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专利名称：一种准独立模态传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种压电传感器，尤其是涉及基于准独立模态控制方法的一种准 独立模态传感器，属于结构振动主动控制领域
背景技术：
对于一个多自由度特别是⑴自由度的连续结构的振动控制，“溢出”问题是令人头 疼是拦路虎，成为众多文献关注的一个主题。其中，从理论上说，最吸引人的解决办法要数 “独立模态控制”技术。它基于结构振动模态理论，首先把结构传感器响应变换到模态坐标 域中，在其中按一个一个单自由度系统设计控制器和优化模态广义力，最后再反变换到物 理坐标由作动器驱动结构，完成无溢出的闭环控制。这种策略的基础是要有大量的分布式 的传感器和作动器，因此，多年来只能当作一种理想模型来欣赏——仿真试验或讨论。但 是，近二十年来，随着重量轻、价格低，可大量分布的压电传感器和作动器的崛起，使它变得 比较现实了，它的理论和实践价值日益受到人们的重视。独立模态控制理论的核心是模态传感器和作动器的组建和实施。分布式的压电片 实际上可以看成是有⑴多个传感器和作动器，并且还有一定的“运算”功能，这恰恰迎合了 组建模态传感器和作动器的需要，这就是近年来不少文献热衷于压电片剪裁的独立模态控 制的原由。本实用新型中用压电梁作为典型结构来解释独立模态控制理论的原理以及本实 用新型在压电结构振动控制中的应用，但该实用新型也适用于其他结构，特别如航空航天 产品之类的大型柔性结构。图1是众多文献采用的典型的压电片裁剪独立模态控制示意图(单模态)，从图 可见在梁1’的下表面贴有一压电作动片2’，上表面相应位置贴有同一尺寸的压电测量片 3’经一大电阻4’后接电阻5’和运算放大器6’构成压电应变传感器；压电剪裁独立模态控制的现实性和局限性(1)多模态控制要贴多层压电片，显然不那么现实可行。(2)非均勻梁结构例如变截面的，有刚度突变的，带有集中质量的等等，裁剪条 件将变得非常复杂甚至没有可行的解。对于其它复杂结构，首先没有应变振型(如梁的 φ^ω)的解析解，用有限元法等求解，误差将较大；其次，或许更为重要的是，即使对于简 单的弹性薄板，应变传感器的输出方程中的ι将成为Vr = jjSpshps (Φ^ (x, j) + Of (χ, y))dxdy(2-1)这里可裁剪的东西似乎只剩下sps(x，y)和hps(x，y) 了，即压电片的厚度或压电 常数要随板的坐标X，y而变。这显然是很不现实的。更有甚者，似乎也很难找到关于应变 模态ΦΓ(Α>·) + ΦΓ江力的正交函数系。(3)关于适应性首先，如果结构特性特别是固有振型在运行中有所变化，已裁剪好的压电传感器 和作动器将偏离独立模态控制条件，从而有可能使整个控制失效。另外，“硬化”的独立模态传感器和作动器也在很大程度上限制了智能传感和作动器与现代自适应控制技术相结合的深远潜力。

实用新型内容1、目的本实用新型的目的是提供一种准独立模态传感器，它克服了原有的理论 模型在现实应用中的困难，是一种设计优化，可用于实践的准独立模态传感器。2、技术方案见图2所示本实用新型一种准独立模态传感器，它是由测量片2、电阻Rfl3、运算放大器4、增 益gsl5、测量片6、电阻Rf27、运算放大器8、增益gs29、测量片10、电阻Rf3ll、运算放大器12、 增益gs313和加法电路14组成。它们之间的连接关系是测量片2紧贴薄板1的上表面，电 阻Rfl3与运算放大器4的负输入端相连(其正输入端接地)组成并联负反馈电路后，一端 与测量片2相连，另一端与增益gsl连接，增益gsl的另一端与加法电路14相连；同理，测量 片6、10紧贴薄板1的上表面，电阻Rf27、电阻Rf3Il与运算放大器8、12分别组成并联负反 馈电路后，其一端与测量片6、10相连，另一端与增益gs29、增益gs313连接，增益gs29、增益 gsS13的另一端与加法电路14相连，加法电路14与低通滤波器15连接构成回路。其中，加法电路14由电阻Rf416、电阻Rf517、电阻Rf618、运算放大器19和电阻Rf720 组成；见图3 ；其中，测量片2、6、10的厚度不超过0. 3毫米，面积不超过3平方厘米；其中，电阻Rfl3、电阻Rf27、电阻Rf311、电阻Rf416、电阻Rf517、电阻Rf618、电阻Rf720 的电阻值为300K欧姆；其中，运算放大器4、8、12、19的型号、规格无特殊要求，购买市场各种通用产品即 可；3、优点及功效本实用新型一种准独立模态传感器，由于采用上述技术方案，它克 服了原有的理论模型(如基于压电片选位的理想模态传感器)在现实应用中的困难，是一 种设计优化，可用于实践的准独立模态传感器，可达到一批压电片控制多个模态的目的。

图1应用于压电片裁剪独立模态控制(单模态)中的压电裁剪模态传感器图2本实用新型应用于压电结构准独立模态控制中的准独立模态传感器图3应用于本实用新型准独立模态传感器中的加法电路图4与本实用新型连接使用的低通滤波器图中符号说明如下1’、梁，2’、作动片，3’、测量片，4’、大电阻R，5’、电阻Rf，6’、运算放大器，7’、微分 放大器gss，8’、比例放大器ga；1、薄板，2、测量片，3、电阻Rfl，4、运算放大器，5、增益gsl，6、测量片，7、电阻Rf2，8、 运算放大器，9、增益gs2，10、测量片，11、电阻Rf3，12、运算放大器，13、增益gs3，14、加法电路， 15、低通滤波器，16、电阻Rf4，17、电阻Rf5，18、Rf6，19、运算放大器，20、电阻Rf7，21、电阻R1, 22、电阻R2, 23、电容C，24、电阻R3, 25、运算放大器。
具体实施方式
见图2所 示，该实用新型说明如下本实用新型一种准独立模态传感器，它是由测量片2、电阻Rfl3、运算放大器4、增 益gsl5、测量片6、电阻Rf27、运算放大器8、增益gs29、测量片10、电阻Rf3ll、运算放大器12、 增益gs313和加法电路14组成。它们的链接关系如下在薄板1的上表面贴有3个测量片 (测量片2，测量片6，测量片10)，在每个测量片后分别接上由相应的电阻和运算放大器组 成并联电路，该测量片与此并联电路组成一个独立的压电应变率传感器(如图2中2，3，4 ； 6,7,8 ；10，11，12分别构成三个独立的压电应变率传感器，这种独立的压电应变率传感器 的数量根据具体情况可推广至m个)，它们经过各自的增益gsl5，gs29，gs313后由加法电路 14求和构成一个组合式压电传感器。见图3所示，该加法电路14由电阻Rf416、电阻Rf517、电阻Rf618、运算放大器19和 电阻Rf720组成；测量片2、测量片6、测量片10的厚度为0. 25毫米，面积为2. 8平方厘米； 电阻Rfl3、电阻Rf27、电阻Rf3ll、电阻Rf416、电阻Rf517、电阻Rf618、电阻Rf720的电阻值是300K 欧姆；运算放大器4、运算放大器8、运算放大器12、运算放大器19的型号为LM358P。下面叙述这种组合式压电传感器(即准独立模态传感器)的获得提出一种由多个有限尺寸压电片传感器的“软化”组合和优化来逼近理想模态传 感器的策略，见图2。在薄板1上贴有m个压电应变率传感器，各个输出为Usi (i = 1，2···πι)， 它们经过各增益gsi后求和构成一个组合式压电应变率传感器，总输出为us，随后去激励由 η个增益gaj(j = 1，2…η)——压电作动片一起构成的组合式压电作动器。通常，振动控制 的目标是那些低频模态，因此在组合式传感器后串接一个低通滤波器15，把高频模态的响 应基本滤去。见图4所示，该低通滤波器15由电阻礼21，电容C23，电阻R324，电阻R222和 运算放大器25组成；电阻礼21、电阻R324的电阻值是300欧姆，电阻R222的电阻值是10欧 姆，电容C23的电容值是20pF，运算放大器25的型号为LM358P ；这相当于大大地减少了压 电结构的自由度，在方程
Pie J °°Us(S) =(应变率)(5-1)
^ r=l
hd h Rf “= _^“(应变)(5-2)等中求和上限⑴变为有限数N，从而使理想模态滤波器条件
^(Ω,)= fi (ΦΓ(x,J) + Of(x,y))dxdy =二(5-3)
叫[0r ^ L等变为比较接近现实可行。为简便计，不失一般性，在方程(5-1)-(5_2)中把系数取为1，有
joNUsi(S) = s^r(asi)qr{s) ^ S^r(Qsi)qr(s)(应变率)i = 1，2···πι(5-4)
r=\r=l
οοNUsi(s) = (Qsi)qr(s)(Ω,.)qr(s)(应变)i = l，2".m(5-5)
r=\r二1[0042]这样对于应变率传感器有
权利要求一种准独立模态传感器，其特征在于它是由测量片(2)、电阻Rf1(3)、运算放大器(4)、增益gs1(5)、测量片(6)、电阻Rf2(7)、运算放大器(8)、增益gs2(9)、测量片(10)、电阻Rf3(11)、运算放大器(12)、增益gs3(13)和加法电路(14)组成；它们之间的连接关系是测量片(2)紧贴薄板(1)的上表面，电阻Rf1(3)与运算放大器(4)的负输入端相连、其正输入端接地组成并联负反馈电路后，一端与测量片(2)相连，另一端与增益gs1(5)连接，增益gs1(5)的另一端与加法电路(14)相连；测量片(6)、(10)紧贴薄板(1)的上表面，电阻Rf2(7)、电阻Rf3(11)与运算放大器(8)、(12)分别组成并联负反馈电路后，其一端与测量片(6)、(10)相连，另一端与增益gs2(9)、增益gs3(13)连接，增益gs2(9)、增益gs3(13)的另一端与加法电路(14)相连，加法电路(14)与低通滤波器(15)连接构成回路。
2.根据权利要求1所述的一种准独立模态传感器，其特征在于该加法电路(14)由电 阻Rf4(16)、电阻Rf5(17)、电阻Rf6 (18)、运算放大器(19)和电阻Rf7 (20)组成。
3.根据权利要求1所述的一种准独立模态传感器，其特征在于该测量片(2)、测量片 (6)、测量片(10)的厚度不超过0.3毫米，面积不超过3平方厘米。
4.根据权利要求1所述的一种准独立模态传感器，其特征在于该电阻Rfl(3)、电阻 Rf2⑵、电阻Rf3 (11)、电阻Rf4 (16)、电阻Rf5 (17)、电阻Rf6 (18)、电阻Rf7 (20)的电阻值是300K 欧姆。专利摘要本实用新型一种准独立模态传感器，它是由测量片(2)，电阻Rf1(3)，运算放大器(4)，增益gs1(5)，测量片(6)，电阻Rf2(7)，运算放大器(8)，增益gs2(9)，测量片(10)，电阻Rf3(11)，运算放大器(12)，增益gs3(13)和加法电路(14)组成；测量片(2)紧贴薄板(1)的上表面，电阻Rf1(3)与运算放大器(4)的负输入端相连组成并联负反馈电路后，一端与测量片(2)相连，另一端与增益gs1(5)连接，增益gs1(5)的另一端与加法电路(14)相连；测量片(6)、(10)紧贴薄板(1)的上表面，电阻Rf2(7)、电阻Rf3(11)与运算放大器(8)、(12)分别组成并联负反馈电路后，其一端与测量片(6)、(10)相连，另一端与增益gs2(9)、增益gs3(13)连接，增益gs2(9)、增益gs3(13)的另一端与加法电路(14)相连，加法电路(14)与低通滤波器(15)连接构成回路。在结构振动主动控制领域内具有实用价值和应用前景。
文档编号G01H11/08GK201724735SQ201020046920
公开日2011年1月26日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者吴雁飞, 姚军, 李晓钢 申请人:北京航空航天大学