技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及一種基于雙壓電陶瓷推挽驅(qū)動的正弦應(yīng)變發(fā)生裝置，屬于應(yīng)變量計(jì)量測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
[0002] 應(yīng)變是指固體及結(jié)構(gòu)承受
力、力矩、壓力等
載荷產(chǎn)生的
變形行為，以及
溫度等環(huán)境變化產(chǎn)生的熱脹冷縮的變形行為。在常溫應(yīng)變測量中，這種變形又特指彈性形變，即形變程度與載荷的變化呈單調(diào)對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)載荷消失后，形變即消失。而應(yīng)變量是定量衡量這類應(yīng)變大小的一種物理量值。對于應(yīng)變測量，人們有各種不同的原理和方法，從經(jīng)典的
電阻式應(yīng)變測量、電容式應(yīng)變測量、電感式應(yīng)變測量、
磁致伸縮式應(yīng)變測量，到
半導(dǎo)體式應(yīng)變測量、懸絲式應(yīng)變測量、光纖光柵式應(yīng)變測量等等，原理與方法眾多。
[0003] 在應(yīng)變量的計(jì)量校準(zhǔn)中，應(yīng)變發(fā)生裝置是必須的環(huán)節(jié)，尤其是能夠產(chǎn)生正弦應(yīng)變
波形的激勵(lì)裝置，在應(yīng)變測量與動態(tài)校準(zhǔn)中的地位不可替代。以電磁
振動臺驅(qū)動應(yīng)變梁可以產(chǎn)生正弦應(yīng)變波形
信號，但受限于電磁振動臺的
頻率范圍，所能產(chǎn)生的正弦應(yīng)變
頻率范圍不夠?qū)?。以壓電陶?PZT)的疊堆構(gòu)成的壓電振動臺，可以產(chǎn)生更高頻率的正弦振動，可望能夠用于驅(qū)動應(yīng)變梁產(chǎn)生高頻正弦應(yīng)變信號波形。但是，壓電陶瓷PZT的疊堆構(gòu)成的壓電振動臺有其固有缺點(diǎn)：1)其膨脹產(chǎn)生的推力很大，但收縮產(chǎn)生的拉力則很小，導(dǎo)致振動過程中的負(fù)載能力不均衡；2)其膨脹產(chǎn)生的位移與收縮產(chǎn)生的位移并不完全相等，導(dǎo)致振動過程中的位移能力不均衡。由此，限制了其在應(yīng)變激勵(lì)中的工程應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 本發(fā)明針對壓電陶瓷PZT的疊堆構(gòu)成的壓電振動臺在驅(qū)動應(yīng)變梁過程中的缺點(diǎn)和局限，提出一種基于雙壓電陶瓷推挽驅(qū)動的正弦應(yīng)變發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生高頻正弦應(yīng)變。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006] 1、一種基于雙壓電陶瓷推挽驅(qū)動的正弦應(yīng)變發(fā)生裝置，包括叉式應(yīng)變梁、第一壓電振動臺、第二壓電振動臺、正弦信號發(fā)生器、功率
放大器、電感箱、被測應(yīng)變片和應(yīng)變測量儀。
[0007] 叉式應(yīng)變梁軸線的懸臂端點(diǎn)為B點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)之間為叉式結(jié)構(gòu)，用于第一壓電振動臺和第二壓電振動臺給叉式應(yīng)變梁加載位移驅(qū)動。正弦信號發(fā)生器用于產(chǎn)生位移驅(qū)動所需的正弦信號波形；
功率放大器將正弦信號發(fā)生器的信號進(jìn)行功率放大；電感箱用于調(diào)節(jié)
電路中的電感使用于驅(qū)動的功率放大器處于匹配諧振狀態(tài)；被測應(yīng)變片貼在應(yīng)變梁上，過被測應(yīng)變片中心的軸線與叉式應(yīng)變梁軸線的交點(diǎn)為C點(diǎn)，叉式應(yīng)變梁軸線的約束端點(diǎn)為O點(diǎn)；被測應(yīng)變片的信號連接端與應(yīng)變測量儀相應(yīng)的連接端連接。
[0008] 2、雙壓電振動臺推挽工作狀態(tài)，始終保持推力驅(qū)動應(yīng)變梁振動；壓電陶瓷PZT疊堆構(gòu)成的壓電振動臺的電驅(qū)動
端子擁有極性，包括正負(fù)兩個(gè)端子，它們的
電壓極性控制著振動臺的伸縮狀態(tài)。第一壓電振動臺和第二壓電振動臺的壓
電極性恰好相反，這樣，使得第一壓電振動臺和第二壓電振動臺始終處于
相位恰好相反的信號驅(qū)動，因而總能使得第一壓電振動臺和第二壓電振動臺處于推挽工作狀態(tài)，一個(gè)為膨脹狀態(tài)，另外一個(gè)必為收縮狀態(tài)，由此導(dǎo)致應(yīng)變梁始終處于第一壓電振動臺和第二壓電振動臺的正弦推動力作用之下，較少使用它們的拉力作用，可以擁有較大的負(fù)載能力；
[0009] 3、叉式結(jié)構(gòu)應(yīng)變梁，允許推挽狀態(tài)的雙壓電振動臺拉壓狀態(tài)位移存在差異；叉式應(yīng)變梁的叉式結(jié)構(gòu)允許第一壓電振動臺和第二壓電振動臺處于推挽工作狀態(tài)時(shí)，兩者所產(chǎn)生的位移在點(diǎn)B、D之間有輕微的不一致，最終共同作用于應(yīng)變梁，在點(diǎn)O、B之間合成為相同一致的位移和振動。
[0010] 4、使用電感箱調(diào)節(jié)電路中的電抗，使得功率放大器、電感箱及第一壓電振動臺和第二壓電振動臺在所加載的正弦信號頻率上處于電路諧振狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)功率放大器輸出端阻抗使其處于匹配狀態(tài)，以便獲得最大驅(qū)動功率，最終獲得最大的振動幅值。
[0011] 5、激振：由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的設(shè)定頻率的正弦信號，經(jīng)過功率放大器放大后，再通過電感箱，同時(shí)加載到第一壓電振動臺和第二壓電振動臺上，導(dǎo)致叉式應(yīng)變梁產(chǎn)生推挽正弦振動。在叉式應(yīng)變梁的點(diǎn)C處產(chǎn)生正弦應(yīng)變，由被測應(yīng)變片
感知，用應(yīng)變測量儀測量獲得實(shí)測應(yīng)變值。
[0012] 有益效果
[0013] 1、本發(fā)明具有方法簡捷、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。由PZT壓電振動臺驅(qū)動應(yīng)變梁產(chǎn)生的正弦應(yīng)變，可以實(shí)現(xiàn)比電磁振動臺高的頻率范圍。為高頻率范圍應(yīng)變量值的動態(tài)校準(zhǔn)提供技術(shù)手段。
[0014] 2、本發(fā)明的一種基于雙PZT推挽驅(qū)動的正弦應(yīng)變發(fā)生裝置，主要使用雙壓電振動臺推挽工作狀態(tài)，始終保持推力驅(qū)動應(yīng)變梁振動；使用叉式結(jié)構(gòu)應(yīng)變梁，允許推挽狀態(tài)的雙壓電振動臺的拉、壓狀態(tài)位移存在差異；使用電感箱調(diào)節(jié)電路中的電抗，使電路處于諧振狀態(tài)，可產(chǎn)生最大正弦應(yīng)變幅度。振動過程中的負(fù)載能力均衡；振動過程中的位移能力均衡。
附圖說明
[0015] 圖1為一種基于雙PZT推挽驅(qū)動的正弦應(yīng)變發(fā)生裝置的原理
框圖；
[0016] 圖2為壓電陶瓷升壓和降壓之間存在的位移差典型曲線。
[0017] 其中，1—叉式應(yīng)變梁、2—第一壓電振動臺、3—第二壓電振動臺、4—正弦信號發(fā)生器、5—功率放大器、6—電感箱、7—被測應(yīng)變片、8—應(yīng)變測量儀。
[0018] 叉式應(yīng)變梁軸線的懸臂端點(diǎn)為B點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)之間為叉式結(jié)構(gòu)，用于第一壓電振動臺和第二壓電振動臺給叉式應(yīng)變梁加載應(yīng)變驅(qū)動。正弦信號發(fā)生器用于產(chǎn)生驅(qū)動所需的正弦信號波形；功率放大器將正弦信號發(fā)生器的信號進(jìn)行功率放大；電感箱用于調(diào)節(jié)電路中的電感使用于驅(qū)動的功率放大器輸出電路處于匹配諧振狀態(tài)；被測應(yīng)變片貼在叉式應(yīng)變梁上，過被測應(yīng)變片中心的軸線與叉式應(yīng)變梁軸線的交點(diǎn)為C點(diǎn)，叉式應(yīng)變梁軸線的約束端點(diǎn)為O點(diǎn)；被測應(yīng)變片的信號連接端與應(yīng)變測量儀相應(yīng)的連接端連接。
具體實(shí)施方式
[0019] 下面結(jié)合附圖和
實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 1、一種基于雙PZT推挽驅(qū)動的正弦應(yīng)變發(fā)生裝置，如圖1所示；包括叉式應(yīng)變梁1、第一壓電振動臺2、第二壓電振動臺3、正弦信號發(fā)生器4、功率放大器5、電感箱6、被測應(yīng)變片7和應(yīng)變測量儀8。
[0022] 叉式應(yīng)變梁1軸線的懸臂端點(diǎn)為B點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)之間為叉式結(jié)構(gòu)，用于第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3給叉式應(yīng)變梁1加載位移驅(qū)動。正弦信號發(fā)生器4用于產(chǎn)生位移驅(qū)動所需的正弦信號波形；功率放大器5將正弦信號發(fā)生器4的信號進(jìn)行功率放大；電感箱6用于調(diào)節(jié)電路中的電感使用于驅(qū)動的功率放大器5處于匹配諧振狀態(tài)；被測應(yīng)變片7貼在叉式應(yīng)變梁1上，過被測應(yīng)變片7中心的軸線與叉式應(yīng)變梁1軸線的交點(diǎn)為C點(diǎn)，叉式應(yīng)變梁1軸線的約束端點(diǎn)為O點(diǎn)；被測應(yīng)變片7的信號連接端與應(yīng)變測量儀8相應(yīng)的連接端連接。
[0023] 2、雙壓電振動臺推挽工作狀態(tài)，始終保持推力驅(qū)動應(yīng)變梁振動；壓電陶瓷PZT疊堆構(gòu)成的壓電振動臺的電驅(qū)動端子擁有極性，包括正負(fù)兩個(gè)端子，它們的電壓極性控制著振動臺的伸縮狀態(tài)。第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3的壓電極性恰好相反，這樣，使得第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3始終處于相位恰好相反的信號驅(qū)動，因而總能使得第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3處于推挽工作狀態(tài)，一個(gè)為膨脹狀態(tài)，另外一個(gè)必為收縮狀態(tài)，由此導(dǎo)致叉式應(yīng)變梁1始終處于第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3的正弦推動力作用之下，較少使用它們的拉力作用，可以擁有較大的負(fù)載能力；
[0024] 3、叉式結(jié)構(gòu)應(yīng)變梁，允許推挽狀態(tài)的雙壓電振動臺拉壓狀態(tài)位移存在差異；叉式應(yīng)變梁1的叉式結(jié)構(gòu)允許第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3處于推挽工作狀態(tài)時(shí)，兩者所產(chǎn)生的位移在點(diǎn)B、D之間有輕微的不一致，最終共同作用于叉式應(yīng)變梁1，在點(diǎn)O、B之間合成為相同一致的位移和振動。
[0025] 4、使用電感箱調(diào)節(jié)電路中的電抗，使得功率放大器5、電感箱6及第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3在所加載的正弦信號頻率上處于電路諧振狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)功率放大器5輸出端阻抗使其處于匹配狀態(tài)，以便獲得最大驅(qū)動功率，最終獲得最大的振動幅值。
[0026] 采用上述裝置產(chǎn)生正弦應(yīng)變的方法：由正弦信號發(fā)生器4產(chǎn)生的設(shè)定頻率的正弦信號，經(jīng)過功率放大器5放大后，再通過電感箱6，同時(shí)加載到第一壓電振動臺2和第二壓電振動臺3上，導(dǎo)致叉式應(yīng)變梁1產(chǎn)生推挽正弦振動。在叉式應(yīng)變梁1的點(diǎn)C處產(chǎn)生正弦應(yīng)變，由被測應(yīng)變片7感知，用應(yīng)變測量儀8測量獲得實(shí)測應(yīng)變值。
[0027] 其中：
[0028] 叉式應(yīng)變梁1的材料為不銹
鋼，幾何尺寸為：
[0029] OB之間：長×寬×厚＝350mm×15mm×5mm
[0030] 雙差尺寸為：長×寬×厚＝50mm×15mm×5mm
[0031] AB之間距離：15mm
[0032] AD之間距離：50mm
[0033] 振動頻率為1kHz，獲得應(yīng)變峰值＝964με
[0034] 1)針對單一壓電陶瓷振動臺采用多層疊堆結(jié)構(gòu)形式造成的其推力幅度較大、負(fù)載能力較強(qiáng)，拉力幅度較小、負(fù)載能力較弱，因而直接應(yīng)用在振動位移驅(qū)動中，會導(dǎo)致振動過程中的負(fù)載能力不均衡的問題，以及在拉力狀態(tài)下無法實(shí)現(xiàn)大負(fù)載能力的問題(極易開膠、開裂和拉斷疊堆)，本發(fā)明使用雙壓電陶瓷振動臺推挽方式工作，用產(chǎn)生的壓力、拉力互補(bǔ)方式，同時(shí)解決了大負(fù)載能力問題和負(fù)載能力不均衡問題；
[0035] 2)針對壓電陶瓷振動臺
遲滯效應(yīng)導(dǎo)致的在電壓升、降過程中，相同的升降幅度導(dǎo)致的位移幅度不一致的問題所造成的振動過程中的位移能力不均衡，如圖2所示。本發(fā)明使用了叉形梁結(jié)構(gòu)，吸收了雙壓電陶瓷振動臺推挽方式工作時(shí)，推挽電壓升、降造成的位移間的微小差異。
[0036] 在實(shí)際的驗(yàn)證系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)表明，叉式應(yīng)變梁可以有效解決該問題，獲得統(tǒng)一一致的應(yīng)變激勵(lì)結(jié)果。
[0037] 以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或
修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
