓冲器统等效刚度特性变小，即系统变软，压电型振动冲击隔离缓冲器隔离振动信号Uo的频率将向低频移动，低频信号增益极大，使得能量衰减极快。
对前述压电型振动冲击隔离缓冲器的进一步改进，在用于隔离高于压电片谐振频率的振动信号的时候，闭合Kp使压电片接入第二支路，断开Ks使压电片与第一支路断开。此时压电片与分支电路形成的负电容并联，其值为Cnp＝-(R1p/R2p)C0p，设电容比为
Figure BDA0002364568340000023
当δp从
Figure BDA0002364568340000024
向负无穷变化时，系统等效刚度特性变大，具有变硬特性，压电型振动冲击隔离缓冲器隔离振动信号Uo的频率将向高频移动，高频信号增益极大，使得能量衰减极快。
作为对前述压电型振动冲击隔离缓冲器的进一步改进，同时关闭Kp和Ks，此时分支电路形成了两个负电容Cns和Cnp，压电系统将具有两个共振频率，其一小于压电片开路固有频率，另一频率大于压电片开路固有频率，压电型振动冲击隔离缓冲器统可在这两个高低频率上对振动快速衰减。
对前述压电型振动冲击隔离缓冲器的进一步改进，该缓冲器中的压电片可以采用PZT、PVF2等材料的压电片，优先选择机电耦合系数大于0.1的材料，缓冲器中的运算放大器在高频工作时的电压增益应大于10，放大器频率范围根据隔振抗冲频率选择如10Hz-20kHz。优先选择温度系数达到小于±50×10^(-6)/℃的电容及温漂小于50ppm的电阻，可调电阻选择调节精度≤0.001Ω的电阻，并限制在一定范围内调节以避免系统的不稳定。
其有益效果在于：
本发明的压电型振动冲击隔离缓冲器可突破缓冲器频率范围限制，不需改变缓冲系统的机械结构，只要通过分支电路中电阻比例大小的调节，就可实现相对压电片固有频率的低频、高频和宽频下的振动隔离。也可以通过开关切换及电阻调节，进行振动信号的精确隔离。
本发明的压电型振动冲击隔离缓冲器对微弱的振动输入即可获得极大的衰减，这源于缓冲系统的信号电压增益大，这种电压增益源于分支电路形成的负电容，其一方面改变了压电型振动冲击隔离缓冲器的等效刚度特性，在较大的频率范围内等效刚度可变，同时分支电路本身具有电压信号放大作用，两者的同时作用使得电压信号增益极大，在宽频带上信号增益可达500以上，使得系统在微弱输入振动信号下电压高，从而有效产生系统阻尼，增强对该频率波的衰减。
本发明的压电型振动冲击隔离缓冲器采用多个叠加的方式用于振动冲击隔离，除了缓冲的中心频率可调外，振动隔离带宽也会增加，从而对缓冲中心频率附近较大频带带宽内信号均具有缓冲能力，因而一些具有频率变化或移动特征的信号也能进行缓冲。特别的是，该缓冲系统在可调共振频率范围内能隔离的波长比隔离单元物理尺度可大出数十上百倍以上。
附图说明
图1是压电型振动冲击隔离缓冲器原理示意图；
图2是压电片与分流电路的连接原理结构示意图；
图3是电容比与系统相对谐振频率之间的关系示意图；
附图说明：1-被隔离对象；2-压电片；3-分流电路；4-支撑平台。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
本发明提出了一种以压电片为承载体，在其两端连接分支电路的缓冲器结构，图1所示为该缓冲器用于隔离振动冲击的示意图，图中1为被隔离对象，2为压电片，3为压电片两端接入的分流电路Zsh，4为平台面，当平台面受振动冲击信号作用时，压电片感受振动作用产生电压信号，该信号受压电片与分支电路同时影响，迅速产生衰减，从而隔离该频率振动信号。
图2为压电片与分支电路Zsh连接原理结构图。压电片与分支电路连接的其中一个支路为：压电片一端接地，另一端接开关Ks，开关Ks的另一端连接电阻R0s、电容C0s以及运算放大器As的反相输入端，电阻R0s、电容C0s的另一端与运算放大器As的输出端连接，电阻R2s一端接地，另一端连接电阻R1s及运算放大器As的同相输入端，电阻R1s的另一端与运算放大器As的输出端连接。
压电片与分支电路连接的另一支路为：压电片一端接地，另一端接开关Kp，开关的另一端连接电容C0p以及运算放大器Ap的正相输入端，电容C0p的另外一端与可调电阻R0p连接，可调电阻R0p的另外一端与运算放大器Ap的输出端连接，电阻R2p一端接地，另一端连接可调电阻R1p及运算放大器Ap的反相输入端，可调电阻R1p的另一端与运算放大器Ap的输出端连接。
对于如图2所示的振动冲击缓冲系统结构，压电片Cp在常应力下电容为
Figure BDA0002364568340000041
k33为压电片机电耦合系数，闭合Ks，断开Kp，此时压电片与分支电路形成的等效负电容串联，其值为Cns＝-(R1s/R2s)C0s，设电容比为
Figure BDA0002364568340000042
当δs从0向-1变化时，压电型振动冲击隔离缓冲器统等效刚度特性变小，即系统变软，压电型振动冲击隔离缓冲器统隔离振动信号Uo的频率将向低频移动，低频信号增益极大，使得能量衰减极快。
如果闭合Kp，断开Ks，此时压电片与分支电路形成的负电容并联，其值为Cnp＝-(R1p/R2p)C0p，设电容比为
Figure BDA0002364568340000043
当δp从
Figure BDA0002364568340000044
向负无穷变化时，系统等效刚度特性变大，具有变硬特性，压电型振动冲击隔离缓冲器统隔离振动信号Uo的频率将向高频移动，高频信号增益极大，使得能量衰减极快。
如果同时闭合Kp和Ks，此时分支电路形成了两个负电容Cns和Cnp，压电系统将具有两个共振频率，其一小于压电片开路固有频率，另一频率大于压电片开路固有频率，压电型振动冲击隔离缓冲器可在这两个高低频率上对振动快速衰减。
图3所示为电容比与系统相对谐振频率之间的关系。设ω0为无外接电路时压电片开路固有谐振频率，η＝ω/ω0为相对谐振频率，为压电缓冲器的相对中心频率，当接入Cns支路，电容比δs从0向-1变化时，相对谐振频率将逐渐变小，而当接入Cnp支路时，电容比δp由
Figure BDA0002364568340000045
向负无穷变化时，系统相对谐振频率变大，可见相对谐振频率在不同电容比δ时具有较大变化，通过调节δ即可调节谐振频率。
基于前述结构该压电型振动冲击缓冲系统可突破缓冲器频率范围限制，不需改变缓冲系统的机械结构，只要通过分支电路中电阻比例大小的调节，就可实现相对压电片固有频率的低频、高频和宽频下的振动隔离。
本发明系统在微弱输入振动信号下电压高，从而有效产生系统阻尼，增强对该频率波的衰减。分路开关使得本发明可以在低频、高频不同频带工作，一方面可以在较宽频带范围内隔离振动，另一方面也可以通过开关切换及电阻调节，进行振动信号的精确隔离。由于负电容的接入，除了缓冲的中心频率可调外，振动隔离带宽也会增加，从而对缓冲中心频率附近的信号均具有缓冲能力，因而一些具有频率变化或移动特征的信号也能进行缓冲。特别的是，该缓冲系统在可调共振频率范围内能隔离的波长比隔离单元物理尺度可大出数十上百倍以上。
在较佳的实施方案中，压电片可以采用PZT、PVF2等材料，并优先选择机电耦合系数大于0.1的材料，缓冲器中的运算放大器在高频工作时的电压增益应大于10，放大器频率范围根据隔振抗冲频率选择如10Hz-20kHz。优先选择温度系数小于±50×10^(-6)/℃的电容及温漂小于50ppm的电阻，可调电阻优先选择调节精度≤0.001Ω的电阻，并限制在一定范围内调节以避免系统的不稳定。
实施例1：
压电片采用PZT-5H，其参数为
Figure BDA0002364568340000051
k33＝0.3，运算放大器A1采用OPA445，关闭Ks，打开Kp，C0s＝1nF，R0s＝1MΩ，R2s＝10kΩ，R1s为100kΩ可调电阻，此时压电片与电路的连接为串联结构，调节电阻R1s＝31.25kΩ；电容比δs＝-0.96时，相对中心频率η为0.5625；调节电阻R1s＝50kΩ，电容比δs＝-0.6。
基于前述结构，本发明的压电型振动冲击隔离缓冲器的相对的振动隔离频率为0.9386。可以通过调节电阻，方便快捷地在0.5ω0—ω0的范围内调节隔振中心频率，其中ω0为压电片开路自然频率，压电型振动冲击隔离缓冲器的隔振效率可达80％以上，位移精度可达微米级，相比于传统隔离缓冲器，该隔振抗冲系统隔离精度极高，而且相比于弹簧或气囊隔振器低频隔振频率调节更为方便，体积更小。
实施例2：
压电片采用PZT-5A，其参数为
Figure BDA0002364568340000052
k33＝0.2，运算放大器A2采用OPA445，关闭Kp，打开Ks，C0p＝1nF，R0p＝1MΩ，R2p＝10kΩ，R1p为100kΩ可调电阻，此时压电片与电路的连接为并联结构，调节电阻R1p＝25kΩ，电容比δp＝-1.2时，相对中心频率为1.1471；调节电阻R1p＝20kΩ，电容比δp＝-1.5时，相对的振动隔离频率为1.066。
基于前述结构，本发明的压电型振动冲击隔离缓冲器，方便的在ω0—1.5ω0的范围内调节隔振中心频率，其中ω0为压电片开路自然频率，且隔振效率可达60％以上，位移精度可达微米级，相比于传统隔离缓冲器毫米级，该隔振抗冲系统精度极高，而且相比于现有主动隔振器结构极简、体积极小、高频隔振频率调节更为方便、成本更低。
实施例3：
压电片采用聚偏氟乙烯PVF2压电薄膜，其参数为
Figure BDA0002364568340000061
k31＝0.1，运算放大器A1和A2均采用AD844，同时关闭Kp和Ks，C0s＝C0p＝1nF，R0s＝R0p＝1MΩ，R2s＝R2p＝10kΩ，R1s＝R1p为100kΩ可调电阻。压电片与同时具有串联和并联支路结构，调节电阻R1s＝11kΩ，电容比δs＝-0.9091时，此时有相对中心频率为0.9535；调节电阻R1p＝8kΩ，电容比δp＝-1.25时，相对中心频率为1.0260。
基于前述结构，本发明的压电型振动冲击隔离缓冲器可以通过调节电阻，方便的在0.5ω0—1.5ω0的范围内调节隔振中心频率，其中ω0为压电片开路自然频率，且隔振效率可达50％以上，位移精度可达微米级。相比于传统冲击隔离缓冲器的毫米级，该隔振抗冲系统精度极高，而且相比于现有主动隔振器频率调节更为方便，多支路下可形成较大隔离带宽，且频率及带宽调节容易、结构更简单、体积更小、成本更低。
特别的，还可以应用多个本发明所述的压电型振动冲击隔离缓冲器的叠加，以增强缓冲效果，进一步增加隔离带宽、增强隔振效率。由于压电材料固有特性，具有极高的形变精度及与电压的变化关系，从而可用于隔离较为微弱的振动位移或振动力的变化情况，精度可达微纳级，可以获得较为精密的振动冲击隔离器。由于压电片及电路极易集成并微型化，该振动冲击隔离缓冲器对于高精度、微型化领域具有极大的应用价值。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种压电型振动冲击隔离缓冲器，其特征在于，包括设置在振动平台与被隔离对象之间的压电片；还包括与压电片连接的分流电路，所述分流电路包括第一支路和第二支路；
压电片一端接地，另一端分别通过开关Ks和Kp连接至第一支路和第二支路；
第一支路中，开关Ks的另一端连接电阻R0s、电容C0s以及运算放大器As的反相输入端，电阻R0s、电容C0s的另一端与运算放大器As的输出端连接，电阻R2s一端接地，另一端连接电阻R1s及运算放大器As的同相输入端，电阻R1s的另一端与运算放大器As的输出端连接；
第二支路中，开关的另一端连接电容C0p以及运算放大器Ap的正相输入端，电容C0p的另外一端与可调电阻R0p连接，可调电阻R0p的另外一端与运算放大器Ap的输出端连接，电阻R2p一端接地，另一端连接可调电阻R1p及运算放大器Ap的反相输入端，可调电阻R1p的另一端与运算放大器Ap的输出端连接。
2.根据权利要求1所述一种压电型振动冲击隔离缓冲器，其特征在于，在用于隔离低于压电片谐振频率的振动信号的时候，闭合Ks使压电片接入第一支路，断开Kp使压电片与第二支路断开。
3.根据权利要求1所述一种压电型振动冲击隔离缓冲器，其特征在于，在用于隔离高于压电片谐振频率的弹性波信号的时候，闭合Kp使压电片接入第二支路，断开Ks使压电片与第一支路断开。
4.根据权利要求1所述一种压电型振动冲击隔离缓冲器，其特征在于，在用于隔离具有频率变化或漂移特征的振动信号的时候，同时接入第一支路和第二支路，即同时闭合Kp和Ks，使压电片同时与两个支路连接。
5.根据权利要求1所述一种压电型振动冲击隔离缓冲器，其特征在于，该缓冲器中的压电片采用机电耦合系数大于0.1的压电片，缓冲器中的运算放大器在高频工作时的电压增益不小于10，放大器频率范围根据隔振抗冲频率；电容温度系数不超过±50×10^(-6)/℃，电阻温漂不超过50ppm，可调电阻调节精度≤0.001Ω。
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