專利名稱：一種電子式校準沖擊臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子式校準沖擊臺，用于對檢測機械故障沖擊的傳感器提供穩(wěn)定的、可變頻率的沖擊，對傳感器進行校準之用，屬于試驗機和計量校準裝置類。

背景技術：
現(xiàn)有沖擊臺都是屬于例行試驗設備，例如機械擺錘式沖擊臺、機械跌落式沖擊臺等。其特征是用于對試驗的對象產生強大沖擊，以考核產品抗拒沖擊、發(fā)生損毀的程度。因此，它的沖擊力度很大，通常沖擊加速度達到數(shù)萬加速度g，如果它直接作用于傳感器，則可以把傳感器擊毀；且沖擊重復發(fā)生的頻率卻又很低，例如每分鐘只能做幾次；由于用沖擊臺的沖擊頭直接對試驗件發(fā)出沖擊作用，沖擊頭本身也因此受損而壽命短暫，例如發(fā)生沖擊100次到1000次便需更換沖擊頭。顯然，對于檢測機械故障引發(fā)的微小沖擊的傳感器校準工作而言，現(xiàn)有沖擊臺的這種特點和缺點正好成為不能采用的原因，因為校準沖擊檢測傳感器時，需要檢查傳感器感受機械初期故障引發(fā)的微小沖擊的能力，例如分辨低達0.01g的沖擊；機械的故障沖擊的重復頻率較高，例如高速機械的軸承故障沖擊頻率達到上千Hz。
本發(fā)明的任務是設計一種沖擊頻率可從10Hz到1000Hz之間變化，沖擊幅度可以從0.01g-100g之間變化，且選定幅度后無論頻率變化與否，其幅度可以穩(wěn)定不變；同時，沖擊臺自身不受所發(fā)出的沖擊而毀壞。并且，用于向被校準的傳感器發(fā)出的機械沖擊信號的輸出“臺面”，具有良好的一致性。


發(fā)明內容
這種電子式校準沖擊臺，其特征在于含有由沖擊砧1、壓電組件2、阻尼器3、預緊螺釘4、發(fā)射端蓋5、吸收器6和7、接收端蓋8組成的臺體和與臺體的壓電組件連接的激勵器9組成，其中的壓電組件2直接接觸沖擊砧的A端，阻尼器3緊靠在壓電組件的另一端；把吸收器6緊貼在發(fā)射端A端，并用發(fā)射端蓋5壓緊它，而發(fā)射端蓋5則通過螺紋固定在沖擊砧1的發(fā)射端圓周上；同時，將具有壓緊和調整預緊力的預緊螺釘4通過螺紋固定在發(fā)射端蓋5上、并壓緊在阻尼器3上；將能防止沖擊波通過沖擊砧1到達其臺面B端后反射回A端、然后又反射到B端所產生的干擾而設的吸收器7緊靠臺面B端安裝，并用接收端蓋8壓緊它，而接收端蓋8則通過螺紋固定在沖擊砧1的接收端圓周；激勵器9輸出的正端與壓電組件2的負端連接，壓電組件2的正端接地。
所述沖擊砧1的發(fā)射端A端到臺面B端的距離為L，應根據(jù)沖擊的縱波在沖擊砧材料內的傳播速度V、要求的反射波頻率F1或其整倍數(shù)n(n＝1，2……為整數(shù))階頻率nf1和(n+1)F1盡量遠離傳感器的諧振特征頻率F0、一個等于傳感器所需的半帶寬B/2(F0的分散范圍不大于B/4)計算所得，由下列公式[A1]-[A5]決定特別是為了保障接收端臺面B各處沖擊信息的一致性，在發(fā)射端的壓電組件的直徑不能充分小，不能形成球面輻射式均衡輻射的條件下，恰當選擇“沖擊砧長度L”計算公式[A5]中的參數(shù)n，并根據(jù)公式[A1]、[A2]驗算滿足實際半帶寬D＞B/2，通過增加沖擊砧的長度L來解決；并應符合 F0nF1＝D [A1] (n+1)F1-F0＝D [A2] F0-nf1＝(n+1)F1-F0 (2n+1)F1＝2F0 其中，沖擊砧反射頻率F1＝2F0(2n+1)[A3] 單向傳輸時間T1＝1/(2F1)＝(2n+1)/(4F0)[A4] 沖擊砧的長度L＝T1·V＝(2n+1)V/(4F0) [A5] 其特征在于為了加強沖擊砧對吸收器的耦合效果，把沖擊砧1的接收端臺面B的接觸面，加工成平面度在0.015~0.045，光潔度在

的、使臺面B能與吸收器7緊密接觸的平面，以便沖擊波能夠有效地耦合入吸收器7并在其內部被損耗衰減；把沖擊砧1的圓周加工成為具有漫反射能力的表面如滾花、噴砂處理，并再涂敷具有吸收、損耗沖擊波能力的材料如高分子樹脂；為了防止均布安裝于沖擊砧1的B端的S(S≥2)個傳感器所鉆的安裝孔面引起的反射傳導到其它傳感器引起干擾，根據(jù)準備安裝傳感器的數(shù)量S，而沿軸向切開寬度盡量小(線切割0.1~0.2m)的、軸向深度略大于安裝孔深度的小縫10，將臺面均分為與傳感器量等份的扇形，同時，在小縫中浸入為防止切開的部分形成音叉式高Q值諧振系統(tǒng)的高阻尼的膠。
其特征在于在與沖擊砧的兩接收端臺面A、B緊密接觸的吸收器6、7使用傳播聲速與沖擊砧的傳播聲速相近的高阻尼材料制造，除了與傳感器及壓電組件安裝孔對應的通孔外，其余與沖擊砧臺面A、B接觸的面均加工成平面度在0.015~0.045，和光潔度在

的、能與沖擊砧發(fā)射、接收端臺面A、B緊密接觸的平面，并且涂抹薄層耦合劑(如硅油)、填充其與A、B端之間可能存在的微空隙，由發(fā)射、接收端蓋5、8通過螺紋分別與沖擊砧發(fā)射、接收端圓周緊固，使吸收器6、7與臺面A、B分別壓緊，呈無間隙接觸狀態(tài)。
其特征在于使用大面積、直徑達到沖擊砧1直徑的10％-70％的、每組2片的奇數(shù)組壓電元件組合的壓電組件2與阻尼器3組合成發(fā)射組件，壓電元件28、2A、21、22、2D、2F與引電片29、2B、23、2C、2E、2G按照互間隔的順序、按負極引電片29、23、2E的引電端向一邊，正極引電片2B、2C、2G向相反的一邊的規(guī)律疊放，中孔中插入絕緣套管25，用螺釘27穿過彈簧墊圈26和絕緣套管25的孔連接到耦合塊24，組成6片3組的發(fā)射組件；所有負極引電片29、23、2E連接，并通過軟線2H引出接激勵電壓的正極，所有正極引電片2B、2C、2G連接從而實現(xiàn)連接到阻尼器3、耦合塊24和沖擊砧1，并通過軟線2I接到激勵電壓的負極或者地線GND。而若省去壓電元件和引電片28、29、2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G則構成2片1組的發(fā)射組件。
其特征在于激勵器9含有電壓發(fā)生器91和頻率控制器92，來自計算機DA轉換器的控制電壓信號對地線GND從信號輸入端UI接入電壓發(fā)生器91，工作原理為經典串聯(lián)電子穩(wěn)壓器的電壓發(fā)生器按照一定的放大系數(shù)輸出控制電壓VF1，接到頻率控制器92，頻率控制器92還接收來自計算機及其它控制設備的TTL電平的頻率信號FI，經過頻率控制器92處理，輸出電壓幅度約等于控制電壓VF1的、頻率等于FI的、具有陡峭的跳變前沿、一定的寬度和緩變后沿的負脈沖信號接到壓電組件2的2H端，而地線GND則接到壓電組件2的接地端2I。
其特征在于電壓發(fā)生器91含有工作電源V1，高壓電源V2，運放OP1，三極管T1、T2，二極管D1，電阻器R1-R8，電容器C1，來自計算機DA變換器的信號地線接GND，基準電壓信號從信號輸入端UI接入電壓發(fā)生器91的電阻器R6的一端，電阻器的另一端接運放OP1的負輸入端，該負輸入端還經過并聯(lián)的電容器C1和電阻器R7接到運放的輸出端，工作電源V1的正端VDD接到運放OP1的正電源端，V1的負端接地，運放OP1的負端接地，運放OP1的輸出信號還經過電阻器R3接到耐高壓的三極管T2的基極，三極管T2的發(fā)射極接二極管D1的正端，D1的負端接地GND，三極管T2的發(fā)射極還經過電阻器R8接到工作電源V1的正端VDD，三極管T2的集電極經過保護電阻R5接電阻器R4的一端和耐高壓的VMOS三極管T1的控制極，R4的另一端和三極管T1的漏極接高壓電源V2的正端，V2的負端接地GND，三極管T1的源極輸出控制電壓VF1，該VF1還經過電阻器R1與一端接地的電阻器R2串聯(lián)分壓，將分壓電壓接到運放OP1的正輸入端。由于采樣系數(shù)C＝R2/(R1+R2)＝1/100，所以控制放大系數(shù)G＝1/C＝100，即以U1＝1V輸入電壓控制時，輸出約100V的控制電壓。
其特征在于頻率控制器92含有三極管T3，電阻器R9、R10，電容器C2，反相器U2，與門U3，控制電壓VF1接電阻器R9的一端，R9的另一端接VMOS三極管T3的漏極，并輸出激勵信號接到壓電組件的2H端，T3的源極接地GND，并接到壓電組件的2I端，來自計算機等控制設備的TTL電平的頻率信號FI接到U2的輸入端和U3的輸入端之一，U2的輸入端經過電阻器R10接到U3的輸入端之二，U3的輸入端之二還經過電容器C2接地GND，U3輸出經過微分的寬度約為10us以上的脈沖接到T3的控制極。以便電路輸出具有控制電壓電平的、負脈沖寬度為10us以上的、頻率等于FI輸入頻率的激勵脈沖，去激勵壓電組件。
根據(jù)以上技術方案提出的這種用于對沖擊檢測傳感器進行沖擊校準的沖擊臺，其沖擊頻率從10Hz到1000Hz之間變化，沖擊幅度可以從0.01g到100g變化，由于通過采取機械結構、以及控制電路兩方面的技術措施，使沖擊臺在選定幅度后，無論頻率變化與否，其幅度可以穩(wěn)定不變，沖擊臺自身不因所發(fā)出的沖擊損毀而受損，具有抗沖擊長壽命的特點。特別是用于向被校準的傳感器發(fā)出機械沖擊信號的輸出“臺面”，具有良好的一致性的沖擊臺，使安裝標準傳感器和被校傳感器進行對比校準的結果準確良好。



圖1是本發(fā)明的整體結構原理圖； 圖2-1是沖擊臺設計理論模型的推導與仿真分析圖； 圖2-2是沖擊臺設計理論模型的推導與仿真分析圖； 圖3是沖擊砧臺面開縫與扇形安裝面圖； 圖4是發(fā)射組件圖； 圖5是激勵器電路圖； 圖6-1是激勵器仿真電路； 圖6-2是激勵器在基準電壓和頻率信號變化時的輸出； 圖6-3是激勵器輸入計算機信號電壓5V、輸出激勵電壓500V、激勵頻率1000Hz時的波形； 圖7-1是激勵器和沖擊臺的聯(lián)合仿真電路圖； 圖7-2是用沖擊寬度20us恢復時間40us的模擬沖擊波激勵沖擊臺的輸出； 圖7-3用激勵器電路輸出的沖擊寬度20us恢復時間40us的沖擊波激勵沖擊臺的輸出。
圖中1、沖擊砧 2、壓電組件 3、阻尼器 4、預緊螺釘 5、發(fā)射端蓋6、吸收器 7、吸收器 8、接收端蓋 9、激勵器 10、小縫 11、扇形面 12、傳感器
具體實施例方式 下面結合實施例作進一步的說明。
實施例1 例如取利用的階數(shù)n＝1， 沖擊波在沖擊砧中的傳輸速度V＝5200m/s， 沖擊臺反射頻率需要回避的傳感器諧振特征頻率F0＝20kHz，帶寬B＝4kHz(＜＝2D) 則沖擊砧的長度L＝0.195m， 反射波頻率F1＝13.33kHz。
反射頻率的1、2階與特征頻率的差D＝6.66kHz。滿足D＞B/2。
又例如，n＝4，V＝5200m/s，F(xiàn)0＝20kHz，B＝4kHz； 則沖擊砧的長度L＝(2n+1)V/(4F0)＝0.585m。
反射波頻率F1＝2F0/(2n+1)＝4.444kHz。
特征頻率與反射頻率最近的高階頻率之差 D＝F0-nF1＝2.222kHz，D＝(n+1)F1-F0＝2.222kHz，滿足D＞B/2。
圖2是上述設計公式的理論模型之推導和仿真分析。
設沖擊砧的長度為L＝0.585m， 設擊波在沖擊砧內的傳遞速度為V＝5200m/s， 設壓電組件2與阻尼器3和彈性預緊螺釘4組成的發(fā)射諧振系統(tǒng)的廣義共振頻率為FA＝50kHz， 設沖擊臺反射頻率需要回避的、傳感器的諧振頻率為F0＝20kHz，帶寬B0＝4kHz； 沖擊砧從發(fā)射端A端向接收端臺面B端傳遞沖擊縱波的傳遞損耗是CA，沖擊砧從B端向另一端傳遞沖擊縱波的傳遞損耗是CB。則建立附圖2的系統(tǒng)模型如下 沖擊波從沖擊砧A端向B端和從B端向A端傳輸?shù)难舆t時間為 TAB＝TBA＝L/V＝0.585m/(5200m/s)＝112.5us， 據(jù)此選擇延時器UI的延遲時間等于TAB＝TBA＝L/V＝112.5us。
沖擊波從A端傳遞到B的傳輸損耗是CA＝0.9， 則有0.9＝CA＝R2/R1＝4.5kΩ/5kΩ， 沖擊波從B端傳遞到A的傳輸損耗，由于吸收器6、7的作用而大幅度衰減到CB＝0.05， 則有0.05＝CB＝R2/R3＝4.5kΩ/45kΩ， 沖擊波從B端傳遞到A的傳輸損耗，若吸收器6、7的效果只有CB＝0.5， 則有CB＝0.5＝R2/R3＝4.5kΩ/9kΩ。
發(fā)射組件的二階系統(tǒng)諧振器為UA，根據(jù)其諧振頻率為FA＝50kHz，計算得到其延遲時間TA＝1/(2πFA)＝3.183us，設其帶寬BA＝5kHz，則其品質因素QA＝FA/BA＝10，則阻尼比NA＝1/(2QA)＝50m， 傳感器二階系統(tǒng)諧振器為UB，根據(jù)其諧振頻率為F0＝20kHz，計算得到其延遲時間T0＝1/(2πF0)＝7.9577us，設其帶寬B0＝4kHz，則其品質因素Q0＝F0/B0＝5，則阻尼比N0＝1/(2Q0)＝100m。
根據(jù)上述設計的模型及其傳輸特性如圖2-1、2-2。沖擊波形為突變前沿，持續(xù)時間20us，衰減時間40us，以仿真激勵器所發(fā)射的沖擊信號。
圖2-1是CA＝0.9 CB＝0.5的理論模型的推導與仿真，由于吸收器的衰減僅0.5，B端在20kHz處VFB不平坦度1.5dB，傳感器中在20kHz帶寬4kHz的范圍內VF0的不平坦度6.52dB，大于3dB而不合格。而且對于1kHz沖擊的響應波形持續(xù)到0.2ms，幅度1.66VPP，并附加了2個反射波。
圖2-2是CA＝0.9 CB＝0.1的理論模型的推導與仿真，由于在沖擊砧的衰減僅0.1的基礎上，還有吸收器衰減0.9，因此，B端在20kHz處VFB不平坦度0.26dB，傳感器中在20kHz帶寬4kHz的范圍內VF0的不平坦度0.81dB。小于1dB而合格。而且對于1kHz沖擊的響應波形持續(xù)到0.2ms。幅度1.66VPP，幾乎沒有反射波。
因此，加強吸收器6、7對沖擊砧的耦合和對沖擊波的阻尼衰減效果是提高本沖擊臺的頻率特性、穩(wěn)定性的關鍵。
上述二階系統(tǒng)的設計根據(jù)是下列公式 a)二階系統(tǒng)的諧振頻率f與其設計參數(shù)的延遲時間t的函數(shù)關系 f＝1/(2πt) b)二階系統(tǒng)的Q值與其設計參數(shù)阻尼比n的關系 Q＝1/(2n) c)諧振峰值的增益K K＝20logQ d)峰值諧振器的帶寬B B＝f/Q e)廣義共振波的衰減時間T T＝1/(2B)＝Q/(2f) 所述的一種電子式校準沖擊臺，為了加強沖擊砧對吸收器的耦合效果，把沖擊砧1的發(fā)射端臺面A、接收端臺面B的接觸面，加工成平面度在0.015~0.045，光潔度在

的、使臺面A、B能與吸收器6、7緊密接觸的平面，以便沖擊波能夠有效地耦合入吸收器6、7并在其內部被損耗衰減；把沖擊砧1的圓周加工成為具有漫反射能力的表面，例如滾花、噴砂；并再涂敷具有吸收、損耗沖擊波能力的材料，如高分子樹脂材料；以降低殘存的反射影響；為了防止均布安裝于沖擊砧1的B端的S(S≥2)個傳感器所鉆的安裝孔面引起的反射傳導到其它傳感器引起干擾，并根據(jù)準備安裝傳感器的數(shù)量S，而沿軸向切開寬度盡量小的、軸向深度略大于安裝孔深度的小縫(0.1~0.2mm)，將臺面均分為S等份的扇形面，并為了防止切開的部分形成音叉式高Q值諧振系統(tǒng)而在小縫中浸入高阻尼的膠。如附圖3。
所述的一種電子式校準沖擊臺，為了保證臺面的沖擊波能夠有效耦合到吸收器7中并被吸收器衰減以降低反射，其特征是 1)與沖擊砧的接收端臺面B緊密接觸的吸收器7使用傳播聲速與沖擊砧的傳播聲速相近的高阻尼材料(例如沖擊砧1使用45#鋼，阻尼器7使用球墨鑄鐵)制造，除了與上述S個傳感器安裝孔對應的通孔外，其余與沖擊砧臺面B接觸的面均加工成平面度在0.015~0.045、光潔度在

的、能與沖擊砧接收端臺面B緊密接觸的平面，并且涂抹薄層耦合劑(如硅油)填充其與B端之間可能存在的微空隙，用接收端蓋8通過螺紋與沖擊砧接收端圓周緊固使吸收器7與臺面壓緊。
2)同理，與沖擊砧的發(fā)射端A端緊密接觸的吸收器6使用傳播聲速與沖擊砧的傳播聲速相近的高阻尼材料(例如沖擊砧1使用45#鋼，阻尼器6使用球墨鑄鐵)制造，除了與上述壓電組件2和阻尼器3安裝孔及其引線孔對應的通孔外，其余與沖擊砧臺發(fā)射端A端接觸的面均加工成平面度在0.015~0.045、和光潔度在

的、能與沖擊砧發(fā)射端A端緊密接觸的平面，并且涂抹薄層耦合劑(如硅油)填充其與A端之間可能存在的微空隙，發(fā)射端蓋5通過螺紋與沖擊砧發(fā)射端圓周緊固使吸收器6與A端壓緊。
所述的一種電子式校準沖擊臺，為了提高機械沖擊的力度而又降低對于發(fā)射端B的壓強、降低激勵壓電元件(如壓電陶瓷等)的電壓和簡化壓電元件的接線，其特征是使用大面積(其直徑達到沖擊砧I直徑的10％~70％)的、每組2片的奇數(shù)組壓電元件組合的壓電組件2與阻尼器3組合成發(fā)射組件如圖4，壓電元件28、2A、21、22、2D、2F與引電片29、2B、23、2C、2E、2G按照28、29、2A、2B、21、23、22、2C、2D、2E、2F、2G的順序和圖4所示的極性疊放，其中負極引電片29、23、2E的引電端向一邊，正極引電片2B、2C、2G向相反的一邊，中孔中插入絕緣套管25，用螺釘27穿過彈簧墊圈26和絕緣套管25的孔連接到耦合塊24組成6片3組的發(fā)射組件，所有負極引電片29、23、2E連接，并通過軟線2H引出接激勵電壓的正極，所有正極引電片2B、2C、2G連接從而實現(xiàn)連接到阻尼器3、耦合塊24和沖擊砧1，并通過軟線2I接到激勵電壓的負極或者地線GND。而若省去壓電元件和引電片28、29、2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G則構成2片1組的發(fā)射組件。
螺釘27的擰緊程度僅僅是為了事先將壓電元件、引電片、阻尼器、耦合塊連接為一體以便調整每個零件并保持它們的同軸度，而在預緊螺釘4通過阻尼器3和本組件向沖擊砧1的A端加力時此螺釘便失去拉緊力；6片3組的方案可以實現(xiàn)產生相同的沖擊應力時只需要施加使用單片壓電元件時的激勵電壓的1/6以上，2片1組的方案可以實現(xiàn)產生相同的沖擊應力時只需要施加使用單片壓電元件時的激勵電壓的1/2以上；上述壓電元件和引電片的連接方式可以實現(xiàn)最簡化的接線，特別是2片1組的方案使得僅需對外用一片引電片而將引電片和接線對于組件頻率響應等的影響降低到最低程度。
所述的一種電子式校準沖擊臺的特征還在于激勵器9含有電壓發(fā)生器91和頻率控制器92，來自計算機DA轉換器的控制電壓信號對地線GND從信號輸入端UI接入電壓發(fā)生器91，工作原理為經典串聯(lián)電子穩(wěn)壓器的電壓發(fā)生器按照一定的放大系數(shù)輸出控制電壓VF1，接到頻率控制器92，頻率控制器92還接收來自計算機等控制設備的TTL電平的頻率信號FI，經過頻率控制器92處理，輸出電壓幅度約等于控制電壓VF1的、頻率等于FI的、具有陡峭的跳變前沿、一定的寬度和緩變后沿的負脈沖信號接到壓電組件2的2H端，而地線GND則接到壓電組件2的接地端2I。
所述的一種電子式校準沖擊臺的激勵器9的實施例如圖5，其特征還在于電壓發(fā)生器91含有工作電源V1，高壓電源V2，運放OP1，三極管T1、T2，二極管D1，電阻器R1-R8，電容器C1，來自計算機DA變換器的信號地線接GND，基準電壓信號從信號輸入端UI接入電壓發(fā)生器91的電阻器R6的一端，電阻器的另一端接運放OP1的負輸入端，該幅輸入端還經過并聯(lián)的電容器C1和電阻器R7接到運放的輸出端，工作電源V1的正端VDD接到運放OP1的正電源端，V1的負端接地，運放OP1的負端接地，運放OP1的輸出信號還經過電阻器R3接到耐高壓的三極管T2的基極，三極管T2的發(fā)射極接二極管D1的正端，D1的負端接地GND，三極管T2的發(fā)射極還經過電阻器R8接到工作電源V1的正端VDD，三極管T2的集電極經過保護電阻R5接電阻器R4的一端和耐高壓的VMOS三極管T1的控制極，R4的另一端和三極管T1的漏極接高壓電源V2的正端，V2的負端接地GND，三極管T1的源極輸出控制電壓VF1，該VF1還經過電阻器R1與一端接地的電阻器R2串聯(lián)分壓，將分壓電壓接到運放OP1的正輸入端。由于采樣系數(shù)C＝R2/(R1+R2)＝1/100，所以控制放大系數(shù)G＝1/C＝100，即以U1＝1V輸入電壓控制時，輸出約100V的控制電壓。
實施例2 根據(jù)權利要求1和5所述的一種電子式校準沖擊臺的激勵器9的實施例圖5，其特征還在于頻率控制器92含有三極管T3，電阻器R9、R10，電容器C2，反相器U2，與門U3，控制電壓VF1接電阻器R9的一端，R9的另一端接VMOS三極管T3的漏極，并輸出激勵信號接到壓電組件的2H端，T3的源極接地GND，并接到壓電組件的2I端，來自計算機等控制設備的TTL電平的頻率信號FI接到U2的輸入端和U3的輸入端之一，U2的輸入端經過電阻器R10接到U3的輸入端之二，U3的輸入端之二還經過電容器C2接地GND，U3輸出經過微分的寬度約為10us以上的脈沖接到T3的控制極。以便電路輸出具有控制電壓電平的、負脈沖寬度為10us以上的、頻率等于FI輸入頻率的激勵脈沖，去激勵壓電組件。
圖5激勵器的仿真分析電路如圖6-1。
其中圖6-1是激勵器的仿真電路，圖6-2是激勵器在基準電壓和頻率信號變化時的輸出，圖6-3是激勵器輸入計算機信號電壓5V、輸出激勵電壓500V、激勵頻率1000Hz時的波形。
可見計算機輸出的信號電壓UI＝50mV時，VP1的輸出電壓約5V；計算機輸出的信號電壓UI＝5V時，VF1的輸出電壓約500V，并且2H輸出電壓的高電平約為500V，而低電平約為0，計算機對于激勵器輸出的脈沖電壓具有良好的線性；該5V輸入電壓經過U1變換為FI＝1000Hz頻率，控制激勵器輸出頻率為1000Hz的激勵脈沖。
圖7-1是以該激勵信號作用于CA＝0.5，CB＝0.05的沖擊臺理論模型的聯(lián)合仿真效果。
圖7-1是激勵器和沖擊臺的聯(lián)合仿真電路圖，圖中，C3＝10n是壓電組件2的等效電容器。R9是泄放電阻，以抵償T1的源漏之間的并聯(lián)泄漏電阻。電阻器R8、R12時1/500分壓器，以便模擬壓電組件的機電轉換損耗系數(shù)和與原理仿真(UA輸入1VPP)對比。
圖7-2是用沖擊寬度20us恢復時間40us的模擬沖擊波激勵沖擊臺的輸出，其輸出幅度達到VF0＝1.14vpp。
圖7-3是用激勵器電路輸出的沖擊寬度20us恢復時間40us的沖擊波激勵沖擊臺的輸激勵器沖擊20us/40us作用于沖擊臺的輸出幅度VF0＝0.75VPP。
綜上所述的這種一種電子式校準沖擊臺，由于采取了以上的技術方案，因此系統(tǒng)達到設計目的其沖擊頻率從10Hz到1000Hz之間變化，沖擊幅度可以從0.01g到100g變化，由于通過采取機械結構、以及控制電路兩方面的技術措施，使沖擊臺在選定幅度后，無論頻率變化與否，其幅度可以穩(wěn)定不變，沖擊臺自身不因所發(fā)出的沖擊損毀而受損，具有抗沖擊長壽命的特點。特別是用于向被校準的傳感器發(fā)出機械沖擊信號的輸出“臺面”，具有有良好的一致性的沖擊臺，使安裝標準傳感器和被校傳感器進行對比、校準的結果準確良好。
權利要求
1、一種電子式校準沖擊臺，其特征在于含有由沖擊砧(1)、壓電組件(2)、阻尼器(3)、預緊螺釘(4)、發(fā)射端蓋(5)、吸收器(6)和(7)、接收端蓋(8)組成的臺體和與臺體的壓電組件連接的激勵器(9)組成；其中的壓電組件(2)直接接觸沖擊砧的A端，阻尼器(3)緊靠在壓電組件的另一端；把吸收器(6)緊貼在發(fā)射端A端，并用發(fā)射端蓋(5)壓緊它，而發(fā)射端蓋(5)則通過螺紋固定在沖擊砧(1)的發(fā)射端圓周，為同時將具有壓緊作用和調整作用預緊力的預緊螺釘(4)通過螺紋固定在發(fā)射端蓋(5)上，并壓緊在阻尼器(3)上；將能防止沖擊波通過沖擊砧(1)到達其臺面B端后反射回A端，然后又反射到B端所產生的干擾而設的吸收器(7)，緊靠臺面B端安裝，并用接收端蓋(8)壓緊它，而接收端蓋(8)則通過螺紋固定在沖擊砧(1)的接收端圓周，激勵器(9)輸出的正端與壓電組件(2)的負端連接，壓電組件(2)的正端接地。
2、根據(jù)權利要求1所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于沖擊砧(1)的發(fā)射端A端到臺面B端的距離L，是根據(jù)沖擊的縱波在沖擊砧材料內的傳播速度V、要求的反射波頻率F1或其整倍數(shù)n(n＝1，2……為整數(shù))階頻率nF1、盡量遠離傳感器的諧振特征頻率F0、一個等于傳感器所需的半帶寬B/2(F0的分散范圍不大于B/4)，由下列公式[A1]-[A5]決定；特別是為了保障接收端臺面B各處沖擊信息的一致性，在發(fā)射端的壓電組件的直徑不能充分小，不能形成球面輻射式均衡輻射的條件下，恰當選擇“沖擊砧長度L”計算公式[A5]中的參數(shù)n，并根據(jù)公式[A1]、[A2]驗算滿足實際半帶寬D＞B/2，通過增加沖擊砧的長度L來解決，并符合
F0-nF1＝D[A1]
(n+1)F1-F0＝D[A2]
F0-nF1＝(n+1)F1-F0
(2n+1)F1＝2F0
其中，沖擊砧反射頻率F1＝2F0(2n+1)[A3]
單向傳輸時間T1＝1/(2F1)＝(2n+1)/(4F0)[A4]
沖擊砧的長度L＝T1·V＝(2n+1)V/(4F0) [A5]。
3、根據(jù)權利要求1所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于為了加強沖擊砧對吸收器的耦合效果，把沖擊砧(1)的發(fā)射端臺面A、接收端臺面B的接觸面，加工成平面度在0.015~0.045、光潔度在
的、使臺面A、B能與吸收器(6、7)緊密接觸的平面，以便沖擊波能夠有效地耦合入吸收器(6、7)并在其內部被損耗衰減；把沖擊砧(1)的圓周加工成為具有漫反射能力的表面，并再涂敷具有吸收、損耗沖擊波能力的材料；為了防止均布安裝于沖擊砧(1)的B端的S(S≥2)個傳感器所鉆的安裝孔面引起的反射傳導到其它傳感器引起干擾，根據(jù)準備安裝傳感器的數(shù)量S，沿軸向切開寬度盡量小的、軸向深度略大于安裝孔深度的小縫(10)，將臺面均分為與傳感器量等份的扇形，同時在小縫中浸入為防止切開的部分形成音叉式高Q值諧振系統(tǒng)的高阻尼的膠。
4、根據(jù)權利要求1所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于在與沖擊砧的兩接收端臺面A、B緊密接觸的吸收器(6、7)使用傳播聲速與沖擊砧的傳播聲速相近的高阻尼材料制造，除了與傳感器安裝孔對應的通孔外，其余與沖擊砧臺面A、B接觸的面均加工成平面度在0.015~0.045、光潔度在
的、能與兩沖擊砧接收端臺面A、B緊密接觸的平面，并且涂抹薄層耦合劑硅油、填充其與A、B端之間可能存在的微空隙，由接收端蓋(5、8)通過螺紋分別與沖擊砧接收端圓周緊固，使吸收器(6、7)與臺面A、B分別壓緊，呈無間隙接觸狀態(tài)。
5、根據(jù)權利要求1所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于使用大面積、直徑達到沖擊砧(1)直徑的10％-70％的、每組2片的奇數(shù)組壓電元件組合的壓電組件(2)與阻尼器(3)組合成發(fā)射組件，壓電元件(28)、(2A)、(21)、(22)、(2D)、(2F)與引電片(29)、(2B)、(23)、(2C)、(2E)、(2G)按照互間隔的順序、按負極引電片(29)、(23)、(2E)的引電端向一邊，正極引電片(2B)、(2C)、(2G)向相反的一邊的規(guī)律疊放，中孔中插入絕緣套管(25)，用螺釘(27)穿過彈簧墊圈(26)和絕緣套管(25)的孔連接到耦合塊(24)組成6片3組的發(fā)射組件；所有負極引電片(29)、(23)、(2E)連接，并通過軟線(2H)引出接激勵電壓的正極，所有正極引電片(2B)、(2C)、(2G)連接，實現(xiàn)連接到阻尼器(3)、耦合塊(24)和沖擊砧(1)，并通過軟線(2I)接到激勵電壓的負極或者地線GND；而若省去壓電元件和引電片(28)、(29)、(2A)、(2B)、(2C)、(2D)、(2E)、(2F)、(2G)則構成2片一組的發(fā)射組件。
6、根據(jù)權利要求1所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于激勵器(9)含有電壓發(fā)生器(91)和頻率控制器(92)，來自計算機DA轉換器的控制電壓信號對地線GND從信號輸入端UI接入電壓發(fā)生器(91)，工作原理為經典串聯(lián)電子穩(wěn)壓器的電壓發(fā)生器按照一定的放大系數(shù)輸出控制電壓VF1，接到頻率控制器(92)，頻率控制器(92)還接收來自計算機等控制設備的TTL電平的頻率信號FI，經過頻率控制器(92)處理，輸出電壓幅度約等于控制電壓VF1、頻率等于FI、具有陡峭的跳變前沿、一定的寬度和緩變后沿的負脈沖信號接到壓電組件(2)的(2H)端，而地線GND則接到壓電組件(2)的接地端(2I)。
7、根據(jù)權利要求1和6所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于電壓發(fā)生器(91)含有工作電源V1，高壓電源V2，運放OP1，三極管T1、T2，二極管D1，電阻器R1-R8，電容器C1，來自計算機DA變換器的信號地線接GND，基準電壓信號從信號輸入端UI接入電壓發(fā)生器(91)的電阻器R6的一端，電阻器的另一端接運放OP1的負輸入端，該負輸入端還經過并聯(lián)的電容器C1和電阻器R7接到運放的輸出端，工作電源V1的正端VDD接到運放OP1的正電源端，V1的負端接地，運放OP1的負端接地，運放OP1的輸出信號還經過電阻器R3接到耐高壓的三極管T2的基極，三極管T1的發(fā)射極接二極管D1的正端，D1的負端接地GND，三極管T2的發(fā)射極還經過電阻器R8接到工作電源V1的正端VDD，三極管T2的集電極經過保護電阻R5接電阻器R4的一端和耐高壓的VMOS三極管T1的控制極，R4的另一端和三極管T1的漏極接高壓電源V2的正端，V2的負端接地GND，三極管T1的源極輸出控制電壓VF1，該VF1還經過電阻器R1與一端接地的電阻器R2串聯(lián)分壓，將分壓電壓接到運放OP1的正輸入端。由于采樣系數(shù)C＝R2/(R1+R2)，所以控制放大系數(shù)G＝1/C，即以U1＝1V輸入電壓控制，輸出約100V的控制電壓。
8、根據(jù)權利要求1和6所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于頻率控制器(92)含有三極管T3，電阻器R9、R10，電容器C2，反相器U2，與門U3，控制電壓VF1接電阻器R9的一端，R9的另一端接VMOS三極管T3的漏極，并輸出激勵信號接到壓電組件的2H端，T3的源極接地GND，并接到壓電組件的(2I)端，來自計算機等控制設備的TTL電平的頻率信號FI接到U2的輸入端和U3的輸入端之一，U2的輸入端經過電阻器R10接到U3的輸入端之二，U3的輸入端之二還經過電容器C2接地GND，U3輸出經過微分的寬度約為10us以上的脈沖接到T3的控制極。以便電路輸出具有控制電壓電平的、負脈沖寬度為10us以上的、頻率等于FI輸入頻率的激勵脈沖，去激勵壓電組件。
9、根據(jù)權利要求3所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于所述沖擊砧(1)的圓周面為具有漫反射能力的滾花面或噴砂面。
10、根據(jù)權利要求3所述的一種電子式校準沖擊臺，其特征在于其特征在于將臺面均分為與傳感器量等份的扇形小縫(10)的寬度在0.1~0.2mm。
全文摘要
一種電子式校準沖擊臺，其特征在于含有由沖擊砧、壓電組件、阻尼器、預緊螺釘、發(fā)射端蓋、吸收器和接收端蓋組成的臺體和與臺體的壓電組件連接的激勵器組成；其中的壓電組件直接接觸沖擊砧的A端，阻尼器緊靠在壓電組件的另一端；把吸收器緊貼在發(fā)射端A端，并用發(fā)射端蓋壓緊它，而發(fā)射端蓋則通過螺紋固定在沖擊砧的發(fā)射端圓周，同時，將具有壓緊作用和調整作用預緊力的預緊螺釘通過螺紋固定在發(fā)射端蓋上，并壓緊在阻尼器上；將能防止沖擊波通過沖擊砧到達其臺面B端后反射回A端，然后又反射到B端所產生的干擾而設的吸收器，緊靠臺面B端安裝，并用接收端蓋壓緊它，而接收端蓋則通過螺紋固定在沖擊砧的接收端圓周，激勵器輸出的正端與壓電組件的負端連接，壓電組件的正端接地。
文檔編號G01M7/08GK101101250SQ20061013692
公開日2008年1月9日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權日2006年12月20日
發(fā)明者唐德堯, 曾承志 申請人:唐德堯