非对称变截面悬臂梁机电响应机构及其工作方法

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1.本发明属于基于压电效应的振动响应技术领域，尤其涉及压电谐振器的非对称变截面悬臂梁压电响应机构的一种装置及其工作方法。


背景技术：

2.传感器信号放大技术一直是测试技术研究的主要方向，常规谐振器响应单元通常呈现出效率偏低，响应范围受限的问题，且传统矩形梁横向位移偏小，适用范围窄。因此，对于传感器检测信号核心部件响应单元效率提升的研究是很有必要的。


技术实现要素：

3.发明目的：
4.本发明提供了一种非对称变截面悬臂梁机电响应机构及其工作方法，其目的在于解决常规谐振器响应单元通常呈现出效率偏低，响应范围受限的问题。
5.技术方案：
6.一种非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于，在该机电响应机构中，固定基座为竖直放置，水平的悬臂主梁一端连接在固定基座上，另一端在同一水平面内通过桥接梁与端部质量块连接；第一压电片和第二压电片分别粘接在悬臂主梁的上、下两面，端部质量块上、下两面分别粘接第三压电片和第四压电片；电极驱动板安装在所述固定基座的底部，且与悬臂主梁平行。
7.悬臂主梁的横截面为平行四边形，夹角的范围为37.5
°
～45
°
；端部质量块的截面为矩形，且端部质量块截面的长边与悬臂主梁截面的长边平行；桥接梁的两端分别连接悬臂主梁和端部质量块，且截面为矩形。
8.所述悬臂主梁、桥接梁和端部质量块为相同导电材料加工而成；并且悬臂主梁的外形尺寸大于端部质量块外形尺寸，端部质量块的外形尺寸大于桥接梁外形尺寸。
9.所述导电材料为铜以及铜的合金，具体地，铜的合金包括铜以及金、锰、镍、锌、铝、锡、铅、钛和铬中选择的任何一种或多种。
10.铜与包含铜的合金的原子比≤30％，或者≥60％。
11.压电片的材料为压电陶瓷或者聚偏氟乙烯。
12.该机电响应机构的本身环境输入频率≤3000hz，机械冲击力＜50n。
13.一种非对称变截面悬臂梁机电响应机构的工作方法，其特征在于，具体过程如下：在测试非对称梁的振动性能时，对电极驱动板同时输入含有直流成分的同相交变正弦电压构成驱动场，第一压电片和第二压电片及第三压电片和第四压电片分别通过导线相连形成导通路径和导通路径，构成驱动板接地，悬臂梁电极板通电的方式，根据逆压电效应，在交变电压驱动下，使得非对称悬臂梁在固有振荡频率附近振动，通过导通路径和导通路径分别与驱动板采用惠斯特全桥测量输出交变电压检测信号。
14.优点及效果：
15.本发明具有以下优点和有益效果：
16.1.本发明以悬臂梁主体截面为平行四边形为特征，为其组成部分中的非对称直线悬臂梁压电结构进行结构优化研究。
17.2.在激励振荡应用时，与传统矩形梁相比，在同样载荷的情况下的横向位移，平行四边形梁的位移更大，整体响应更加灵敏，是矩形梁的1.9倍，整体响应是其7倍，能够显著提升变截面悬臂梁机电响应结构的应用范围，在适用范围上应用更加广阔，有良好的应用前景。
附图说明：
18.图1为本发明的非对称变截面悬臂梁机电响应机构的立体示意图
19.图2为本发明的非对称变截面悬臂梁机电响应机构的结构主视图；
20.图3为本发明的金属基座示意简图；
21.图4为本发明的上下压电片采集信号示意简图；
22.图5为本发明的非对称变截面悬臂梁机电响应机构俯视图；
23.图6为本发明悬臂主梁的h-h截面剖视图；
24.图7为本发明桥接梁的g-g截面剖视图；
25.图8为本发明端部质量块的f-f截面剖视图；
26.图9为输出电压随角度变化示意图；
27.图10为常规矩形悬臂梁与非对称梁横向响应位移数据对比图。
28.附图标记说明：悬臂主梁1，第一压电片2a，第二压电片2b，桥接梁3，端部质量块4，第三压电片5a，第四压电片5b，电极驱动板6，固定基座7。
具体实施方式：
29.使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.如附图1和附图2所示，一种基于非对称悬臂梁的机电响应装置，包括固定基座7、悬臂主梁1、端部质量块4、桥接梁3，电极驱动板6，压电片，其中安装在固定基座7上的悬臂主梁1主体及连接的端部质量块4，两者之间用相同材料的矩形桥接梁3连接，悬臂主梁1和端部质量块4的上下均有贴合的压电材料作为导电层，机构底部为电极驱动板6。电极驱动板6、压电材料与外部电路相连接，专为0～50n相关的机械力冲击，0～100v内电压场环境设置的机构，其横截面为平行四边形，倾斜角位于37.5
°
～45
°
之间，本身环境输入频率介于3000hz以内。
33.如附图5-8所示，悬臂主梁1的横截面为平行四边形，夹角的范围为 37.5
°
～45
°
；端部质量块4的截面为矩形，且端部质量块4截面的长边与悬臂主梁1截面的长边平行；桥接梁3的两端分别连接悬臂主梁1和端部质量块4，且截面为矩形。
34.悬臂主梁1、桥接梁3和端部质量块4为相同导电材料加工而成；并且悬臂主梁1的外形尺寸大于端部质量块4外形尺寸，端部质量块4的外形尺寸大于桥接梁3外形尺寸。
35.所述导电材料为铜以及铜的合金，具体地，铜的合金包括铜以及金、锰、镍、锌、铝、锡、铅、钛和铬中选择的任何一种或多种。
36.铜与包含铜的合金的原子比≤30％，或者≥60％。这样选择可以让导电材料具有较高的耐蚀性，耐磨损，冲击时不发生火花和良好的导电性能，不易发热、确保安全同时具备很强的抗疲劳性
37.压电片的材料为压电陶瓷或者聚偏氟乙烯。
38.根据权利要求1所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于：该机电响应机构的本身环境输入频率≤3000hz，机械冲击力＜50n。
39.由于本结构属于压电式响应结构，涉及倾斜角α缩小范围的精确确定，因此需要通过本结构上下压电片的电压响应属性进行分析，如附图3和附图4所示为非对称悬臂梁与上下压电片贴合切片示图。非对称压电结构实际为压电振子，其内部为金属基板，并在上下压电层与平行四边形金属基板引出电极，由于金属基板形状确定，上下极板之间存在重合度偏差，在闭合回路工作时，压电晶体内部电荷流动产生的吸合力相较于对称放置下产生电能更少。
40.根据附图4所示，设平行四边形金属基板宽l＝8mm，高h＝2mm，压电片厚度为0.25mm，短边斜面与竖直方向的夹角为可以计算得出重合度公式：
[0041][0042]
在测试非对称梁的压电性能时需要在非对称梁自由端输入力恒力f＝1n，考虑到本结构属于机电耦合悬臂梁结构，根据压电学理论，当耦合非对称梁受到自由端外力的情况发生弯曲变形，非对称梁的上下表面将会发生电荷偏移，耦合梁与端部加载应力及产生的电场关系可以表示为：
[0043][0044]
上式中d为电位移，e为电场强度，d为压电常数矩阵，s与t分别为应变和应力，ε
t
为结构稳定时自由端介电常数矩阵，se为电场恒定时短路弹性柔顺系数矩阵。常用导电金属基板梁选取材料有磷青铜、锡青铜、铍青铜等，性能相近，也有掺杂少许其他金属如金、锰、钛、铝等材料的导电金属基板。为验证本结构的有效性，选用了具有典型特性的磷青铜，其特点是弹性模量大，可以有较大的弯曲响应。压电层材料的选择选用pzt-5h。可以建立压电层晶片相对介电常数矩阵εr，压电常数矩阵e，和压电弹性系数矩阵c分别为：
[0045]
[0046][0047][0048]
根据公式(2)，(3)，(4)，(5)可以计算模拟表达出基于不同偏置角的情况下，压电片输出电压随角度的变化如附图9所示，在上下压电板重合率j在0.2左右时，输出的电压效果最好，依据本结构的特点可以确定，输出电压在非对称量倾角在37.5
°
～45
°
附近时，偏置的压电结构输出电能最高。
[0049]
由于倾斜偏置角的存在，非对称平行四边形梁的结构整体强度在受到斜应力作用下，比等质量体积矩形常规梁弯曲强度小，侧边方向弯曲形变高出许多，可以大大提高相应效率，由于斜面正面可以同时响应因此可以应对更多的载荷载体。为了作为对比，本文通过模拟同样受力及结构属性相同的对称矩形梁，通过相同的环境载荷分布条件下，可以计算出矩形梁在加载12n的加载条件下，端部存在最大位移为3.1μm，最大拉应力为13mpa，而非对称平行四边形梁端部存在最大位移为38μm，最大拉应力为48mpa，两者最大拉应力都小于最大剪切应力，但是相较于前者，位移响应大大增强。通过加载与计算，平行四边形截面梁端部最大值位移与矩形截面梁端部位移最大值如附图10所示，由于等效刚度的整体降低，因此在同样载荷的情况下的横向位移，平行四边形梁的位移更大，是矩形梁的1.9倍，整体响应是其7倍。因此其响应效果更好。
[0050]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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。

技术特征：
1.一种非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于，在该机电响应机构中，固定基座(7)为竖直放置，水平的悬臂主梁(1)一端连接在固定基座(7)上，另一端在同一水平面内通过桥接梁(3)与端部质量块(4)连接；第一压电片(2a)和第二压电片(2b)分别粘接在悬臂主梁(1)的上、下两面，端部质量块(4)上、下两面分别粘接第三压电片(5a)和第四压电片(5b)；电极驱动板(6)安装在所述固定基座(7)的底部，且与悬臂主梁(1)平行。2.根据权利要求1所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于：悬臂主梁(1)的横截面为平行四边形，夹角的范围为37.5
°
～45
°
；端部质量块(4)的截面为矩形，且端部质量块(4)截面的长边与悬臂主梁(1)截面的长边平行；桥接梁(3)的两端分别连接悬臂主梁(1)和端部质量块(4)，且截面为矩形。3.根据权利要求1所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于：所述悬臂主梁(1)、桥接梁(3)和端部质量块(4)为相同导电材料加工而成；并且悬臂主梁(1)的外形尺寸大于端部质量块(4)外形尺寸，端部质量块(4)的外形尺寸大于桥接梁(3)外形尺寸。4.根据权利要求3所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于：所述导电材料为铜以及铜的合金，具体地，铜的合金包括铜以及金、锰、镍、锌、铝、锡、铅、钛和铬中选择的任何一种或多种。5.根据权利要求4所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于：铜与包含铜的合金的原子比≤30％，或者≥60％。6.根据权利要求1所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于：压电片的材料为压电陶瓷或者聚偏氟乙烯。7.根据权利要求1所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构，其特征在于：该机电响应机构的本身环境输入频率≤3000hz，机械冲击力＜50n。8.一种如权利要求1所述的非对称变截面悬臂梁机电响应机构的工作方法，其特征在于，具体过程如下：在测试非对称梁的振动性能时，对电极驱动板同时输入含有直流成分的同相交变正弦电压构成驱动场，第一压电片(2a)和第二压电片(2b)及第三压电片(5a)和第四压电片(5b)分别通过导线相连形成导通路径一和导通路径二，构成电极驱动板(6)接地，悬臂梁电极板通电的方式，根据逆压电效应，在交变电压驱动下，使得非对称悬臂梁在固有振荡频率附近振动，通过导通路径一和导通路径二分别与电极驱动板(6)采用惠斯特全桥测量输出交变电压检测信号。

技术总结
本发明涉及压电效应的振动响应技术领域，具体涉及一种非对称变截面悬臂梁机电响应机构及工作方法，包括：安装在基体上的悬臂梁主体及连接的端部质量块，两者之间用相同材料的矩形桥接梁连接，悬臂梁主体和端部质量块的上下均有贴合的压电材料作为导电层，机构底部为电极驱动板。本发明以悬臂梁主体截面为平行四边形为特征，为其组成部分中的非对称直线悬臂梁压电结构进行结构优化研究。在激励振荡应用时，与传统矩形梁相比，在同样载荷的情况下的横向位移，平行四边形梁的位移更大，整体响应更加灵敏，能够显著提升变截面悬臂梁机电响应结构的应用范围。结构的应用范围。结构的应用范围。


技术研发人员：孟新宇 王树峰 高誉博
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2021.09.30
技术公布日：2022/3/8