Пьезоэлектрический вибростенд Советский патент 1992 года по МПК G01M7/04 

Изобретение относится 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, представляющий 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 для крепления испытуемых датчиков. Такой вибростенд имеет простую конструкцию, но пригоден для работы лишь на резонансной частоте и при малых весовых нагрузках.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является пьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, виброплатформу для установки испытуемого датчика, подвешенную к корпусу по- средством мембраны, и связанные с виброплатформой пьезовибраторы, снабженные концентраторами с различными резонансными частотами, расположенны- ми равномерно по окружности и имеющими одну точку пересечения осей.

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

Известный вибростенд имеет и другие недостатки. Рабочие концентраторы с пье- зовибраторами устанавливаются под углом к виброплатформе. Это требует изготавливать основание в виде образующей поверхности усеченного конуса, обрабатывать которую по высокому классу точности очень сложно. Плохая 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 рабочая амплитуда смещения двух пьезоэлементов, использованных в конструкции равна

W 2d33- U,

где d33 - пьезомодуль керамики;

U - прилЪженное электрическое напряжение.

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

Тогда, например, для базовой частоты из диапазона 50-1000 Гц, на которой измеряют коэффициент преобразования акселерометров, это будет соответствовать ускорениям 0,004-1,6 м-с . Такие амплитуды виброускорений пригодны для калибровки ограниченного числа акселерометров, имеющих очень высокий коэффициент преобразования.

Кроме того, незначительные рабочие виброперемещения концентраторов обуславливают повышенные требования к технологии, в частности к точности и качеству изготовления 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 появлению значительных боковых составляющих 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 наличия пассивных концентраторов.

Цель изобретения - повышение точности воспроизведения вибраций за счет снижения нелинейных искажений и увеличение диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений.

Для этого в пьезоэлектрическом вибростенде, содержащем корпус, виброплатформу для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембраны, связанный 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 поляризацией, которые выполнены из пьезоматериалов с одинаковым пьезомодулем и одинаковой симметричной формой петель гистерезиса, и соединены электрически параллельно с коммутацией электродов разной полярности, 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 конструкция предлагаемого вибростенда; на фиг.2 -схема коммутации пьезоэяементов в вибраторе.

Пьезоэлектрический вибростенд содержит корпус 1, связанный с виброплатформой 2 через мембрану 3. Мембрана 3 поджимается к корпусу 1 накладным хомутом 4 при помощи винтов 5, а виброплатформа 2 вкручивается в центральную часть мембраны 3 и дополнительно фиксируется контргайкой 5.

Пьезовибратор стенда состоит из двух коаксиально установленных по рабочей оси вибростенда с зазором между ними полых пьезоцилиндров 7 и 8 с радиальной поляризацией (поляризованных 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 подключаются к источнику переменного электрического напряжения (не показано). При этом вместе скоммутированы электроды, имеющие противоположный знак поляризации (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 перемещения 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 центрируются 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 определяют 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, вворачивая вибро5 платформу 2 в мембрану 3 до получения необходимого прогиба последней. Виброплатформу 2 фиксируют контргайкой 6.

Пьезоэлектрический вибростенд работает следующим образом.

0 На пьезоцилиндры 7 и 8 подается переменное электрическое напряжение, которое они преобразуют в механическое перемещение. Так как пьезоэлементы представляют собой полые цилиндры, поляризованные

5 по толщине, то благодаря обратному пьезо- эффекту они изменяют свои линейные размеры под действием электрического напряжения на величину

40

W - dai U Ь/-а

где dsi - пьезомодуль керамики пьезоцилиндров, Кл/Н;

U - приложенное электрическое напря- 45 жение, В;

b - высота пьезоцилиндра, м;

а - толщина стенки пьезоцилиндра, м;

Так как пьезоэлементы соединены электрически параллельно, при встречном направлении поляризации, указанном на фиг.2, то они будут изменять свои линейные размеры, совершая колебания в противофа- зе (один растягивается, другой сжимается и наоборот). В конструкции вибростенда жесткость дополнительного упругого элемента К . Ко жесткости мембраны, а сила поджатия F FO. Тогда, растягиваясь под действием электрического напряжения, пьезоцилиндр 7 сместит дополнительный соединительный элемент 9 и упругий элемент 10, а вместе с ним пьезоцилиндр 8 на расстояние W, Так как мембрана 3 предварительно напряжена, то, стремясь распрямиться, 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 составляет 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 растяжение пьезоцилиндра 8 на величину W, что вызывает дополнительное смещение виброплатформы 2. Суммарное смещение как и раньше составляет 2W,

Подавая на вибростенд переменное напряжение 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 направления поляризации скоммутированных электродов позволяет уменьшить величину нелинейн.ых искажений вибростенда.

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

Дополнительное упругое поджатие пьезоцилиндров к корпусу и виброплатформе с

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

Величину этой силы F дополнительного

поджатия выбирают из условия

F (3d3i -U -К, a /

где dat - пьезомодуль керамики пьезоцилиндров, Кл/Н;

U - предельное рабочее напряжение пьезоцилиндров, В;

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

FO - усилие поджатия 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 позволяет уменьшить габариты стенда. Диаметральный размер вибратора равен, а продольный размер незначительно превышает размеры наружного пьезоэлемента, внутренний объем которого является рабочей зоной второго пьезоэлемента.

Предлагаемый вибростенд имеет высокую осевую жесткость, большое толкающее

усилие и работает вдали от резонансной частоты. Это позволяет испытывать на нем изделия с большой массой, непосредственно нагружая 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:

резонансная частота 4 кГц, амплитуда виброперемещения 0,012 мкм/В; амплитуда виброускорения на частоте 1000 Гц, при напряжении 100 В 50 м масса испытуемых изделий 5 кг.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, виброплатформу для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембраны, связанный с виброплатформой пьезоэлектрический вибровозбудитель, включающий два пьезоэлемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения вибраций за

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

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

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для вибрационных испытаний изделий и калибровки датчиков. Цель изобретения - повышение точности воспроизведения вибраций за счет снижения нелинейных искажений и увеличения диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений. Стенд содержит корпус (1), виброплатформу (2) для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембраны (3) и связанную с ним через пьезоэлектрический вибровозбудитель. Последний включает два пьезоэлемента,

+

+

фиг. 2