Пьезоэлектрический вибростенд

(51)5 6 7 О ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Р) ьъ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Яфс"(71) Особое конструкторское бюро "Пьезоприборуниверситете) Изобретение относится к испытательй 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,1747977 5 10 15 20 25 40 выполненные в виде коаксиально установленных по рабочей оси стенда полы цилиндров (7, 8), с радиальной поляризацией, материалы которых имеют одинаковый и ьеэомодуль и одинаковые симметричные формы петель гистерезиса. Цилиндры (7, 8) соединены электрически параллельно с коммутацией электродов разной полярности. Внешний цилиндр (7) одним торИзобретение относится к испытательной технике, а именно к пьезоэлектрическим вибростендам, и может быть использовано при калибровке датчиков, а также при проведении вибрационных испытаний изделий.Известен пьезоэлектрический вибростенд, представляющий собой полый цилиндрический вибратор, набранный из пьезоэлектрических колец. Электрически кольца соединены параллельно, а механи. чески 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 посредством мембраны, и связанные с виброплатформой пьезовибраторы, снабженные концентраторами с различными резонансными частотами, расположенны-ми равномерно по окружности и имеющими 30одну точкупересечения осей. Вибростенд-прототип имеет высокое значение нелинейности амплитудной характеристики. Это обусловлено тем, что деформация пьезокерамики зависит от того,совпадает ли направление приложенногоэлектрического поля с направлением поляризации и носит нелинейный гистерезисный характер. При этом нелинейные искажения от двух механически соединенных последовательно пьезоэлементов складываются и возрастают с увеличением напряженности приложенного электричеСкого поля, 45 цем соединенс корпусом, а другим - с торцам внутреннего цилиндра (8). Второй торец внутреннего цилиндра (8) соединен с в ибро платформой (2). П ри указа н ном расположении и соединении цилиндров амплитуды виброперемещений суммируются, так как при разном знаке поляризации один иэ них сжимается, а другой одновременно растягивается. 2 ил,Известный вибростенд имеет и другие недостатки. Рабочие концентраторы с пьезовибраторами устанавливаются под углом к виброплатформе, Это, требует изготавливать основание в виде образующей поверхности усечейного 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 резонансов концентраторов, Нетрудно установить, что вдали от резонанса рабочая амплитуда смещения двух пьезоэлементов, использованных в конструкции равна где бэз - пьезомодуль керамики;О - прилдженное электрическое напряжение,При использовании наиболее распространенной керамики ЦТС, для которой без равно 200 пКл/Н, и при значении электрического напряжения 100 В, развиваемого современными генераторами, получают амплитуду перемещения Ю - 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 виб1747977 ростенда, Очевидно, что ошибка в размерахпри установке концентраторов в сотыедоли микрона приводит как к искажениюамплитудно-частотной характеристикивибростенда, тэк и к появлению значительных боковых составляющих колебаний из-эа неравномерной нагрузкивиброплатформы,Этот вибростенд имеет значительныегабариты из-за установки пьезовибраторов 5под углом, необходимости изготавливатьвиброплатформу и основание в виде усеченных конусов, а также наличия пассйвныхконцентраторов.Цель изобретения - повышение точности воспроизведения вибраций эа счет снижения нелинейных искажений и увеличениедиапазона воспроизводимых амплитуд ускорений.Для этого в пьезоэлектрическом вибростенде, содержащем корпус, виброплатформу для установки испытуемого изделия,подвешенную к корпусу посредством мембраны, связанный с виброплатформойпьезоэлектрический вибровозбудитель,включающий два пьезоэлемента, последние выполнены в виде коаксиально установленных по рабочей оси вибростенда сзазором между ними полых цилиндров срадиальной поляризацией, которые выполнены из пьезоматериалов с одинаковымпьезомодулем и одинаковой симметричнойформой петель гистерезиса, и соединеныэлектрически параллельно с коммутациейэлектродов разной полярности, а механически - последовательно, причем один из цилиндров соединен торцом с корпусом,второй с виброплатформой, а свободныеторцы цилиндров жестко соединены междусобой. 2На фиг.1 изображена конструкция, предлагаемого вибростенда; на фиг.2 - схема коммутации пьезоэлементов в вибраторе.Пьезоэлектрический вибростенд содержит корпус 1, связанный с виброплатформой 2 через мембрану 3, Мембрана 3поджимается к корпусу 1 накладным хомутом 4 при помощи винтов 5, а виброплатформа 2 вкручивается в центральную часть 3мембраны 3 и дополнительно фиксируетсяконтргайкой 5,50 следовательно 10 20 ный элемент устанавливают пьезоцилиндр 30 ЧЧ бз 1 ОЬ/э 40 45 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 подключаются к источнику переменного электрического напряжения (не показано). При этом вместе скоммутированы электроды, имеющие противоположный знак поляризации (на фиг,2 отмечены знаками "+" и "-"). Механически цилиндры соединены поВнешнийцилиндр 7 одним своим торцом прйсоединен к корпусу 1 вибростенда,э 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 винтов11. Льеэоцилиндры 7 и 8 центрируются относительно корпуса 1 виброплатформы 2 и соединительного элемента 9 фторопластовыми втулками 12-15. При сборке вибростенда пьезоцилиндр 7 устанавливают на соединительный элемент 9 и поджимают к корпусу 1 дополнительным упругим элементом 10 с некоторой силой Р, величину которой определяют по прогибу последнего. Затем на соединитель 8, а мембрану 3 поджимают к корпусу хомутом 4. На последнем этапе сборки пьеэоцилиндр 8 прижимают к соединительному элементу 9 с усилием Ро, вворачивая вибро-платформу 2 в мембрану 3 до получения необходимого прогиба последней, Виброплатформу 2 фиксируют контргайкой 6,Пьезоэлектрический вибростенд работает следующим образом,На пьезоцилиндры 7 и 8 подается переменное электрическое напряжение, которое они преобразуют в механическое перемещение. Так как пьезоэлементы представляют собой полые цилиндры, поляризованные по толщине, то благодаря обратному пьезоэффекту они изменяют свои линейные размеры под действием электрическогонапряжения на величину где бз 1 - пьезомодуль керамики пьезоцилиндров, Кл/Н;0 - приложенное электрическое напряжение, В;Ь - высота пьезоцилиндра,м;а - толщина стенки пьезоцилиндра, м;Так как пьезоэлементы соединеныэлектрически параллельно, при встречномнаправлении поляризации, указанном нафиг.2, то они будут изменять свои линейныеразмеры, совершая колебания в противофазе (один растягивается, другой сжимается инаоборот), В конструкции вибростенда жесткость дополнительного упругого элемента К, Ко жесткости мембраны, а силаподжатия ЕР, Тогда, растягиваясь поддействием электрического напряжения,пьезоцилиндр 7 сместит дополнительныйсоединительный элемент 9 и упругий элемент 10, а вместе с ним пьезоцилиндр 8 нарасстояние Я, Так как мембрана 3 предварительно напряжена, то, стремясь. распрямиться, получает вместе с виброплатформой 2 такое же смещение, Одновременно происходит сжатие пьеэоцилиндра 8на величину Ю, что приводит к дополнительному смещению виброплатформы 2. Такимобразом, суммарное смещение составляет2 Я,При сжатии пьезоцилиндра 7 происходит смещение дополнительного соединительного элемента 9 с пьезоцилиндром 8под действием силы со стороны упругогоэлемента 10 навеличину ЧЧ. Одновременнопроисходит растяжение пьезоцилиндра 8на величину И, что вызывает дополнительное смещение виброплатформы 2. Суммарное смещение как и раньше составляет 2 ЮПодавая на вибростенд переменноенапряжение с частотой а, получают переменное смещение виброплатформы с амплитудой . 26/ или с ускорением а = 2 аР В/.Использование в вибраторе раэнотолщинных коаксиально расположенныхпьезоцилиндров одинаковой высоты, установленных с зазором между собой, а такжеих электрическое параллельное соединениепри разном знаке направления поляризации скоммутированных электродов позволяет уменьшить величину нелинейныхискажений вибростенда,Установка пьезоцилиндров одной парой торцов на соединительном элементе идругими торцами на корпусе и в виброплатформе позволяет включить их механическипоследовательно, а следовательно, получить суммарную амплитуду виброперемещения виброплатформы и расширитьдиапазон воспроизводимых ускорений, бездополнительного увеличения габаритныхразмеров.Дополнительное упругое поджатие пьезоцилиндров к корпусу и виброплатформе с5 10 15 силой Р с помощью упругого элемента позволяетрасширить и получить максимальновозможный амплитудный рабочий диапазон стенда.Величину этой силы Р дополнительногоподжатия выбирают из условияР Збэ) 0 --- , К,Ь оа К,где бз 1 - пьезомодуль керамики пьезоцилиндров, Кл/Н;О. - предельное рабочее напряжение пьезоцилиндров, В;Ь,а - высота и толщина стенок пьезоцилиндров соответственно, м;Г - усилие поджатия мембраной, Н; К,К - жесткость мембраны и дополнительного упругого элемента, Н/м соответственно.Кроме того, выполнение вибратора в ви де наружного и внутреннего пустотелых, коаксиально расположенных пьезоцилиндров позволяет уменьшить габариты стенда, Диаметральный размер вибратора равен, а продольный размер незначительно превы шает размеры наружного пьезоэлемента,внутренний объем которого является рабочей зоной второго пьезоэлемента.Предлагаемый. вибростенд имеет высокую осевую жесткость, большое толкающее 30 усилие и работает вдали от резонанснойчастоты. Это позволяет испытывать на нем изделия с большой массой, непосредственно нагружая их на виброплатформу.Изготовленный макет вибростенда с 35 вибратором из двух пьезоэлементов высотой 71 мм, наружным диаметром 28 и 18 мм и толщиной стенки 1,5 мм из материала ЦТСНВ - 1, показывает следующие ос-.новные технические характеристики: 40 резонансная частота 4 кГц, амплитуда виброперемещения 0,012 мкм/В; амплитуда виброускорения на частоте 1000 Гц, при напряжении 100 В 50 м с; масса испытуемых изделий 5 кг.45 Формула изобретен ияПьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, виброплатформу для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембра ны, связанный с виброплатформойпьезоэлектрический вибровозбудитель, включающий два пьезоэлемента; о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности воспроизведения вибраций за 55 счет снижения нелинейных искажений иувеличения диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений, пьезоэлементы выполнены в виде коаксиально установленных по рабочей оси вибростенда с зазором между10 1747977 Составитель А. МайковсТехред М.Моргентал орректор М. По ктор И; Касард аказ 2497 Тираж:Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина 101 ними полых цилиндров с радиальной поляризацией, которые выполнены из пьезоматериалов с одинаковым пьезомодулем и одинаковой Симметричнойформой петель гистерезиса и соединены электрически па раллельно с коммутацией электродов разнойполярности,амеханически-пбследовательно, причем один из цилиндров соединен торцом с корпусом, другой - с виброплатформой, а свободные торцы цилиндров жестко соединены между.собой.