CN112271951A - 一种高频应变激励方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种高频应变激励方法及装置，属于应变计量技术领域。本发明采用共轴式预应力可控的振动激励方式，使用共轴的双压电叠堆进行串联，第一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，第二压电叠堆使用正弦电压波形驱动，用于产生正弦振动信号波形。第一压电叠堆为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体；第二压电叠堆为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体。本发明以共轴的双压电叠堆产生高频振动激励，将压电叠堆作为电磁弹性体，产生高频正弦应变，以此来激励电阻应变片，获得高频正弦应变激励量值，实现高质量高频应变激励。

Description

一种高频应变激励方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高频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高频应变激励的产生中。
自从出现了以压电叠堆为核心的PZT压电式振动激励装置后，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；理论上，人们也将能够产生如此宽频率范围的高频应变。但由于以压电叠堆为核心的PZT压电式振动激励装置在高频下的振幅比较小，用于直接驱动各种应变梁时，无法产生有效可用的高频应变激励；并且，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
针对高频应变激励中，由于激励器振幅较小，无法用激振器驱动应变梁的方式产生有效可用的应变问题，本发明公开的一种高频应变激励方法及装置要解决的技术问题是：以压电叠堆产生高频振动激励，将压电叠堆作为电磁弹性体，产生高频正弦应变，以此来激励电阻应变片，获得高频正弦应变激励量值，即实现高频应变激励。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种高频应变激励方法，采用共轴式预应力可控的振动激励方式，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，用于产生正弦振动信号波形。即以共轴的双压电叠堆产生高频振动激励，将压电叠堆作为电磁弹性体，用侧壁产生高频正弦应变，以此来激励电阻应变片，获得高频正弦应变激励量值，实现高质量高频应变激励。
本发明的一种高频应变激励方法及装置，主要由紧固螺帽、第一矩形金属垫片、第二矩形金属垫片、第三矩形金属垫片、第四矩形金属垫片、第一压电叠堆、第二压电叠堆、环形负荷传感器、紧固螺母、带螺纹的弹性轴、应变片、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、应变放大器、应变数据采集系统组成。
紧固螺帽与带螺纹的弹性轴为一体结构，用于紧固轴上所有器件；第一矩形金属垫片、第二矩形金属垫片、第三矩形金属垫片、第四矩形金属垫片均被用作均匀承载压电叠堆之间的应力载荷，第一矩形金属垫片和第二矩形金属垫片还用于保护第一压电叠堆，第三矩形金属垫片和第四矩形金属垫片还用于保护第二压电叠堆；第二矩形金属垫片和第三矩形金属垫片还用于传递第一压电叠堆与第二压电叠堆之间的预应力，并将其传递给环形负荷传感器，用于预应力测量。
第一压电叠堆为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，用作利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，在电感线圈传来的正弦信号作用下，在其侧面产生正弦规律的电磁弹性应变；第一压电叠堆还用于为应变片提供高频应变激励。第二压电叠堆为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，用于为第一压电叠堆产生量值可控的预应力。
带螺纹的弹性轴为金属弹性体，并通过紧固螺母的紧固和第二压电叠堆的伸缩产生预应力；并通过端部的螺纹，将弹性部件固定到支撑基座上。
环形负荷传感器用于对第一压电叠堆的预应力进行测量，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。
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，获得高频应变测量波形。
本发明的一种高频应变激励方法及装置的装配及工作方法为：
将连为一体的紧固螺帽和带螺纹的弹性轴，依次穿入第一矩形金属垫片、第一压电叠堆、第二矩形金属垫片、环形负荷传感器、第三矩形金属垫片、第二压电叠堆、第四矩形金属垫片，并用紧固螺母旋紧，成为一个整体。并通过带螺纹的弹性轴端部的螺纹，将弹性部件固定到支撑基座上。
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，该预应力以第四矩形金属垫片为支撑，通过第三矩形金属垫片、环形负荷传感器、第二矩形金属垫片，施加给第一压电叠堆；同时，被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，在第一矩形金属垫片和第二矩形金属垫片之间产生所需的高频正弦应变激励，输出预应力可控的高频应变激励波形，即实现高频应变激励。
有益效果：
1、本发明公开的一种高频应变激励方法及装置，使用两只共轴压电叠堆串联方式，以一只产生正弦振动，利用其电磁弹性效应，在其侧面获得高频正弦应变，另外一只产生预应力值，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。本发明使用压电叠堆的侧表面直接用于提供应变激励，振动激励的主要弹性体为压电叠堆，紧固轴主要起预应力调控作用，能够产生高质量的高频正弦应变激励波形，即实现高频应变激励。
2、本发明公开的一种高频应变激励方法及装置，第一压电叠堆为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，用作利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，在电感线圈传来的正弦信号作用下，在其侧面产生正弦规律的电磁弹性应变；第一压电叠堆还用于为应变片提供高频应变激励。第二压电叠堆为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，用于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正弦规律的伸缩，直接产生高频正弦应变，以此来激励电阻应变片，获得高频正弦应变激励量值。
附图说明
图1为本发明公开的一种高频应变激励方法及装置的结构示意图。
其中：1—紧固螺帽、2—第一矩形金属垫片、3—第一压电叠堆、4—第二矩形金属垫片、5—环形负荷传感器、6—第三矩形金属垫片、7—第二压电叠堆、8—第四矩形金属垫片、9—紧固螺母、10—带螺纹的弹性轴、11—应变片、12—低通滤波器、13—测力仪、14—电子计算机、15—直流信号源、16—第一功率放大器、17—电感线圈、18—第二功率放大器、19—正弦信号发生器、20—应变放大器、21—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：
如图1所示，本实施例公开一种高频应变激励方法及装置，由紧固螺帽1、第一矩形金属垫片2、第二矩形金属垫片4、第三矩形金属垫片6、第四矩形金属垫片8、第一压电叠堆3、第二压电叠堆7、环形负荷传感器5、紧固螺母9、带螺纹的弹性轴10、应变片11、低通滤波器12、测力仪13、电子计算机14、直流信号源15、第一功率放大器16、电感线圈17、第二功率放大器18、正弦信号发生器19、应变放大器20、应变数据采集系统21组成。
紧固螺帽1与带螺纹的弹性轴10为一体结构，用于紧固轴上所有器件；第一矩形金属垫片2、第二矩形金属垫片4、第三矩形金属垫片6、第四矩形金属垫片8均被用作均匀承载压电叠堆之间的应力载荷，第一矩形金属垫片2和第二矩形金属垫片4还用于保护第一压电叠堆3，第三矩形金属垫片6和第四矩形金属垫片8还用于保护第二压电叠堆7；第二矩形金属垫片4和第三矩形金属垫片6还用于传递第一压电叠堆3与第二压电叠堆7之间的预应力，并将其传递给环形负荷传感器5，用于预应力测量。
第一压电叠堆3为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，用作利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，在电感线圈17传来的正弦信号作用下，在其侧面产生正弦规律的电磁弹性应变；第一压电叠堆3还用于为应变片11提供高频应变激励。第二压电叠堆7为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，用于为第一压电叠堆3产生量值可控的预应力。
带螺纹的弹性轴10为金属弹性体，并通过紧固螺母9的紧固和第二压电叠堆7的伸缩产生预应力；并通过端部的螺纹，将弹性部件固定到支撑基座上。
环形负荷传感器5用于对第一压电叠堆3的预应力进行测量，以便于进行定量闭环控制；低通滤波器12用于滤除环形负荷传感器5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13用于测量预应力；电子计算机14用作获得预应力值，并以此调控直流信号源15的输出量值，使测力仪13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16用于对第二压电叠堆7进行功率驱动，以产生设定的预应力。
正弦信号发生器19用于产生正弦振动所需的电信号；第二功率放大器18用于给正弦信号发生器19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3，产生所需要的振动激励；电感线圈17用于调整第一压电叠堆3和第二功率放大器18之间的阻抗匹配，以便顺利执行功率驱动。
应变放大器20用于构成应变测量桥路，对应变片11获得的电阻应变信号进行放大；应变数据采集系统21用于对应变放大器20来的信号进行数据采集，获得高频应变测量波形。
本实施例公开一种高频应变激励方法及装置的装配及工作方法为：
将连为一体的紧固螺帽1和带螺纹的弹性轴10，依次穿入第一矩形金属垫片2、第一压电叠堆3、第二矩形金属垫片4、环形负荷传感器5、第三矩形金属垫片6、第二压电叠堆7、第四矩形金属垫片8，并用紧固螺母9旋紧，成为一个整体。并通过带螺纹的弹性轴10端部的螺纹，将弹性部件固定到支撑基座上。
通过电子计算机14设定预应力值，并调控直流信号源15输出的直流量值，通过第一功率放大器16施加到第二压电叠堆7，控制第二压电叠堆7的伸缩产生预应力，该预应力以第四矩形金属垫片8为支撑，通过第三矩形金属垫片6、环形负荷传感器5、第二矩形金属垫片4，施加给第一压电叠堆3；同时，被环形负荷传感器5测量获取预应力信号，该预应力信号经过低通滤波器12滤波后，进入测力仪13获得测量值，然后被电子计算机14读取，电子计算机14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15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19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18，通过电感线圈17进行阻抗匹配调节后，施加到第一压电叠堆3，以此控制第一压电叠堆3产生伸缩，在第一矩形金属垫片2和第二矩形金属垫片4之间产生所需的高频正弦应变激励，输出预应力可控的高频应变激励波形，即实现高频应变激励。
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 (3)

1.一种高频应变激励方法，其特征在于：采用共轴式预应力可控的振动激励方式，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，用于产生正弦振动信号波形；即以共轴的双压电叠堆产生高频振动激励，将压电叠堆作为电磁弹性体，用侧壁产生高频正弦应变，以此来激励电阻应变片，获得高频正弦应变激励量值，实现高质量高频应变激励。
2.一种高频应变激励方法及装置，其特征在于：主要由紧固螺帽(1)、第一矩形金属垫片(2)、第二矩形金属垫片(4)、第三矩形金属垫片(6)、第四矩形金属垫片(8)、第一压电叠堆(3)、第二压电叠堆(7)、环形负荷传感器(5)、紧固螺母(9)、带螺纹的弹性轴(10)、应变片(11)、低通滤波器(12)、测力仪(13)、电子计算机(14)、直流信号源(15)、第一功率放大器(16)、电感线圈(17)、第二功率放大器(18)、正弦信号发生器(19)、应变放大器(20)、应变数据采集系统(21)组成；
紧固螺帽(1)与带螺纹的弹性轴(10)为一体结构，用于紧固轴上所有器件；第一矩形金属垫片(2)、第二矩形金属垫片(4)、第三矩形金属垫片(6)、第四矩形金属垫片(8)均被用作均匀承载压电叠堆之间的应力载荷，第一矩形金属垫片(2)和第二矩形金属垫片(4)还用于保护第一压电叠堆(3)，第三矩形金属垫片(6)和第四矩形金属垫片(8)还用于保护第二压电叠堆(7)；第二矩形金属垫片(4)和第三矩形金属垫片(6)还用于传递第一压电叠堆(3)与第二压电叠堆(7)之间的预应力，并将其传递给环形负荷传感器(5)，用于预应力测量；
第一压电叠堆(3)为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，用作利用压电效应产生正弦规律的伸缩运动，在电感线圈(17)传来的正弦信号作用下，在其侧面产生正弦规律的电磁弹性应变；第一压电叠堆(3)还用于为应变片(11)提供高频应变激励；第二压电叠堆(7)为由中间有圆形通孔的矩形片状压电陶瓷片及电极堆叠而成的中间有轴孔的四棱柱体，利用压电效应产生的伸缩运动，用于为第一压电叠堆(3)产生量值可控的预应力；
带螺纹的弹性轴(10)为金属弹性体，并通过紧固螺母(9)的紧固和第二压电叠堆(7)的伸缩产生预应力；并通过端部的螺纹，将弹性部件固定到支撑基座上；
环形负荷传感器(5)用于对第一压电叠堆(3)的预应力进行测量，以便于进行定量闭环控制；低通滤波器(12)用于滤除环形负荷传感器(5)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(13)用于测量预应力；电子计算机(14)用作获得预应力值，并以此调控直流信号源(15)的输出量值，使测力仪(13)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(16)用于对第二压电叠堆(7)进行功率驱动，以产生设定的预应力；
正弦信号发生器(19)用于产生正弦振动所需的电信号；第二功率放大器(18)用于给正弦信号发生器(19)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(3)，在其侧壁产生所需要的应变激励；电感线圈(17)用于调整第一压电叠堆(3)和第二功率放大器(18)之间的阻抗匹配，以便顺利执行功率驱动；
应变放大器(20)用于构成应变测量桥路，对应变片(11)获得的电阻应变信号进行放大；应变数据采集系统(21)用于对应变放大器(20)来的信号进行数据采集，获得高频应变测量波形。
3.如权利要求2所述的一种高频应变激励方法及装置，其特征在于：装配及工作方法为：
将连为一体的紧固螺帽(1)和带螺纹的弹性轴(10)，依次穿入第一矩形金属垫片(2)、第一压电叠堆(3)、第二矩形金属垫片(4)、环形负荷传感器(5)、第三矩形金属垫片(6)、第二压电叠堆(7)、第四矩形金属垫片(8)，并用紧固螺母(9)旋紧，成为一个整体；并通过带螺纹的弹性轴(10)端部的螺纹，将弹性部件固定到支撑基座上；
通过电子计算机(14)设定预应力值，并调控直流信号源(15)输出的直流量值，通过第一功率放大器(16)施加到第二压电叠堆(7)，控制第二压电叠堆(7)的伸缩产生预应力，该预应力以第四矩形金属垫片(8)为支撑，通过第三矩形金属垫片(6)、环形负荷传感器(5)、第二矩形金属垫片(4)，施加给第一压电叠堆(3)；同时，被环形负荷传感器(5)测量获取预应力信号，该预应力信号经过低通滤波器(12)滤波后，进入测力仪(13)获得测量值，然后被电子计算机(14)读取，电子计算机(14)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(15)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(19)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(18)，通过电感线圈(17)进行阻抗匹配调节后，施加到第一压电叠堆(3)，以此控制第一压电叠堆(3)产生伸缩，在第一矩形金属垫片(2)和第二矩形金属垫片(4)之间产生所需的高频正弦应变激励，输出预应力可控的高频应变激励波形，即实现高频应变激励。
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