CN113783464B - 环-梁式压电释放器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

为了实现海洋探测器的可靠释放，本发明提出一种环‑梁式压电释放器及其工作方法。环‑梁式压电释放器包括浮体、压电换能器、环锁、锚定重物以及第一至第二连接装置。环锁包括锁体和锁芯。压电换能器包括压电复合梁、连接柱和驱动环。本发明利用驱动环摩擦驱动环锁，改变锁体、锁芯缺口的相对角位置，实现环锁的打开和闭合，完成探测器的锚定和释放。本发明克服了气动式释放器燃气一次性使用、易爆和存储结构抗压笨重的缺点，具有可重复使用、快速部署的优点，在深海预警网络打造、反介入作战中有应用前景。

Description

环-梁式压电释放器及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动深海释放领域，尤其涉及一种环-梁式压电释放器及其工作方法。

背景技术

深海声学应答释放器是深海观测、监测系统回收的核心设备，可根据具体科学研究的需要与其他测量传感器配合组成海洋观测系统，用于海洋污染、生态、光学、声学、地质等领域。

气动式深海释放器利用高压燃气点火后产生的爆炸力工作，但高压燃气属于危险品，对运输、存储、使用的安全防护等级要求极高。高压燃气只能推动柱销运动一次，燃烧殆尽后不可重复。使用前要更换气动源，不利于释放器的二次快速部署。高压燃气需要容器存储，无法对海水开放，密封舱的反复拆卸会给高压水密带来隐患。

压电作动是最具有缓解深海水压潜力的驱动方法之一。虽然压电换能器与动子间的摩擦力能够实现断电自锁，但是探测器和释放器的距离较远，在洋流的作用下，位于较浅水深的探测器或者浮体与探测器可能出现发生大角度倾斜、大幅度摆动的情况。受到外载荷的扰动，压电换能器与动子间可能会发生的相对运动，释放器可能面临无指令脱离的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种环-梁式压电释放器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

环-梁式压电释放器，包括浮体、贴片式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；

所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；

所述贴片式压电换能器包括压电复合梁、连接柱和驱动环；

所述压电复合梁包括梁体、纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块、以及第一至第二连接件；

所述梁体为长方体，包含第一端面、第二端面、以及依次首位相连的第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述纵振压电陶瓷模块包含若干设置在梁体纵振振型节点上的纵振压电陶瓷单元；所述纵振压电陶瓷单元包含两片沿厚度方向极化的压电陶瓷片，其中一片压电陶瓷片设置在梁体的第一侧壁上，另一片压电陶瓷片对称设置在梁体的第三侧壁上；各个纵振压电陶瓷单元中压电陶瓷片的极化方向相反；

所述弯振压电陶瓷模块包含若干设置在梁体弯曲振型波谷上的弯振压电陶瓷单元；所述弯振压电陶瓷单元包含两片沿厚度方向极化的压电陶瓷片，其中一片压电陶瓷片设置在梁体的第一侧壁上，另一片压电陶瓷片对称设置在梁体的第三侧壁上，两片压电陶瓷片的极化方向相同；各个弯振压电陶瓷单元在梁体第一侧壁上的压电陶瓷片的极化方向相同；

所述第一连接件、第二连接件对称设置在梁体的第二侧壁、第四侧壁上，用于和外界相连；

所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；

所述连接柱为横截面比梁体横截面小的柱体；所述连接柱的一端和所述梁体的第二端面同轴固连，另一端和所述驱动环的外壁固连，使得梁体的第一侧壁平行于所述驱动环的两个端面；所述连接柱的轴线经过所述驱动环的中心；

所述第一连接装置呈开口朝下的U形，包含顶边和两条侧边，所述顶边的两端分别和两条侧边的一端固连；所述顶边在其中点处和所述浮体铰接；所述两条侧边的另一端分别和所述第一连接件、第二连接件对应固连；

所述环锁套在所述驱动环上；

所述第二连接装置包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状，套在所述环锁的锁体上；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心，杆体另一端和锚定重物铰接；

所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。

作为本发明环-梁式压电释放器进一步的优化方案，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。

作为本发明环-梁式压电释放器进一步的优化方案，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。

本发明还公开了一种该环-梁式压电释放器的工作方法，包含以下步骤：

进行锁定时：

转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；

进行释放时：

步骤A.1），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，贴片式压电换能器的驱动方法如下：

分别采用交流电信号AC-1、AC-2激励纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块；

当纵振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生纵向振动，驱动环产生面内的弯曲振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态A；

当弯振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生弯曲振动，驱动环产生面外的弯曲振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态B；

当交流电信号AC-1、AC-2相差90度时间相位时，贴片式压电换能器的的振动模态A和振动模态B被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC-1与AC-2相差-90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态A和振动模态B被同时激发，且贴片式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；

步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；

步骤A.3），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。

本发明还公开了另一种环-梁式压电释放器，包括浮体、夹心式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；

所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；

所述夹心式电换能器包括压电复合梁、连接柱和驱动环；

所述压电复合梁包括预紧螺栓、前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体、纵振压电陶瓷单元、弯振压电陶瓷模块、以及第一至第二连接件，所述纵振压电陶瓷模块包含M个纵振压电陶瓷单元，所述弯振压电陶瓷模块包含N个弯振压电陶瓷单元，M、N均为大于等于1的自然数；

所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；

所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体为横截面形状相同的长方体，均包含上端面、下端面、以及依次首位相连的第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述后梁体上端面的中心设有和所述预紧螺栓相匹配的沉头通孔，M+N-1个连接梁体的上端面中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔，前梁体上端面的中心设有和所示预紧螺栓相匹配的螺纹孔；

所述纵振压电陶瓷单元包含2i个单分区压电陶瓷片和2i+1个单分区电极片，i为大于等于1的自然数；所述单分区压电陶瓷片、单分区电极片的形状均和所述前梁体横截面形状相同，中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔；所述单分区压电陶瓷片沿厚度方向极化；所述2i+1个单分区电极片和2i个单分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2i+1个单分区电极片和2i个单分区压电陶瓷片同轴，相邻单分区压电陶瓷片之间有单分区电极片分隔，且相邻单分区压电陶瓷片的极化方向相反；

所述弯振压电陶瓷单元包含2j个双分区压电陶瓷片和2j+1个双分区电极片，j为大于等于1的自然数；所述双分区压电陶瓷片、双分区电极片的形状均和所述前梁体横截面形状相同，中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔；所述双分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，双分区压电陶瓷片的极化分界线为直线，且双分区压电陶瓷片两个分区的极化方向相反；所述2j+1个双分区电极片和2j个双分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2j+1个双分区电极片和2j个双分区压电陶瓷片同轴，2j个双分区压电陶瓷片的极化分界线共面，且相邻双分区压电陶瓷片之间有双分区电极片分隔；相邻双分区压电陶瓷片的极化方向相反；

所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体从上到下依次排列，形成M+N个空隙；所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体的第一侧壁共面，前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体的第二侧壁共面；

所述M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元填充在所述M+N个空隙中，每个空隙中填充1个纵振压电陶瓷单元或1个弯振压电陶瓷单元；

所述预紧螺栓的螺柱从所述后梁体的沉头通孔穿入，穿过各个连接梁体、M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元后和前梁体的螺纹孔螺纹相连，将M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元压紧；

所述第一连接件、第二连接件对称设置在前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体中任意一个的第二侧壁、第四侧壁上，用于和外界相连；

所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；

所述连接柱为横截面比前梁体横截面小的柱体；所述连接柱的一端和所述前梁体的下端面同轴固连，另一端和所述驱动环的外壁固连，使得前梁体的第一侧壁平行于所述驱动环的两个端面；所述连接柱的轴线经过所述驱动环的中心；

所述第一连接装置呈开口朝下的U形，包含顶边和两条侧边，所述顶边的两端分别和两条侧边的一端固连；所述顶边在其中点处和所述浮体铰接；所述两条侧边的另一端分别和所述第一连接件、第二连接件对应固连；

所述环锁套在所述驱动环上；

所述第二连接装置包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状，套在所述环锁的锁体上；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心，杆体另一端和锚定重物铰接；

所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。

作为该另一种环-梁式压电释放器进一步的优化方案，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。

作为该另一种环-梁式压电释放器进一步的优化方案，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。

本发明还公开了一种该另一种环-梁式压电释放器的工作方法，包含以下步骤：

进行锁定时：

转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；

进行释放时：

步骤A.1），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，夹心式压电换能器的驱动方法如下：

分别采用交流电信号AC-3、AC-4激励纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块；

当纵振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生纵向振动，驱动环产生面内的弯曲振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态C；

当弯振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生弯曲振动，驱动环产生面外的弯曲振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态D；

当交流电信号AC-3、AC-4相差90度时间相位时，夹心式压电换能器的的振动模态C和振动模态D被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC-3与AC-4相差-90度时间相位时，夹心式压电换能器的振动模态C和振动模态D被同时激发，且夹心式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；

步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；

步骤A.3），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 摩擦驱动允许海水进入，无需动密封；

2. 贴片式压电换能器能够进行隔水、绝缘处理，夹心式压电换能器中存在的螺纹盲孔能够用绝缘固化胶水填充，使得压电换能器内部无空腔，与外界海水间无压差，在高水压条件下不会被破坏，能适应深海高水压、低温、强腐蚀的恶劣环境；

3. 浮体提供的浮力，在定点监控、应答释放时保证压电换能器和动子间牢靠接触，在脱离上升时充当提升拉力实现探测器的上浮；

4. 环锁的锁体和锁芯相互配合实现开口的打开和闭合，进一步提升了压电驱动型释放器应对探测器大角度倾斜、大幅度摆动极端工况的能力，大大提升了压电驱动型释放器长效服役的可靠性。

附图说明

图1是本发明环-梁式压电释放器的结构示意图；

图2是本发明中环锁的结构示意图；

图3是本发明中贴片式压电换能器的结构示意图；

图4是本发明中环锁的锁止安装过程示意图；

图5是本发明中贴片式压电换能器的振动模态A的示意图；

图6是本发明中贴片式压电换能器的振动模态B的示意图；

图7是本发明环-梁式压电释放器的工作过程图；

图8是本发明中夹心式压电换能器的结构示意图。

其中，1：浮体；2：第一连接装置；3：贴片式压电换能器；4：嵌套扇环组；5：第二连接装置；6：锚定重物；4-1：锁体；4-2：锁芯；4-3：锁芯的限位凸台；4-2：锁体的限位凸台；3-1：梁体；3-2：弯振压电陶瓷模块；3-3：纵振压电陶瓷模块；3-4：连接件；3-5：连接柱；3-6：驱动环；7-1：前梁体；7-2：连接梁体；7-3：后梁体；7-4：纵振压电陶瓷模块；7-5：弯振压电陶瓷模块；7-6：连接柱；7-7：驱动环。

实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种环-梁式压电释放器，包括浮体、贴片式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；

如图2所示，所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；

如图3所示，所述贴片式压电换能器包括压电复合梁、连接柱和驱动环；

所述压电复合梁包括梁体、纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块、以及第一至第二连接件；

所述梁体为长方体，包含第一端面、第二端面、以及依次首位相连的第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述纵振压电陶瓷模块包含若干设置在梁体纵振振型节点上的纵振压电陶瓷单元；所述纵振压电陶瓷单元包含两片沿厚度方向极化的压电陶瓷片，其中一片压电陶瓷片设置在梁体的第一侧壁上，另一片压电陶瓷片对称设置在梁体的第三侧壁上；各个纵振压电陶瓷单元中压电陶瓷片的极化方向相反；

所述弯振压电陶瓷模块包含若干设置在梁体弯振振型波谷上的弯振压电陶瓷单元；所述弯振压电陶瓷单元包含两片沿厚度方向极化的压电陶瓷片，其中一片压电陶瓷片设置在梁体的第一侧壁上，另一片压电陶瓷片对称设置在梁体的第三侧壁上，两片压电陶瓷片的极化方向相同；各个弯振压电陶瓷单元在梁体第一侧壁上的压电陶瓷片的极化方向相同；

所述第一连接件、第二连接件对称设置在梁体的第二侧壁、第四侧壁上，用于和外界相连；

所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；

所述连接柱为横截面比梁体横截面小的柱体；所述连接柱的一端和所述梁体的第二端面同轴固连，另一端和所述驱动环的外壁固连，使得梁体的第一侧壁平行于所述驱动环的两个端面；所述连接柱的轴线经过所述驱动环的中心；

所述第一连接装置呈开口朝下的U形，包含顶边和两条侧边，所述顶边的两端分别和两条侧边的一端固连；所述顶边在其中点处和所述浮体铰接；所述两条侧边的另一端分别和所述第一连接件、第二连接件对应固连；

所述环锁套在所述驱动环上；

所述第二连接装置包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状，套在所述环锁的锁体上；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心，杆体另一端和锚定重物铰接；

所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。

所述第二连接装置的铰接环优先采用聚四氟乙烯制成，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。

本发明还公开了一种该环-梁式压电释放器的工作方法，包含以下步骤：

如图4所示，进行锁定时：

转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；

如图7所示，进行释放时：

步骤A.1），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，贴片式压电换能器的驱动方法如下：

分别采用交流电信号AC-1、AC-2激励纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块；

如图5所示，当纵振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生纵向振动，驱动环产生面内的弯曲振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态A；

如图6所示，当弯振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生弯曲振动，驱动环产生面外的弯曲振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态B；

当交流电信号AC-1、AC-2相差90度时间相位时，贴片式压电换能器的的振动模态A和振动模态B被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC-1与AC-2相差-90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态A和振动模态B被同时激发，且贴片式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；

步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；

步骤A.3），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。

如图8所示，本发明还公开了另一种环-梁式压电释放器，包括浮体、夹心式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；

所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；

所述夹心式电换能器包括压电复合梁、连接柱和驱动环；

所述压电复合梁包括预紧螺栓、前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体、纵振压电陶瓷单元、弯振压电陶瓷模块、以及第一至第二连接件，所述纵振压电陶瓷模块包含M个纵振压电陶瓷单元，所述弯振压电陶瓷模块包含N个弯振压电陶瓷单元，M、N均为大于等于1的自然数；

所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；

所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体为横截面形状相同的长方体，均包含上端面、下端面、以及依次首位相连的第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述后梁体上端面的中心设有和所述预紧螺栓相匹配的沉头通孔，M+N-1个连接梁体的上端面中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔，前梁体上端面的中心设有和所示预紧螺栓相匹配的螺纹孔；

所述纵振压电陶瓷单元包含2i个单分区压电陶瓷片和2i+1个单分区电极片，i为大于等于1的自然数；所述单分区压电陶瓷片、单分区电极片的形状均和所述前梁体横截面形状相同，中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔；所述单分区压电陶瓷片沿厚度方向极化；所述2i+1个单分区电极片和2i个单分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2i+1个单分区电极片和2i个单分区压电陶瓷片同轴，相邻单分区压电陶瓷片之间有单分区电极片分隔，且相邻单分区压电陶瓷片的极化方向相反；

所述弯振压电陶瓷单元包含2j个双分区压电陶瓷片和2j+1个双分区电极片，j为大于等于1的自然数；所述双分区压电陶瓷片、双分区电极片的形状均和所述前梁体横截面形状相同，中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔；所述双分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，双分区压电陶瓷片的极化分界线为直线，且双分区压电陶瓷片两个分区的极化方向相反；所述2j+1个双分区电极片和2j个双分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2j+1个双分区电极片和2j个双分区压电陶瓷片同轴，2j个双分区压电陶瓷片的极化分界线共面，且相邻双分区压电陶瓷片之间有双分区电极片分隔；相邻双分区压电陶瓷片的极化方向相反；

所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体从上到下依次排列，形成M+N个空隙；所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体的第一侧壁共面，前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体的第二侧壁共面；

所述M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元填充在所述M+N个空隙中，每个空隙中填充1个纵振压电陶瓷单元或1个弯振压电陶瓷单元；

所述预紧螺栓的螺柱从所述后梁体的沉头通孔穿入，穿过各个连接梁体、M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元后和前梁体的螺纹孔螺纹相连，将M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元压紧；

所述第一连接件、第二连接件对称设置在前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体中任意一个的第二侧壁、第四侧壁上，用于和外界相连；

所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；

所述连接柱为横截面比前梁体横截面小的柱体；所述连接柱的一端和所述前梁体的下端面同轴固连，另一端和所述驱动环的外壁固连，使得前梁体的第一侧壁平行于所述驱动环的两个端面；所述连接柱的轴线经过所述驱动环的中心；

所述第一连接装置呈开口朝下的U形，包含顶边和两条侧边，所述顶边的两端分别和两条侧边的一端固连；所述顶边在其中点处和所述浮体铰接；所述两条侧边的另一端分别和所述第一连接件、第二连接件对应固连；

所述环锁套在所述驱动环上；

所述第二连接装置包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状，套在所述环锁的锁体上；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心，杆体另一端和锚定重物铰接；

所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。

该另一种环-梁式压电释放器中，所述第二连接装置的铰接环优先采用聚四氟乙烯制成，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。

本发明还公开了一种该另一种环-梁式压电释放器的工作方法，包含以下步骤：

进行锁定时：

转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；

进行释放时：

步骤A.1），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，夹心式压电换能器的驱动方法如下：

分别采用交流电信号AC-3、AC-4激励纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块；

当纵振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生纵向振动，驱动环产生面内的弯曲振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态C；

当弯振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生弯曲振动，驱动环产生面外的弯曲振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态D；

当交流电信号AC-3、AC-4相差90度时间相位时，夹心式压电换能器的的振动模态C和振动模态D被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC-3与AC-4相差-90度时间相位时，夹心式压电换能器的振动模态C和振动模态D被同时激发，且夹心式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；

步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；

步骤A.3），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，并不用于限制本发明，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 (8)

1.环-梁式压电释放器，其特征在于，包括浮体、贴片式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；

所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；

所述贴片式压电换能器包括压电复合梁、连接柱和驱动环；

所述压电复合梁包括梁体、纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块、以及第一至第二连接件；

所述梁体为长方体，包含第一端面、第二端面、以及依次首位相连的第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述纵振压电陶瓷模块包含若干设置在梁体纵振振型节点上的纵振压电陶瓷单元；所述纵振压电陶瓷单元包含两片沿厚度方向极化的压电陶瓷片，其中一片压电陶瓷片设置在梁体的第一侧壁上，另一片压电陶瓷片对称设置在梁体的第三侧壁上；各个纵振压电陶瓷单元中压电陶瓷片的极化方向相反；

所述弯振压电陶瓷模块包含若干设置在梁体弯振振型波谷上的弯振压电陶瓷单元；所述弯振压电陶瓷单元包含两片沿厚度方向极化的压电陶瓷片，其中一片压电陶瓷片设置在梁体的第一侧壁上，另一片压电陶瓷片对称设置在梁体的第三侧壁上，两片压电陶瓷片的极化方向相同；各个弯振压电陶瓷单元在梁体第一侧壁上的压电陶瓷片的极化方向相同；

所述第一连接件、第二连接件对称设置在梁体的第二侧壁、第四侧壁上，用于和外界相连；

所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；

所述连接柱为横截面比梁体横截面小的柱体；所述连接柱的一端和所述梁体的第二端面同轴固连，另一端和所述驱动环的外壁固连，使得梁体的第一侧壁平行于所述驱动环的两个端面；所述连接柱的轴线经过所述驱动环的中心；

所述第一连接装置呈开口朝下的U形，包含顶边和两条侧边，所述顶边的两端分别和两条侧边的一端固连；所述顶边在其中点处和所述浮体铰接；所述两条侧边的另一端分别和所述第一连接件、第二连接件对应固连；

所述环锁套在所述驱动环上；

所述第二连接装置包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状，套在所述环锁的锁体上；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心，杆体另一端和锚定重物铰接；

所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。

2.根据权利要求1所述的环-梁式压电释放器，其特征在于，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。

3.根据权利要求1所述的环-梁式压电释放器，其特征在于，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。

4.基于权利要求1所述的环-梁式压电释放器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

进行锁定时：

转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；

进行释放时：

步骤A.1），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，贴片式压电换能器的驱动方法如下：

分别采用交流电信号AC-1、AC-2激励纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块；

当纵振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生纵向振动，驱动环产生面内的弯曲振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态A；

当弯振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生弯曲振动，驱动环产生面外的弯曲振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态B；

当交流电信号AC-1、AC-2相差90度时间相位时，贴片式压电换能器的的振动模态A和振动模态B被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC-1与AC-2相差-90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态A和振动模态B被同时激发，且贴片式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；

步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；

步骤A.3），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。

5.环-梁式压电释放器，其特征在于，包括浮体、夹心式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；

所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；

所述夹心式压电换能器包括压电复合梁、连接柱和驱动环；

所述压电复合梁包括预紧螺栓、前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体、纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块、以及第一至第二连接件，所述纵振压电陶瓷模块包含M个纵振压电陶瓷单元，所述弯振压电陶瓷模块包含N个弯振压电陶瓷单元，M、N均为大于等于1的自然数；

所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；

所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体为横截面形状相同的长方体，均包含上端面、下端面、以及依次首位相连的第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述后梁体上端面的中心设有和所述预紧螺栓相匹配的沉头通孔，M+N-1个连接梁体的上端面中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔，前梁体上端面的中心设有和所示预紧螺栓相匹配的螺纹孔；

所述纵振压电陶瓷单元包含2i个单分区压电陶瓷片和2i+1个单分区电极片，i为大于等于1的自然数；所述单分区压电陶瓷片、单分区电极片的形状均和所述前梁体横截面形状相同，中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔；所述单分区压电陶瓷片沿厚度方向极化；所述2i+1个单分区电极片和2i个单分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2i+1个单分区电极片和2i个单分区压电陶瓷片同轴，相邻单分区压电陶瓷片之间有单分区电极片分隔，且相邻单分区压电陶瓷片的极化方向相反；

所述弯振压电陶瓷单元包含2j个双分区压电陶瓷片和2j+1个双分区电极片，j为大于等于1的自然数；所述双分区压电陶瓷片、双分区电极片的形状均和所述前梁体横截面形状相同，中心均设有供所述预紧螺栓螺柱穿过的通孔；所述双分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，双分区压电陶瓷片的极化分界线为直线，且双分区压电陶瓷片两个分区的极化方向相反；所述2j+1个双分区电极片和2j个双分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2j+1个双分区电极片和2j个双分区压电陶瓷片同轴，2j个双分区压电陶瓷片的极化分界线共面，且相邻双分区压电陶瓷片之间有双分区电极片分隔；相邻双分区压电陶瓷片的极化方向相反；

所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体从上到下依次排列，形成M+N个空隙；所述前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体的第一侧壁共面，前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体的第二侧壁共面；

所述M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元填充在所述M+N个空隙中，每个空隙中填充1个纵振压电陶瓷单元或1个弯振压电陶瓷单元；

所述预紧螺栓的螺柱从所述后梁体的沉头通孔穿入，穿过各个连接梁体、M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元后和前梁体的螺纹孔螺纹相连，将M个纵振压电陶瓷单元、N个弯振压电陶瓷单元压紧；

所述第一连接件、第二连接件对称设置在前梁体、M+N-1个连接梁体、后梁体中任意一个的第二侧壁、第四侧壁上，用于和外界相连；

所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；

所述连接柱为横截面比前梁体横截面小的柱体；所述连接柱的一端和所述前梁体的下端面同轴固连，另一端和所述驱动环的外壁固连，使得前梁体的第一侧壁平行于所述驱动环的两个端面；所述连接柱的轴线经过所述驱动环的中心；

所述第一连接装置呈开口朝下的U形，包含顶边和两条侧边，所述顶边的两端分别和两条侧边的一端固连；所述顶边在其中点处和所述浮体铰接；所述两条侧边的另一端分别和所述第一连接件、第二连接件对应固连；

所述环锁套在所述驱动环上；

所述第二连接装置包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状，套在所述环锁的锁体上；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心，杆体另一端和锚定重物铰接；

所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。

6.根据权利要求5所述的环-梁式压电释放器，其特征在于，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。

7.根据权利要求5所述的环-梁式压电释放器，其特征在于，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。

8.基于权利要求5所述的环-梁式压电释放器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

进行锁定时：

转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；

进行释放时：

步骤A.1），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，夹心式压电换能器的驱动方法如下：

分别采用交流电信号AC-3、AC-4激励纵振压电陶瓷模块、弯振压电陶瓷模块；

当纵振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生纵向振动，驱动环产生面内的弯曲振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态C；

当弯振压电陶瓷模块被激励时，梁体产生弯曲振动，驱动环产生面外的弯曲振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态D；

当交流电信号AC-3、AC-4相差90度时间相位时，夹心式压电换能器的的振动模态C和振动模态D被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC-3与AC-4相差-90度时间相位时，夹心式压电换能器的振动模态C和振动模态D被同时激发，且夹心式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；

步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；

步骤A.3），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。