CN112197692A - 一种动态应变激励方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种动态应变激励方法及装置，属于应变计量技术领域。本发明使用压电叠堆结合T形梁方式给超磁致伸缩材料棒施加量值可控的预应力，以电磁铁方式为超磁致伸缩材料棒施加交变磁场，驱动超磁致伸缩材料棒产生伸缩运动，从而在超磁致伸缩材料棒侧壁产生动态应变波形，用于给电阻应变片提供高质量的动态应变激励；本发明使用压电叠堆结合超磁致伸缩棒的工作方式，以超磁致伸缩棒产生正弦波形变化的动态应变激励，利用其电磁弹性效应，在其侧面获得动态应变，以压电叠堆通过杠杆原理产生预应力值，以闭环负反馈方式进行精确的量值调控，从而实现超磁致伸缩棒产生动态应变波形激励时预应力的加载和精确控制。

Description

一种动态应变激励方法及装置
技术领域
本发明涉及一种动态应变激励方法及装置，属于应变计量技术领域。
背景技术
应变激励装置是应变计量校准的核心，通常使用加载驱动应变梁的方式产生应变量值，有众多理论和技术研究成果，多数侧重于静态应变和应力的产生，对于动态应变的产生比较困难，其难点之一着重体现在动态应变激励源的实现中。使用振动台加载驱动应变梁的方式产生动态应变量值一直是技术选择之一，由于需要驱动应变梁，导致振动台的负载较大，使得应变量程、频率范围等均受到较大限制，很难实现较大量程、较宽频率范围的激励。涉及到水下等特殊环境下的动态应变激励的产生更加困难。
自从出现了以超磁致伸缩为核心的振动激励装置后，为人们使用其产生动态应变激励提供了技术可能，并可以适应高压水下等特殊环境。但由于超磁致伸缩材料工作时与需要在一定的预应力条件下才能产生良好的伸缩均衡的波形，而预应力的产生和调控一直是比较困难的事，由此限制了其在许多场合下的应用。
发明内容
针对应变梁产生动态应变时负载过重，导致量程与频率范围受限的问题，本发明公开的一种动态应变激励方法及装置首先要解决的技术问题是：使用超磁致伸缩材料棒自身作为弹性体直接产生动态应变，以获得较大的应变量程和较宽的频率范围。
针对以超磁致伸缩为核心的动态应变激励中，超磁致伸缩材料的预应力的施加和调控问题，本发明进一步要解决的技术问题是：使用压电叠堆结合T形梁方式给超磁致伸缩材料棒施加量值可控的预应力，然后，以电磁铁方式为超磁致伸缩材料棒施加交变磁场，驱动超磁致伸缩材料棒产生伸缩运动，从而在其侧壁产生动态应变波形，用于给电阻应变片提供高质量的动态应变激励。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种动态应变激励方法，使用压电叠堆结合T形梁方式给超磁致伸缩材料棒施加量值可控的预应力，以电磁铁方式为超磁致伸缩材料棒施加交变磁场，驱动超磁致伸缩材料棒产生伸缩运动，从而在超磁致伸缩材料棒侧壁产生动态应变波形，用于给电阻应变片提供高质量的动态应变激励。
本发明公开的一种动态应变激励方法及装置，主要由第一支撑体、第二支撑体、第三支撑体、第四支撑体、压电叠堆、第一金属垫片、第二金属垫片、第三金属垫片、第一柔性支撑杆、第二柔性支撑杆、T形梁、负荷传感器、超磁致伸缩材料棒、电磁铁、永久磁铁、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、第二功率放大器、正弦信号发生器、应变片、应变放大器、应变数据采集系统组成。
第一支撑体用于固定支撑T形梁；第二支撑体用于固定支撑压电叠堆；第三支撑体和第四支撑体用于固定支撑电磁铁和永久磁铁。
压电叠堆通过自身的伸缩，经过第二金属垫片驱动第一柔性支撑杆，进而调控对T形梁的作用力，从而通过第二柔性支撑杆、负荷传感器和第三金属垫片，控制超磁致伸缩材料棒的预应力；永久磁铁用于给超磁致伸缩材料棒提供所需的偏置磁场。
第一金属垫片和第二金属垫片起压电叠堆的保护作用，防止压电叠堆的陶瓷碎裂。
负荷传感器用于对超磁致伸缩材料棒的预应力进行测量，以便于进行定量闭环控制；低通滤波器用于滤除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所需的正弦信号；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，以便能够有效驱动电磁铁，产生所需要的正弦激励磁场，从而驱动超磁致伸缩材料棒，使得在超磁致伸缩材料棒的侧壁产生动态应变激励，进而驱动应变片。
应变放大器用于构成应变测量桥路，对应变片获得的电阻应变信号进行放大；应变数据采集系统用于对应变放大器来的信号进行数据采集，获得动态应变测量波形。
本发明公开的一种动态应变激励方法及装置的装配及工作方法为：
将T形梁安装固定到第一支撑体上，将带有第一金属垫片、第二金属垫片和第一柔性支撑杆的压电叠堆，通过第一金属垫片安装紧固到第二支撑体上，同时，通过第一柔性支撑杆与T形梁柔性连接；将电磁铁和永久磁铁安装紧固到第三支撑体、第四支撑体上；将超磁致伸缩材料棒紧固连接在永久磁铁上，并依次通过第三金属垫片、负荷传感器、第二柔性支撑杆，与T形梁柔性连接。并如图所示连线。
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压电叠堆，控制压电叠堆的伸缩产生预应力，该预应力以第二支撑体和第一金属垫片为支撑，通过第二金属垫片、第一柔性支撑杆、T形梁、第二柔性支撑杆、负荷传感器、第三金属垫片，施加到超磁致伸缩材料棒上；同时，被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除交流成分后，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。永久磁铁用于给超磁致伸缩材料棒提供所需的偏置磁场。
正弦信号发生器输出所需频率和幅度的正弦信号，施加给第二功率放大器，驱动电磁铁，产生所需要的正弦激励磁场，以此控制超磁致伸缩材料棒产生伸缩，在超磁致伸缩材料棒的侧壁产生所需的动态应变激励，从而完成预应力可控的动态应变激励产生过程，输出预应力可控的动态应变激励波形。
作为优选，应变激励的弹性体为超磁致伸缩材料棒，超磁致伸缩材料棒产生的伸缩在其侧壁产生所需的动态应变，而其预应力则由压电叠堆通过杠杆方式产生，并以闭环负反馈方式进行精确的量值调控，最终获得高频应变激励装置，产生高频应变激励波形。
作为优选，通过将正弦信号发生器替换成任意波发生器，以产生方波、三角波、阶梯波等其它非正弦信号波形，从而获得相应波形的动态应变激励装置。
作为优选，通过将第一支撑体、第二支撑体、第三支撑体、第四支撑体、压电叠堆、第一金属垫片、第二金属垫片、第三金属垫片、第一柔性支撑杆、第二柔性支撑杆、T形梁、负荷传感器、超磁致伸缩材料棒、电磁铁、永久磁铁、应变片等部分进行绝缘密封后放入水中，从而获得水下动态应变激励装置。
有益效果：
1、本发明公开的一种动态应变激励方法及装置，使用压电叠堆结合T形梁方式给超磁致伸缩材料棒施加量值可控的预应力，以电磁铁方式为超磁致伸缩材料棒施加交变磁场，驱动超磁致伸缩材料棒产生伸缩运动，从而在其侧壁产生动态应变波形，用于给电阻应变片提供高质量的动态应变激励。
2、本发明公开的一种动态应变激励方法及装置，应变激励的弹性体为超磁致伸缩材料棒，使用压电叠堆结合超磁致伸缩棒的工作方式，以超磁致伸缩棒产生正弦波形变化的动态应变激励，利用其电磁弹性效应，在其侧面获得动态应变，以压电叠堆通过杠杆原理产生预应力值，以闭环负反馈方式进行精确的量值调控，从而实现超磁致伸缩棒产生振动波形激励时预应力的加载和精确控制。
3、本发明公开的一种动态应变激励方法及装置，通过将正弦信号发生器替换成任意波发生器，以产生方波、三角波、阶梯波等其它非正弦信号波形，从而获得相应波形的动态应变激励装置。
4、本发明公开的一种动态应变激励方法及装置，不仅可用于空气中，也可以用于水下动态应变激励。
5、本发明公开的一种动态应变激励方法及装置，取消应变梁方式产生应变，而直接以磁致伸缩棒自己产生应变，具有更大的应变范围和更宽的频率范围。
附图说明
图1为本发明的一种动态应变激励装置的结构示意图。
其中：1—第一支撑体、2—第二支撑体、3—第三支撑体、4—第四支撑体、5—压电叠堆、6—第一金属垫片、7—第二金属垫片、12—第三金属垫片、8—第一柔性支撑杆、11—第二柔性支撑杆、9—T形梁、10—负荷传感器、13—超磁致伸缩材料棒、14—电磁铁、15—永久磁铁、16—低通滤波器、17—测力仪、18—电子计算机、19—直流信号源、20—第一功率放大器、21—第二功率放大器、22—正弦信号发生器、23—应变片、24—应变放大器、25—应变数据采集系统。
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动态应变激励方法及装置，主要由第一支撑体1、第二支撑体2、第三支撑体3、第四支撑体4、压电叠堆5、第一金属垫片6、第二金属垫片7、第三金属垫片12、第一柔性支撑杆8、第二柔性支撑杆11、T形梁9、负荷传感器10、超磁致伸缩材料棒13、电磁铁14、永久磁铁15、低通滤波器16、测力仪17、电子计算机18、直流信号源19、第一功率放大器20、第二功率放大器21、正弦信号发生器22、应变片23、应变放大器24、应变数据采集系统25组成。
第一支撑体1用于固定支撑T形梁9；第二支撑体2用于固定支撑压电叠堆5；第三支撑体3和第四支撑体4用于固定支撑电磁铁14和永久磁铁15。
压电叠堆5通过自身的伸缩，经过第二金属垫片7驱动第一柔性支撑杆8，进而调控对T形梁9的作用力，从而通过第二柔性支撑杆11、负荷传感器10和第三金属垫片12，控制超磁致伸缩材料棒13的预应力；永久磁铁15用于给超磁致伸缩材料棒13提供所需的偏置磁场。
第一金属垫片6和第二金属垫片7起压电叠堆5的保护作用，防止压电叠堆5的陶瓷碎裂。
负荷传感器10用于对超磁致伸缩材料棒13的预应力进行测量，以便于进行定量闭环控制；低通滤波器16用于滤除负荷传感器10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17用于测量预应力；电子计算机18用作获得预应力值，并以此调控直流信号源19的输出量值，使测力仪17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20用于对压电叠堆5进行功率驱动，以产生设定的预应力。
正弦信号发生器22用于产生所需的正弦信号；第二功率放大器21用于给正弦信号发生器22产生的信号进行功率放大，以便能够有效驱动电磁铁14，产生所需要的正弦激励磁场，从而驱动超磁致伸缩材料棒13，使得在超磁致伸缩材料棒13的侧壁产生动态应变激励，进而驱动应变片23。
应变放大器24用于构成应变测量桥路，对应变片23获得的电阻应变信号进行放大；应变数据采集系统25用于对应变放大器24来的信号进行数据采集，获得动态应变测量波形。
如图1所示，本实施例公开的一种动态应变激励方法及装置的装配及工作方法为：
将T形梁9安装固定到第一支撑体1上，将带有第一金属垫片6、第二金属垫片7和第一柔性支撑杆8的压电叠堆5，通过第一金属垫片6安装紧固到第二支撑体2上，同时，通过第一柔性支撑杆8与T形梁9柔性连接；将电磁铁14和永久磁铁15安装紧固到第三支撑体3、第四支撑体4上；将超磁致伸缩材料棒13紧固连接在永久磁铁15上，并依次通过第三金属垫片12、负荷传感器10、第二柔性支撑杆11，与T形梁9柔性连接。并如图1所示连线。
通过电子计算机18设定预应力值，并调控直流信号源19输出的直流量值，通过第一功率放大器20施加到压电叠堆5，控制压电叠堆5的伸缩产生预应力，该预应力以第二支撑体2和第一金属垫片6为支撑，通过第二金属垫片7、第一柔性支撑杆8、T形梁9、第二柔性支撑杆11、负荷传感器10、第三金属垫片12，施加到超磁致伸缩材料棒13上；同时，被负荷传感器10测量获取预应力信号，该预应力信号经过低通滤波器16滤除交流成分后，进入测力仪17获得测量值，然后被电子计算机18读取，电子计算机18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19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。永久磁铁15用于给超磁致伸缩材料棒13提供所需的偏置磁场。
正弦信号发生器22输出所需频率和幅度的正弦信号，施加给第二功率放大器21，驱动电磁铁14，产生所需要的正弦激励磁场，以此控制超磁致伸缩材料棒13产生伸缩，在超磁致伸缩材料棒13的侧壁产生所需的动态应变激励，从而完成预应力可控的动态应变激励产生过程，输出预应力可控的动态应变激励波形。
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 (6)

1.一种动态应变激励方法，其特征在于：使用压电叠堆结合T形梁方式给超磁致伸缩材料棒施加量值可控的预应力，以电磁铁方式为超磁致伸缩材料棒施加交变磁场，驱动超磁致伸缩材料棒产生伸缩运动，从而在超磁致伸缩材料棒侧壁产生动态应变波形，用于给电阻应变片提供高质量的动态应变激励。
2.一种动态应变激励方法及装置，其特征在于：主要由第一支撑体(1)、第二支撑体(2)、第三支撑体(3)、第四支撑体(4)、压电叠堆(5)、第一金属垫片(6)、第二金属垫片(7)、第三金属垫片(12)、第一柔性支撑杆(8)、第二柔性支撑杆(11)、T形梁(9)、负荷传感器(10)、超磁致伸缩材料棒(13)、电磁铁(14)、永久磁铁(15)、低通滤波器(16)、测力仪(17)、电子计算机(18)、直流信号源(19)、第一功率放大器(20)、第二功率放大器(21)、正弦信号发生器(22)、应变片(23)、应变放大器(24)、应变数据采集系统(25)组成；
第一支撑体(1)用于固定支撑T形梁(9)；第二支撑体(2)用于固定支撑压电叠堆(5)；第三支撑体(3)和第四支撑体(4)用于固定支撑电磁铁(14)和永久磁铁(15)；
压电叠堆(5)通过自身的伸缩，经过第二金属垫片(7)驱动第一柔性支撑杆(8)，进而调控对T形梁(9)的作用力，从而通过第二柔性支撑杆(11)、负荷传感器(10)和第三金属垫片(12)，控制超磁致伸缩材料棒(13)的预应力；永久磁铁(15)用于给超磁致伸缩材料棒(13)提供所需的偏置磁场；
第一金属垫片(6)和第二金属垫片(7)起压电叠堆(5)的保护作用，防止压电叠堆(5)的陶瓷碎裂；
负荷传感器(10)用于对超磁致伸缩材料棒(13)的预应力进行测量，以便于进行定量闭环控制；低通滤波器(16)用于滤除负荷传感器(10)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(17)用于测量预应力；电子计算机(18)用作获得预应力值，并以此调控直流信号源(19)的输出量值，使测力仪(17)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(20)用于对压电叠堆(5)进行功率驱动，以产生设定的预应力；
正弦信号发生器(22)用于产生所需的正弦信号；第二功率放大器(21)用于给正弦信号发生器(22)产生的信号进行功率放大，以便能够有效驱动电磁铁(14)，产生所需要的正弦激励磁场，从而驱动超磁致伸缩材料棒(13)，使得在超磁致伸缩材料棒(13)的侧壁产生动态应变激励，进而驱动应变片(23)；
应变放大器(24)用于构成应变测量桥路，对应变片(23)获得的电阻应变信号进行放大；应变数据采集系统(25)用于对应变放大器(24)来的信号进行数据采集，获得动态应变测量波形。
3.如权利要求2所述的一种动态应变激励方法及装置，其特征在于：应变激励的弹性体为超磁致伸缩材料棒(13)，超磁致伸缩材料棒(13)产生的伸缩在其侧壁产生所需的动态应变，而其预应力则由压电叠堆(5)通过杠杆方式产生，并以闭环负反馈方式进行精确的量值调控，最终获得高频应变激励装置，产生高频应变激励波形。
4.如权利要求2所述的一种动态应变激励方法及装置，其特征在于：通过将正弦信号发生器(22)替换成任意波发生器，以产生方波、三角波、阶梯波等其它非正弦信号波形，从而获得相应波形的动态应变激励装置。
5.如权利要求2所述的一种动态应变激励方法及装置，其特征在于：通过将第一支撑体(1)、第二支撑体(2)、第三支撑体(3)第四支撑体(4)、压电叠堆(5)、第一金属垫片(6)、第二金属垫片(7)、第三金属垫片(12)、第一柔性支撑杆(8)、第二柔性支撑杆(11)、T形梁(9)、负荷传感器(10)、超磁致伸缩材料棒(13)、电磁铁(14)、永久磁铁(15)、应变片(23)等部分进行绝缘密封后放入水中，从而获得水下动态应变激励装置。
6.如权利要求2、3、4或5所述的一种动态应变激励方法及装置，其特征在于：装配及工作方法为，
将T形梁(9)安装固定到第一支撑体(1)上，将带有第一金属垫片(6)、第二金属垫片(7)和第一柔性支撑杆(8)的压电叠堆(5)，通过第一金属垫片(6)安装紧固到第二支撑体(2)上，同时，通过第一柔性支撑杆(8)与T形梁(9)柔性连接；将电磁铁(14)和永久磁铁(15)安装紧固到第三支撑体(3)第四支撑体(4)上；将超磁致伸缩材料棒(13)紧固连接在永久磁铁(15)上，并依次通过第三金属垫片(12)、负荷传感器(10)、第二柔性支撑杆(11)，与T形梁(9)柔性连接；并如图1所示连线；
通过电子计算机(18)设定预应力值，并调控直流信号源(19)输出的直流量值，通过第一功率放大器(20)施加到压电叠堆(5)，控制压电叠堆(5)的伸缩产生预应力，该预应力以第二支撑体(2)和第一金属垫片(6)为支撑，通过第二金属垫片(7)、第一柔性支撑杆(8)、T形梁(9)、第二柔性支撑杆(11)、负荷传感器(10)、第三金属垫片(12)，施加到超磁致伸缩材料棒(13)上；同时，被负荷传感器(10)测量获取预应力信号，该预应力信号经过低通滤波器(16)滤除交流成分后，进入测力仪(17)获得测量值，然后被电子计算机(18)读取，电子计算机(18)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(19)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；永久磁铁(15)用于给超磁致伸缩材料棒(13)提供所需的偏置磁场；
正弦信号发生器(22)输出所需频率和幅度的正弦信号，施加给第二功率放大器(21)，驱动电磁铁(14)，产生所需要的正弦激励磁场，以此控制超磁致伸缩材料棒(13)产生伸缩，在超磁致伸缩材料棒(13)的侧壁产生所需的动态应变激励，从而完成预应力可控的动态应变激励产生过程，输出预应力可控的动态应变激励波形。
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