SU1747977A1 - Пьезоэлектрический вибростенд - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к испытательной технике и может быть использовано дл  вибрационных испытаний изделий и калибровки датчиков. Цель изобретени  - повышение точности воспроизведени  вибраций за счет снижени  нелинейных искажений и увеличени  диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений. Стенд содержит корпус (1), виброплатформу (2) дл  установки испытуемого издели , подвешенную к корпусу посредством мембраны (3) и св занную с ним через пьезоэлектрический вибровозбудитель. Последний включает два пьезоэлемента,

Description

Изобретение относитс  к испытательной технике, а именно к пьезоэлектрическим вибростендам, и может быть использовано при калибровке датчиков, а также при проведении вибрационных испы- таний изделий.

Известен пьезоэлектрический вибростенд , представл ющий собой полый цилиндрический вибратор, набранный из пьезоэлектрических колец. Электрически кольца соединены параллельно, а механически последовательно, поэтому амплитуда колебаний цилиндра вдоль оси равна сумме колебаний отдельных колец. Нижнее кольцо склеено с массивным основанием, а верхнее с платформой дл  креплени  испытуемых датчиков. Такой вибростенд имеет простую конструкцию, но пригоден дл  работы лишь на резонансной частоте и при малых весовых нагрузках.

Наиболее близким к за вл емому по технической сущности  вл етс  пьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, виброплатформу дл  установки испытуемого датчика, подвешенную к корпусу по- средством мембраны, и св занные с виброплатформой пьезовибраторы, снабженные концентраторами с различными резонансными частотами, расположенны- ми равномерно по окружности и имеющими одну точку пересечени  осей.

Вибростенд-прстотип имеет высокое значение нелинейности амплитудной характеристики . Это обусловлено тем, что де- формаци  пьезокерамики зависит от того, совпадает ли направление приложенного электрического пол  с направлением no/ta- ризации и носит нелинейный гистерезис- ный характер. При этом нелинейные искажени  от двух механически соединенных последовательно пьезоэлементов складываютс  и возрастают с увеличением напр женности приложенного электрического пол .

Известный вибростенд имеет и другие недостатки. Рабочие концентраторы с пье- зовибраторами устанавливаютс  под углом к виброплатформе. Это требует изготавливать основание в виде образующей поверхности усеченного конуса, обрабатывать которую по высокому классу точности очень сложно. Плоха  обработка поверхности приводит к снижению контактной жесткости стыка вибратор-корпус, и как следствие к уменьшению амплитуды вибрации и резонансной частоты.

Кроме того, вибростенд-прототип имеет узкий диапазон рабочих частот и ускорений , который ограничен областью резонан- сов концентраторов. Нетрудно установить, что вдали от резонанса рабоча  амплитуда смещени  двух пьезоэлементов, использованных в конструкции равна

W 2d33- U,

где d33 - пьезомодуль керамики;

U - прилЪженное электрическое напр жение .

При использовании наиболее распространенной керамики ЦТС-19, дл  которой йзз равно 200 пКл/Н, и при значении электрического напр жени  100В, развиваемого современными генераторами, получают амплитуду перемещени  W 0,04 мкм.

Тогда, например, дл  базовой частоты из диапазона 50-1000 Гц, на которой измер ют коэффициент преобразовани  акселерометров , это будет соответствовать ускорени м 0,004-1,6 м-с . Такие амплитуды виброускорений пригодны дл  калибровки ограниченного числа акселерометров, имеющих очень высокий коэффициент преобразовани .

Кроме того, незначительные рабочие виброперемещени  концентраторов обуславливают повышенные требовани  к технологии , в частности к точности и качеству изготовлени  элементов конструкции вибростенда . Очевидно, что ошибка в размерах при установке концентраторов в сотые доли микрона приводит как к искажению амплитудно-частотной характеристики вибростенда, так и к по влению значительных боковых составл ющих колебаний из-за неравномерной нагрузки виброплатформы.

Этот вибростенд имеет значительные габариты из-за установки пьезовибраторов под углом, необходимости изготавливать виброплатформу и основание в виде усеченных конусов, а также наличи  пассивных концентраторов.

Цель изобретени  - повышение точности воспроизведени  вибраций за счет снижени  нелинейных искажений и увеличение диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений .

Дл  этого в пьезоэлектрическом вибростенде , содержащем корпус, виброплатформу дл  установки испытуемого издели , подвешенную к корпусу посредством мембраны , св занный с виброплатформой пьезоэлектрический вибровозбудитель, включающий два пьезоэлемента, последние выполнены в виде коаксиально установленных по рабочей оси вибростенда с зазором между ними полых цилиндров с радиальной пол ризацией, которые выполнены из пьезоматериалов с одинаковым пьезомодулем и одинаковой симметричной формой петель гистерезиса, и соединены электрически параллельно с коммутацией электродов разной пол рности, а механически - последовательно, причем один из цилиндров соединен торцом с корпусом, второй с виброплатформой, а свободные торцы цилиндров жестко соединены между собой.

На фиг.1 изображена конструкци  предлагаемого вибростенда; на фиг.2 -схема коммутации пьезоэ ементов в вибраторе .

Пьезоэлектрический вибростенд содержит корпус 1, св занный с виброплатформой 2 через мембрану 3. Мембрана 3 поджимаетс  к корпусу 1 накладным хомутом 4 при помощи винтов 5, а виброплатформа 2 вкручиваетс  в центральную часть мембраны 3 и дополнительно фиксируетс  контргайкой 5.

Пьезовибратор стенда состоит из двух коаксиально установленных по рабочей оси вибростенда с зазором между ними полых пьезоцилиндров 7 и 8 с радиальной пол ризацией (пол ризованных по толщине).

Цилиндры выполнены из пьезоэлектрических материалов с одинаковой симметричной формой петли гистерезиса и одинаковым пьезомодулем.

Электрически пьезоцилиндры 7 и 8 в вибраторе соединены параллельно (фиг.2) и

0 подключаютс  к источнику переменного электрического напр жени  (не показано). При этом вместе скоммутированы электроды , имеющие противоположный знак пол ризации (на фиг.2 отмечены знаками + и

5 -). Механически цилиндры соединены последовательно .

Внешний цилиндр 7 одним своим торцом присоединен к корпусу 1 вибростенда, а свободные торцы цилиндров 7 и 8 жестко соединены между собой и установлены с возможностью перемещени  относительно корпуса. При этом цилиндры одной парой торцов установлены на соединительном элементе 9 и поджаты другими торцами к

основанию и виброплатформе 2 соответственно дополнительным упругим элементом 10, размещенным между корпусом и соединительным элементом при помощи винтов 11.

0 Пьезоцилиндры 7 и 8 центрируютс  относительно корпуса 1 виброплатформы 2 и соединительного элемента 9 фторопластовыми втулками 12-15.

При сборке вибростенда пьезоцилиндр

5 7 устанавливают на соединительный элемент 9 и поджимают к корпусу 1 дополнительным упругим элементом 10 с некоторой силой F, величину которой определ ют по прогибу последнего. Затем на соединитель0 ный элемент устанавливают пьезоцилиндр 8, а мембрану 3 поджимают к корпусу хомутом 4. На последнем этапе сборки пьезоцилиндр 8 прижимают к соединительному элементу 9 с усилием F0, вворачива  вибро5 платформу 2 в мембрану 3 до получени  необходимого прогиба последней. Виброплатформу 2 фиксируют контргайкой 6.

Пьезоэлектрический вибростенд работает следующим образом.

0 На пьезоцилиндры 7 и 8 подаетс  переменное электрическое напр жение, которое они преобразуют в механическое перемещение . Так как пьезоэлементы представл ют собой полые цилиндры, пол ризованные

5 по толщине, то благодар  обратному пьезо- эффекту они измен ют свои линейные размеры под действием электрического напр жени  на величину

40

W - dai U Ь/-а

где dsi - пьезомодуль керамики пьезоцилиндров , Кл/Н;

U - приложенное электрическое напр - 45 жение, В;

b - высота пьезоцилиндра, м;

а - толщина стенки пьезоцилиндра, м;

Так как пьезоэлементы соединены электрически параллельно, при встречном направлении пол ризации, указанном на фиг.2, то они будут измен ть свои линейные размеры, соверша  колебани  в противофа- зе (один раст гиваетс , другой сжимаетс  и наоборот). В конструкции вибростенда жесткость дополнительного упругого элемента К . Ко жесткости мембраны, а сила поджати  F FO. Тогда, раст гива сь под действием электрического напр жени , пьезоцилиндр 7 сместит дополнительный соединительный элемент 9 и упругий элемент 10, а вместе с ним пьезоцилиндр 8 на рассто ние W, Так как мембрана 3 предварительно напр жена, то, стрем сь распр митьс , получает вместе с виброплатформой 2 такое же смещение. Одновременно происходит сжатие пьезоцилиндра 8 на величину W, что приводит к дополнительному смещению виброплатформы 2. Таким образом, суммарное смещение составл ет 2W.

При сжатии пьезоцилиндра 7 происходит смещение дополнительного соединительного элемента 9 с пьезоцилиндром 8 под действием силы со стороны упругого элемента 10 на величину W. Одновременно происходит раст жение пьезоцилиндра 8 на величину W, что вызывает дополнительное смещение виброплатформы 2. Суммарное смещение как и раньше составл ет 2W,

Подава  на вибростенд переменное напр жение с частотой со, получают переменное смещение виброплатформы с амплитудой ± 2W или с ускорением а 2 ft/ W.

Использование в вибраторе разно- толщинных коаксиально расположенных пьезоцилиндров одинаковой высоты, установленных с зазором между собой, а также их электрическое параллельное соединение при разном знаке направлени  пол ризации скоммутированных электродов позвол ет уменьшить величину нелинейн.ых искажений вибростенда.

Установка пьезоцилиндров одной ла- рой торцов на соединительном элементе и другими торцами на корпусе и в виброплатформе позвол ет включить их механически последовательно, а следовательно, получить суммарную амплитуду виброперемещени  виброплатформы и расширить диапазон воспроизводимых ускорений, без дополнительного увеличени  габаритных размеров.

Дополнительное упругое поджатие пьезоцилиндров к корпусу и виброплатформе с

силой F с помощью упругого элемента позвол ет расширить и получить максимально возможный амплитудный рабочий диапазон стенда.

Величину этой силы F дополнительного

поджати  выбирают из услови 

F (3d3i -U -К, a /

где dat - пьезомодуль керамики пьезоцилиндров , Кл/Н;

U - предельное рабочее напр жение пьезоцилиндров, В;

Ь,а - высота и толщина стенок пьезоцилиндров соответственно, м;

FO - усилие поджати  мембраной, Н;

Ко,К - жесткость мембраны и дополнительного упругого элемента, Н/м соответственно .

Кроме того, выполнение вибратора в виде наружного и внутреннего пустотелых, коаксиально расположенных пьезоцилиндров позвол ет уменьшить габариты стенда. Диаметральный размер вибратора равен, а продольный размер незначительно превышает размеры наружного пьезоэлемента, внутренний объем которого  вл етс  рабочей зоной второго пьезоэлемента.

Предлагаемый вибростенд имеет высокую осевую жесткость, большое толкающее

усилие и работает вдали от резонансной частоты. Это позвол ет испытывать на нем издели  с большой массой, непосредственно нагружа  их на виброплатформу.

Изготовленный макет вибростенда с

вибратором из двух пьезоэлементов высотой 71 мм, наружным диаметром 28 и 18 мм и толщино й стенки 1,5 мм из материала ЦТСНВ-1, показывает следующие основные технические характеристики:

резонансна  частота 4 кГц, амплитуда виброперемещени  0,012 мкм/В; амплитуда виброускорени  на частоте 1000 Гц, при напр жении 100 В 50 м масса испытуемых изделий 5 кг.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Пьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, виброплатформу дл  установки испытуемого издели , подвешенную к корпусу посредством мембраны , св занный с виброплатформой пьезоэлектрический вибровозбудитель, включающий два пьезоэлемента, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности воспроизведени  вибраций за

   счет снижени  нелинейных искажений и увеличени  диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений, пьезоэлементы выполнены в виде коаксиально установленных по рабочей оси вибростенда с зазором между

   ними полых цилиндров с радиальной пол ризацией , которые выполнены из пьезома- териалов с одинаковым пьеэомодулем и одинаковой симметричной формой петель гистерезиса и соединены электрически параллельно с коммутацией электродов разной пол рности, а механически - последовательно , причем один из цилиндров соединен торцом с корпусом, другой - с виброплатформой, а свободные торцы цилиндров жестко соединены между собой .

   +

   +

   фиг. 2