一种面定式预应力可控的振动激励方法与装置
技术领域
本发明涉及一种面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件比较困难的事，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负载能力、波形质量和量值准确度。
轴定式预应力可控的振动激励装置对该问题的解决提出了一种新的方式，但由于轴定式振动装置的振动参考物为预紧轴的端点，存在无法完全避免的侧摆等因素，因而更适合于针对某一参考点类别的振动波形激励。还有一类振动，是相对于参考平面上的振动，其对于侧摆等有着更为严格的要求，此时，使用以参考平面为基准的振动激励方式将具有更大优势。
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，本发明要解决的技术问题是：以参考平面为基准的振动激励方式的客观需求，提出一种面定式预应力可控的振动激励方法与装置，使用共轴双压电叠堆串联工作方式，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，用于产生振动信号波形；两个压电叠堆之间的隔离平面作为振动激励装置安装的基准面，从而避免轴定式方法的侧摆问题，进而产生高质量的高频振动激励波形。
本发明的目的是通过下述技术方案实现：
本发明公开的一种面定式预应力可控的振动激励方法，使用共轴双压电叠堆串联工作方式，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，用于产生振动信号波形；两个压电叠堆之间的隔离平面作为振动激励装置安装的基准面，从而避免轴定式方法的侧摆问题，进而产生高质量的高频振动激励波形。
本发明公开的一种面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型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型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，进而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，用作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，同时，第一圆环形金属垫片还作为面定式预应力可控的振动激励装置的安装紧固平板，安装固定在支撑体上，其上表面作为振动激励的基准参考平面，装置所产生的振动为该基准参考平面与激振台面之间的相对位移造成；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，以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，并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；第一压电叠堆在电感线圈传来的正弦信号作用下，在第一圆环形金属垫片和激振台面之间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。
本发明公开的一种面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；第一圆环形金属垫片作为面定式预应力可控的振动激励装置的安装紧固平板，安装固定在支撑体上，其上表面作为振动激励的基准参考平面。
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电压量值，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，该预应力以通过带螺纹的环形金属垫片为支撑，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电压量值，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，在第一圆环形金属垫片和激振台面之间产生所需的正弦振动激励。从而完成面定式预应力可控的振动激励产生过程，输出预应力可控的振动激励波形。
有益效果：
1、本发明公开的一种面定式预应力可控的振动激励方法与装置，使用两只共轴压电叠堆串联方式，以一只产生正弦振动，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。
2、本发明公开的一种面定式预应力可控的振动激励方法与装置，以两个压电叠堆之间的隔离平面作为振动激励装置安装的基准面，从而避免轴定式方法的侧摆问题，获得一种面定式预应力可控的振动激励装置，用于产生高质量的高频振动激励波形，以此获得更加均衡稳定的振动负载能力。
附图说明
图1本发明的一种面定式预应力可控的振动激励装置结构示意图；
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，本实施例公开一种面定式预应力可控的振动激励装置，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为由圆环片型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为由圆环片型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，用作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，同时，第一圆环形金属垫片3还作为面定式预应力可控的振动激励装置的安装紧固平板，安装固定在支撑体上，其上表面作为振动激励的基准参考平面，装置所产生的振动为该基准参考平面与激振台面1之间的相对位移造成；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，以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，并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；第一压电叠堆2在电感线圈14传来的正弦信号作用下，在第一圆环形金属垫片3和激振台面1之间产生驱动激振台面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面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，第一圆环形金属垫片3作为面定式预应力可控的振动激励装置的安装紧固平板，安装固定在支撑体上，其上表面作为振动激励的基准参考平面。并如图1所示连线。
通过电子计算机11设定预应力值，并调控直流信号源12输出的直流电压量值，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，该预应力以通过带螺纹的环形金属垫片7为支撑，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输出的直流电压量值，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，在第一圆环形金属垫片3和激振台面1之间产生所需的正弦振动激励。从而完成了面定式预应力可控的振动激励产生过程，输出预应力可控的振动激励波形。
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。
