CN112113732A - 一种轴定式预应力可控的振动激励方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法及装置，属于振动计量技术领域。本发明采用共轴式预应力可控的振动激励方式，第一压电叠堆为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，推动激振台面产生正弦规律的振动；第二压电叠堆为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，为第一压电叠堆产生量值可控的预应力。本发明以两个压电叠堆共同作用的带螺纹的轴作为弹性体产生的伸缩，产生轴定式预应力可控的振动激励波形，实现高质量振动激励。本发明能够避免由于预应力的变化和不准等造成的拉压载荷能力不均衡问题，以及避免由此带来的振动波形质量不高的问题。

Description

一种轴定式预应力可控的振动激励方法与装置
技术领域
本发明涉及一种轴定式预应力可控的振动激励方法与装置，属于振动测量技术领域。
背景技术
振动激励装置是振动计量校准的核心，其难点在于高频振动激励的产生比较困难。自从出现了以压电叠堆为核心的PZT压电激励装置后，人们可以将振动激励的频率范围从电磁激振台的50kHz左右拓展到压电激振台100kHz左右；仍然存在的问题包括，使用压电叠堆产生振动激励时，其伸缩力值很不对称，承压能力较强，而抗拉能力很低，为了改善该方面性能，通常要求压电叠堆工作在一定量值的预应力下，以此获得比较均衡的拉、压负载能力，以及较为良好的振动波形。
给工作在振动状态的压电激振装置施加预应力是一项比较困难的事，初始加载的预应力值在激励装置振动过程中，以及经过一段时间的工作后，由于材料、结构的老化、屈服效应等，均可能产生变化，很难保证其预应力的量值稳定可控。从而影响高频激振装置的波形质量和量值准确度。
发明内容
针对以压电叠堆产生高频振动激励中，预应力值的测量控制问题，本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法与装置要解决的技术问题是：使用共轴的双压电叠堆进行串联，产生正弦振动的压电叠堆的预应力可调可控，并且预应力可控的振动激励能够在后续使用过程中保持不变，从而获得高质量的振动激励波形，实现高质量振动激励。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法，使用共轴的双压电叠堆进行串联，一个压电叠堆使用直流电压驱动，用于产生和控制两个压电叠堆的预应力，另外一个压电叠堆使用正弦电压波形驱动控制伸缩，用于产生确定频率和幅度的正弦振动激励波形，实现高质量振动激励。
以两个压电叠堆共同作用的带螺纹的轴作为弹性体产生的伸缩，最终产生轴定式预应力可控的振动激励。
振动激励参考点为带螺纹的轴端点，处于两个压电叠堆的同一侧，因而，轴定式预应力可控的振动激励装置的弹性体为带螺纹的轴，压电叠堆主要起功率驱动作用。
本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励装置，主要由激振台面、第一压电叠堆、第二压电叠堆、第一圆环形金属垫片、第二圆环形金属垫片、圆环形负荷传感器、带螺纹的环形金属垫片、带螺纹的轴、低通滤波器、测力仪、电子计算机、直流信号源、第一功率放大器、电感线圈、第二功率放大器、正弦信号发生器组成。
激振台面为金属圆盘形平台，用作振动激励台面；第一压电叠堆为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，以推动激振台面产生正弦规律的振动。第二压电叠堆为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，为第一压电叠堆产生量值可控的预应力。第一圆环形金属垫片和第二圆环形金属垫片均为圆环形金属圆盘，用于均匀承载压电叠堆之间的应力载荷，并将其均匀施加到圆环形负荷传感器上。圆环形负荷传感器用于对第一压电叠堆的预应力进行测量，便于进行定量闭环控制。带螺纹的轴为金属弹性体，一端与激振台面紧密相连成一体，通过带螺纹的环形金属垫片的紧固和第二压电叠堆的伸缩产生预应力，另一端通过螺纹旋紧固定在支撑体上；带螺纹的轴自身在第一压电叠堆的作用下产生驱动激振台面的正弦振动；带螺纹的环形金属垫片为中心有螺纹通孔的圆环形金属圆盘，用作均匀承载第二压电叠堆与带螺纹的轴之间的应力载荷，并保护第二压电叠堆。低通滤波器用于滤除圆环形负荷传感器获得的信号中的交流成分，仅保留直流分量，用于预应力测量。测力仪用于测量预应力。电子计算机用作获得预应力值，并以此调控直流信号源的输出量值，使测力仪测量获得的预应力值保持在设定的目标值。第一功率放大器用于对第二压电叠堆进行功率驱动，以产生设定的预应力。正弦信号发生器用于产生正弦振动所需的电信号。第二功率放大器用于给正弦信号发生器产生的信号进行功率放大，以便能够有效驱动第一压电叠堆，产生所需要的振动激励。电感线圈用于调整第一压电叠堆和第二功率放大器之间的阻抗匹配，以便顺利执行功率驱动。
本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励装置的装配及工作方法为：
将连为一体的激振台面和带螺纹的轴，依次穿入第一压电叠堆、第一圆环形金属垫片、圆环形负荷传感器、第二圆环形金属垫片、第二压电叠堆，并用带螺纹的环形金属垫片旋紧，成为一个整体，用带螺纹的轴的螺纹紧固到支撑体上。
通过电子计算机设定预应力值，并调控直流信号源输出的直流量值，通过第一功率放大器施加到第二压电叠堆，控制第二压电叠堆的伸缩产生预应力，该预应力通过带螺纹的环形金属垫片支撑，通过第二圆环形金属垫片、圆环形负荷传感器、第一圆环形金属垫片，施加给第一压电叠堆；同时，被圆环形负荷传感器测量获取预应力信号，该预应力信号经过低通滤波器滤波后，进入测力仪获得测量值，然后被电子计算机读取，电子计算机经过将读取的预应力值测量结果和目标设定值进行差异比较，然后重新调整直流信号源输出的直流量值，直至两者的差异小于约定的范围后，完成预应力控制迭代过程。
正弦信号发生器输出振动激励所需频率和幅度的正弦信号，施加给第二功率放大器，通过电感线圈进行阻抗匹配调节后，施加到第一压电叠堆，以此控制第一压电叠堆产生伸缩，驱动激振台面产生所需的正弦振动激励，预应力可控的振动激励波形，实现高质量振动激励。
有益效果：
1、本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法及装置，使用两只共轴压电叠堆串联方式，一个压电叠堆使用直流电压驱动，用于产生和控制两个压电叠堆的预应力，另外一个压电叠堆使用正弦电压波形驱动控制伸缩，用于产生确定频率和幅度的正弦振动激励，实现高质量振动激励，从而避免压电叠堆产生振动波形激励时由于预应力的变化和不准等造成的拉压载荷能力不均衡问题，以及由此带来的振动波形质量不高的问题。本发明能够获得更加均衡的振动负载能力。
2、本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法及装置，第一压电叠堆为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，以推动激振台面产生正弦规律的振动。第二压电叠堆为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，为第一压电叠堆产生量值可控的预应力。所述第一压电叠堆和第二压电叠堆形状结构能够实现共轴压电叠堆串联方式，便于第一压电叠堆、第二压电叠堆利用压电效应产生的伸缩运动，通过共轴压电叠堆串联方式产生高质量的高频振动激励波形，实现高质量振动激励。
3、本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法及装置，以两个压电叠堆共同作用的带螺纹的轴作为弹性体产生的伸缩，最终产生轴定式预应力可控的振动激励。
4、本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法及装置，振动激励参考点为带螺纹的轴端点，处于两个压电叠堆的同一侧，因而，轴定式预应力可控的振动激励装置的弹性体为带螺纹的轴，压电叠堆主要起功率驱动作用。
5、本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励方法及装置，其激振主体部分可放置于水下，可用于在水下环境下产生振动激励。
附图说明
图1为本发明公开的一种轴定式预应力可控的振动激励装置的结构示意图。
其中：1—激振台面、2—第一压电叠堆、3—第一圆环形金属垫片、4—圆环形负荷传感器、5—第二圆环形金属垫片、6—第二压电叠堆、7—带螺纹的环形金属垫片、8—带螺纹的轴、9—低通滤波器、10—测力仪、11—电子计算机、12—直流信号源、13—第一功率放大器、14—电感线圈、15—第二功率放大器、16—正弦信号发生器。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种轴定式预应力可控的振动激励装置，主要由激振台面1、第一压电叠堆2、第二压电叠堆6、第一圆环形金属垫片3、第二圆环形金属垫片5、圆环形负荷传感器4、带螺纹的环形金属垫片7、带螺纹的轴8、低通滤波器9、测力仪10、电子计算机11、直流信号源12、第一功率放大器13、电感线圈14、第二功率放大器15、正弦信号发生器16组成。
激振台面1为金属圆盘形平台，用作振动激励台面；第一压电叠堆2为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，以推动激振台面1产生正弦规律的振动。第二压电叠堆6为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，为第一压电叠堆2产生量值可控的预应力。第一圆环形金属垫片3和第二圆环形金属垫片5均为圆环形金属圆盘，用于均匀承载压电叠堆之间的应力载荷，并将其均匀施加到圆环形负荷传感器4上。圆环形负荷传感器4用于对第一压电叠堆2的预应力进行测量，便于进行定量闭环控制。带螺纹的轴8为金属弹性体，一端与激振台面1紧密相连成一体，通过带螺纹的环形金属垫片7的紧固和第二压电叠堆6的伸缩产生预应力，另一端通过螺纹旋紧固定在支撑体上；带螺纹的轴8自身在第一压电叠堆2的作用下产生驱动激振台面1的正弦振动；带螺纹的环形金属垫片7为中心有螺纹通孔的圆环形金属圆盘，用作均匀承载第二压电叠堆6与带螺纹的轴8之间的应力载荷，并保护第二压电叠堆6。低通滤波器9用于滤除圆环形负荷传感器4获得的信号中的交流成分，仅保留直流分量，用于预应力测量。测力仪10用于测量预应力。电子计算机11用作获得预应力值，并以此调控直流信号源12的输出量值，使测力仪10测量获得的预应力值保持在设定的目标值。第一功率放大器13用于对第二压电叠堆6进行功率驱动，以产生设定的预应力。正弦信号发生器16用于产生正弦振动所需的电信号。第二功率放大器15用于给正弦信号发生器16产生的信号进行功率放大，以便能够有效驱动第一压电叠堆2，产生所需要的振动激励。电感线圈14用于调整第一压电叠堆2和第二功率放大器15之间的阻抗匹配，以便顺利执行功率驱动。
本实施例公开的一种轴定式预应力可控的振动激励装置的装配及工作方法为：
将连为一体的激振台面1和带螺纹的轴8，依次穿入第一压电叠堆2、第一圆环形金属垫片3、圆环形负荷传感器4、第二圆环形金属垫片5、第二压电叠堆6，并用带螺纹的环形金属垫片7旋紧，成为一个整体，用带螺纹的轴8的螺纹紧固到支撑体上。各个部分接线如图所示。
通过电子计算机11设定预应力值，并调控直流信号源12输出的直流量值，通过第一功率放大器13施加到第二压电叠堆6，控制第二压电叠堆6的伸缩产生预应力，该预应力通过带螺纹的环形金属垫片7支撑，通过第二圆环形金属垫片5、圆环形负荷传感器4、第一圆环形金属垫片3，施加给第一压电叠堆2；同时，被圆环形负荷传感器4测量获取预应力信号，该预应力信号经过低通滤波器9滤波后，进入测力仪10获得测量值，然后被电子计算机11读取，电子计算机11经过将读取的预应力值测量结果和目标设定值进行差异比较，然后重新调整直流信号源12输出的直流量值，直至两者的差异小于约定的范围后，完成预应力控制迭代过程。
正弦信号发生器16输出振动激励所需频率和幅度的正弦信号，施加给第二功率放大器15，通过电感线圈14进行阻抗匹配调节后，施加到第一压电叠堆2，以此控制第一压电叠堆2产生伸缩，驱动激振台面1产生所需的正弦振动激励，预应力可控的振动激励波形，实现高质量振动激励。
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 (5)

1.一种轴定式预应力可控的振动激励方法，其特征在于：使用共轴的双压电叠堆进行串联，一个压电叠堆使用直流电压驱动，用于产生和控制两个压电叠堆的预应力，另外一个压电叠堆使用正弦电压波形驱动控制伸缩，用于产生确定频率和幅度的正弦振动激励波形，实现高质量振动激励。
2.如权利要求1所述的一种轴定式预应力可控的振动激励方法，其特征在于：以两个压电叠堆共同作用的带螺纹的轴作为弹性体产生的伸缩，最终产生轴定式预应力可控的振动激励。
3.如权利要求1所述的一种轴定式预应力可控的振动激励方法，其特征在于：振动激励参考点为带螺纹的轴端点，处于两个压电叠堆的同一侧，因而，轴定式预应力可控的振动激励装置的弹性体为带螺纹的轴，压电叠堆主要起功率驱动作用。
4.一种轴定式预应力可控的振动激励装置，其特征在于：主要由激振台面(1)、第一压电叠堆(2)、第二压电叠堆(6)、第一圆环形金属垫片(3)、第二圆环形金属垫片(5)、圆环形负荷传感器(4)、带螺纹的环形金属垫片(7)、带螺纹的轴(8)、低通滤波器(9)、测力仪(10)、电子计算机(11)、直流信号源(12)、第一功率放大器(13)、电感线圈(14)、第二功率放大器(15)、正弦信号发生器(16)组成；
激振台面(1)为金属圆盘形平台，用作振动激励台面；第一压电叠堆(2)为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，以推动激振台面(1)产生正弦规律的振动；第二压电叠堆(6)为由圆环片形压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的圆柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，为第一压电叠堆(2)产生量值可控的预应力；第一圆环形金属垫片(3)和第二圆环形金属垫片(5)均为圆环形金属圆盘，用于均匀承载压电叠堆之间的应力载荷，并将其均匀施加到圆环形负荷传感器(4)上；圆环形负荷传感器(4)用于对第一压电叠堆(2)的预应力进行测量，便于进行定量闭环控制；带螺纹的轴(8)为金属弹性体，一端与激振台面(1)紧密相连成一体，通过带螺纹的环形金属垫片(7)的紧固和第二压电叠堆(6)的伸缩产生预应力，另一端通过螺纹旋紧固定在支撑体上；带螺纹的轴(8)自身在第一压电叠堆(2)的作用下产生驱动激振台面(1)的正弦振动；带螺纹的环形金属垫片(7)为中心有螺纹通孔的圆环形金属圆盘，用作均匀承载第二压电叠堆(6)与带螺纹的轴(8)之间的应力载荷，并保护第二压电叠堆(6)；低通滤波器(9)用于滤除圆环形负荷传感器(4)获得的信号中的交流成分，仅保留直流分量，用于预应力测量；测力仪(10)用于测量预应力；电子计算机(11)用作获得预应力值，并以此调控直流信号源(12)的输出量值，使测力仪(10)测量获得的预应力值保持在设定的目标值；第一功率放大器(13)用于对第二压电叠堆(6)进行功率驱动，以产生设定的预应力；正弦信号发生器(16)用于产生正弦振动所需的电信号；第二功率放大器(15)用于给正弦信号发生器(16)产生的信号进行功率放大，以便能够有效驱动第一压电叠堆(2)，产生所需要的振动激励；电感线圈(14)用于调整第一压电叠堆(2)和第二功率放大器(15)之间的阻抗匹配，以便顺利执行功率驱动。
5.如权利要求4所述的一种轴定式预应力可控的振动激励装置，其特征在于：装配及工作方法为，
将连为一体的激振台面(1)和带螺纹的轴(8)，依次穿入第一压电叠堆(2)、第一圆环形金属垫片(3)、圆环形负荷传感器(4)、第二圆环形金属垫片(5)、第二压电叠堆(6)，并用带螺纹的环形金属垫片(7)旋紧，成为一个整体，用带螺纹的轴(8)的螺纹紧固到支撑体上；
通过电子计算机(11)设定预应力值，并调控直流信号源(12)输出的直流量值，通过第一功率放大器(13)施加到第二压电叠堆(6)，控制第二压电叠堆(6)的伸缩产生预应力，该预应力通过带螺纹的环形金属垫片(7)支撑，通过第二圆环形金属垫片(5)、圆环形负荷传感器(4)、第一圆环形金属垫片(3)，施加给第一压电叠堆(2)；同时，被圆环形负荷传感器(4)测量获取预应力信号，该预应力信号经过低通滤波器(9)滤除交流成分后，进入测力仪(10)获得测量值，然后被电子计算机(11)读取，电子计算机(11)经过将读取的预应力值测量结果和目标设定值进行差异比较，然后重新调整直流信号源(12)输出的直流量值，直至两者的差异小于约定的范围后，完成预应力控制迭代过程；
正弦信号发生器(16)输出振动激励所需频率和幅度的正弦信号，施加给第二功率放大器(15)，通过电感线圈(14)进行阻抗匹配调节后，施加到第一压电叠堆(2)，以此控制第一压电叠堆(2)产生伸缩，驱动激振台面(1)产生所需的正弦振动激励，预应力可控的振动激励波形，实现高质量振动激励。
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