專利名稱：一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種壓電傳感器，尤其是涉及基于準(zhǔn)獨立模態(tài)控制方法的一種準(zhǔn) 獨立模態(tài)傳感器，屬于結(jié)構(gòu)振動主動控制領(lǐng)域
背景技術(shù)：
對于一個多自由度特別是⑴自由度的連續(xù)結(jié)構(gòu)的振動控制，“溢出”問題是令人頭 疼是攔路虎，成為眾多文獻(xiàn)關(guān)注的一個主題。其中，從理論上說，最吸引人的解決辦法要數(shù) “獨立模態(tài)控制”技術(shù)。它基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)理論，首先把結(jié)構(gòu)傳感器響應(yīng)變換到模態(tài)坐標(biāo) 域中，在其中按一個一個單自由度系統(tǒng)設(shè)計控制器和優(yōu)化模態(tài)廣義力，最后再反變換到物 理坐標(biāo)由作動器驅(qū)動結(jié)構(gòu)，完成無溢出的閉環(huán)控制。這種策略的基礎(chǔ)是要有大量的分布式 的傳感器和作動器，因此，多年來只能當(dāng)作一種理想模型來欣賞——仿真試驗或討論。但 是，近二十年來，隨著重量輕、價格低，可大量分布的壓電傳感器和作動器的崛起，使它變得 比較現(xiàn)實了，它的理論和實踐價值日益受到人們的重視。獨立模態(tài)控制理論的核心是模態(tài)傳感器和作動器的組建和實施。分布式的壓電片 實際上可以看成是有⑴多個傳感器和作動器，并且還有一定的“運算”功能，這恰恰迎合了 組建模態(tài)傳感器和作動器的需要，這就是近年來不少文獻(xiàn)熱衷于壓電片剪裁的獨立模態(tài)控 制的原由。本實用新型中用壓電梁作為典型結(jié)構(gòu)來解釋獨立模態(tài)控制理論的原理以及本實 用新型在壓電結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用，但該實用新型也適用于其他結(jié)構(gòu)，特別如航空航天 產(chǎn)品之類的大型柔性結(jié)構(gòu)。圖1是眾多文獻(xiàn)采用的典型的壓電片裁剪獨立模態(tài)控制示意圖(單模態(tài))，從圖 可見在梁1’的下表面貼有一壓電作動片2’，上表面相應(yīng)位置貼有同一尺寸的壓電測量片 3’經(jīng)一大電阻4’后接電阻5’和運算放大器6’構(gòu)成壓電應(yīng)變傳感器；壓電剪裁獨立模態(tài)控制的現(xiàn)實性和局限性(1)多模態(tài)控制要貼多層壓電片，顯然不那么現(xiàn)實可行。(2)非均勻梁結(jié)構(gòu)例如變截面的，有剛度突變的，帶有集中質(zhì)量的等等，裁剪條 件將變得非常復(fù)雜甚至沒有可行的解。對于其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)，首先沒有應(yīng)變振型(如梁的 φ^ω)的解析解，用有限元法等求解，誤差將較大；其次，或許更為重要的是，即使對于簡 單的彈性薄板，應(yīng)變傳感器的輸出方程中的ι將成為Vr = jjSpshps (Φ^ (x, j) + Of (χ, y))dxdy(2-1)這里可裁剪的東西似乎只剩下sps(x，y)和hps(x，y) 了，即壓電片的厚度或壓電 常數(shù)要隨板的坐標(biāo)X，y而變。這顯然是很不現(xiàn)實的。更有甚者，似乎也很難找到關(guān)于應(yīng)變 模態(tài)ΦΓ(Α>·) + ΦΓ江力的正交函數(shù)系。(3)關(guān)于適應(yīng)性首先，如果結(jié)構(gòu)特性特別是固有振型在運行中有所變化，已裁剪好的壓電傳感器 和作動器將偏離獨立模態(tài)控制條件，從而有可能使整個控制失效。另外，“硬化”的獨立模態(tài)傳感器和作動器也在很大程度上限制了智能傳感和作動器與現(xiàn)代自適應(yīng)控制技術(shù)相結(jié)合的深遠(yuǎn)潛力。

實用新型內(nèi)容1、目的本實用新型的目的是提供一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，它克服了原有的理論 模型在現(xiàn)實應(yīng)用中的困難，是一種設(shè)計優(yōu)化，可用于實踐的準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器。2、技術(shù)方案見圖2所示本實用新型一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，它是由測量片2、電阻Rfl3、運算放大器4、增 益gsl5、測量片6、電阻Rf27、運算放大器8、增益gs29、測量片10、電阻Rf3ll、運算放大器12、 增益gs313和加法電路14組成。它們之間的連接關(guān)系是測量片2緊貼薄板1的上表面，電 阻Rfl3與運算放大器4的負(fù)輸入端相連(其正輸入端接地)組成并聯(lián)負(fù)反饋電路后，一端 與測量片2相連，另一端與增益gsl連接，增益gsl的另一端與加法電路14相連；同理，測量 片6、10緊貼薄板1的上表面，電阻Rf27、電阻Rf3Il與運算放大器8、12分別組成并聯(lián)負(fù)反 饋電路后，其一端與測量片6、10相連，另一端與增益gs29、增益gs313連接，增益gs29、增益 gsS13的另一端與加法電路14相連，加法電路14與低通濾波器15連接構(gòu)成回路。其中，加法電路14由電阻Rf416、電阻Rf517、電阻Rf618、運算放大器19和電阻Rf720 組成；見圖3 ；其中，測量片2、6、10的厚度不超過0. 3毫米，面積不超過3平方厘米；其中，電阻Rfl3、電阻Rf27、電阻Rf311、電阻Rf416、電阻Rf517、電阻Rf618、電阻Rf720 的電阻值為300K歐姆；其中，運算放大器4、8、12、19的型號、規(guī)格無特殊要求，購買市場各種通用產(chǎn)品即 可；3、優(yōu)點及功效本實用新型一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，由于采用上述技術(shù)方案，它克 服了原有的理論模型(如基于壓電片選位的理想模態(tài)傳感器)在現(xiàn)實應(yīng)用中的困難，是一 種設(shè)計優(yōu)化，可用于實踐的準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，可達(dá)到一批壓電片控制多個模態(tài)的目的。

圖1應(yīng)用于壓電片裁剪獨立模態(tài)控制(單模態(tài))中的壓電裁剪模態(tài)傳感器圖2本實用新型應(yīng)用于壓電結(jié)構(gòu)準(zhǔn)獨立模態(tài)控制中的準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器圖3應(yīng)用于本實用新型準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器中的加法電路圖4與本實用新型連接使用的低通濾波器圖中符號說明如下1’、梁，2’、作動片，3’、測量片，4’、大電阻R，5’、電阻Rf，6’、運算放大器，7’、微分 放大器gss，8’、比例放大器ga；1、薄板，2、測量片，3、電阻Rfl，4、運算放大器，5、增益gsl，6、測量片，7、電阻Rf2，8、 運算放大器，9、增益gs2，10、測量片，11、電阻Rf3，12、運算放大器，13、增益gs3，14、加法電路， 15、低通濾波器，16、電阻Rf4，17、電阻Rf5，18、Rf6，19、運算放大器，20、電阻Rf7，21、電阻R1, 22、電阻R2, 23、電容C，24、電阻R3, 25、運算放大器。
具體實施方式
見圖2所 示，該實用新型說明如下本實用新型一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，它是由測量片2、電阻Rfl3、運算放大器4、增 益gsl5、測量片6、電阻Rf27、運算放大器8、增益gs29、測量片10、電阻Rf3ll、運算放大器12、 增益gs313和加法電路14組成。它們的鏈接關(guān)系如下在薄板1的上表面貼有3個測量片 (測量片2，測量片6，測量片10)，在每個測量片后分別接上由相應(yīng)的電阻和運算放大器組 成并聯(lián)電路，該測量片與此并聯(lián)電路組成一個獨立的壓電應(yīng)變率傳感器(如圖2中2，3，4 ； 6,7,8 ；10，11，12分別構(gòu)成三個獨立的壓電應(yīng)變率傳感器，這種獨立的壓電應(yīng)變率傳感器 的數(shù)量根據(jù)具體情況可推廣至m個)，它們經(jīng)過各自的增益gsl5，gs29，gs313后由加法電路 14求和構(gòu)成一個組合式壓電傳感器。見圖3所示，該加法電路14由電阻Rf416、電阻Rf517、電阻Rf618、運算放大器19和 電阻Rf720組成；測量片2、測量片6、測量片10的厚度為0. 25毫米，面積為2. 8平方厘米； 電阻Rfl3、電阻Rf27、電阻Rf3ll、電阻Rf416、電阻Rf517、電阻Rf618、電阻Rf720的電阻值是300K 歐姆；運算放大器4、運算放大器8、運算放大器12、運算放大器19的型號為LM358P。下面敘述這種組合式壓電傳感器(即準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器)的獲得提出一種由多個有限尺寸壓電片傳感器的“軟化”組合和優(yōu)化來逼近理想模態(tài)傳 感器的策略，見圖2。在薄板1上貼有m個壓電應(yīng)變率傳感器，各個輸出為Usi (i = 1，2···πι)， 它們經(jīng)過各增益gsi后求和構(gòu)成一個組合式壓電應(yīng)變率傳感器，總輸出為us，隨后去激勵由 η個增益gaj(j = 1，2…η)——壓電作動片一起構(gòu)成的組合式壓電作動器。通常，振動控制 的目標(biāo)是那些低頻模態(tài)，因此在組合式傳感器后串接一個低通濾波器15，把高頻模態(tài)的響 應(yīng)基本濾去。見圖4所示，該低通濾波器15由電阻禮21，電容C23，電阻R324，電阻R222和 運算放大器25組成；電阻禮21、電阻R324的電阻值是300歐姆，電阻R222的電阻值是10歐 姆，電容C23的電容值是20pF，運算放大器25的型號為LM358P ；這相當(dāng)于大大地減少了壓 電結(jié)構(gòu)的自由度，在方程
Pie J °°Us(S) =(應(yīng)變率)(5-1)
^ r=l
hd h Rf “= _^“(應(yīng)變)(5-2)等中求和上限⑴變?yōu)橛邢迶?shù)N，從而使理想模態(tài)濾波器條件
^(Ω,)= fi (ΦΓ(x,J) + Of(x,y))dxdy =二(5-3)
叫[0r ^ L等變?yōu)楸容^接近現(xiàn)實可行。為簡便計，不失一般性，在方程(5-1)-(5_2)中把系數(shù)取為1，有
joNUsi(S) = s^r(asi)qr{s) ^ S^r(Qsi)qr(s)(應(yīng)變率)i = 1，2···πι(5-4)
r=\r=l
οοNUsi(s) = (Qsi)qr(s)(Ω,.)qr(s)(應(yīng)變)i = l，2".m(5-5)
r=\r二1[0042]這樣對于應(yīng)變率傳感器有
權(quán)利要求一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，其特征在于它是由測量片(2)、電阻Rf1(3)、運算放大器(4)、增益gs1(5)、測量片(6)、電阻Rf2(7)、運算放大器(8)、增益gs2(9)、測量片(10)、電阻Rf3(11)、運算放大器(12)、增益gs3(13)和加法電路(14)組成；它們之間的連接關(guān)系是測量片(2)緊貼薄板(1)的上表面，電阻Rf1(3)與運算放大器(4)的負(fù)輸入端相連、其正輸入端接地組成并聯(lián)負(fù)反饋電路后，一端與測量片(2)相連，另一端與增益gs1(5)連接，增益gs1(5)的另一端與加法電路(14)相連；測量片(6)、(10)緊貼薄板(1)的上表面，電阻Rf2(7)、電阻Rf3(11)與運算放大器(8)、(12)分別組成并聯(lián)負(fù)反饋電路后，其一端與測量片(6)、(10)相連，另一端與增益gs2(9)、增益gs3(13)連接，增益gs2(9)、增益gs3(13)的另一端與加法電路(14)相連，加法電路(14)與低通濾波器(15)連接構(gòu)成回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，其特征在于該加法電路(14)由電 阻Rf4(16)、電阻Rf5(17)、電阻Rf6 (18)、運算放大器(19)和電阻Rf7 (20)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，其特征在于該測量片(2)、測量片 (6)、測量片(10)的厚度不超過0.3毫米，面積不超過3平方厘米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，其特征在于該電阻Rfl(3)、電阻 Rf2⑵、電阻Rf3 (11)、電阻Rf4 (16)、電阻Rf5 (17)、電阻Rf6 (18)、電阻Rf7 (20)的電阻值是300K 歐姆。專利摘要本實用新型一種準(zhǔn)獨立模態(tài)傳感器，它是由測量片(2)，電阻Rf1(3)，運算放大器(4)，增益gs1(5)，測量片(6)，電阻Rf2(7)，運算放大器(8)，增益gs2(9)，測量片(10)，電阻Rf3(11)，運算放大器(12)，增益gs3(13)和加法電路(14)組成；測量片(2)緊貼薄板(1)的上表面，電阻Rf1(3)與運算放大器(4)的負(fù)輸入端相連組成并聯(lián)負(fù)反饋電路后，一端與測量片(2)相連，另一端與增益gs1(5)連接，增益gs1(5)的另一端與加法電路(14)相連；測量片(6)、(10)緊貼薄板(1)的上表面，電阻Rf2(7)、電阻Rf3(11)與運算放大器(8)、(12)分別組成并聯(lián)負(fù)反饋電路后，其一端與測量片(6)、(10)相連，另一端與增益gs2(9)、增益gs3(13)連接，增益gs2(9)、增益gs3(13)的另一端與加法電路(14)相連，加法電路(14)與低通濾波器(15)連接構(gòu)成回路。在結(jié)構(gòu)振動主動控制領(lǐng)域內(nèi)具有實用價值和應(yīng)用前景。
文檔編號G01H11/08GK201724735SQ201020046920
公開日2011年1月26日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者吳雁飛, 姚軍, 李曉鋼 申請人:北京航空航天大學(xué)