基于梁结构超谐波振动的信号倍频放大研究
发布时间：2021-04-15 00:50
信号发生装置的倍频电路容易受到外界环境因素和器件尺寸的影响,导致工作稳定性变差,影响信号发生装置的性能。为此,本文提出一种基于梁结构机电耦合系统超谐波振动的信号倍频发生方法,给出了超谐波振动倍频信号放大条件。该方法利用激励信号激励梁产生超谐波振动,通过滤波电路滤除激励波信号,保留了激励波三倍频信号,实现了信号的倍频放大功能。设计了超谐波振动倍频信号试验发生装置和高低通滤波电路,滤除激励信号;利用数据采集系统采集超谐波振动信号。试验结果表明:本文的信号倍频放大方法能实现信号频率整数倍放大,超谐波振动倍频信号发生装置能产生稳定的倍频信号。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
梁压电测量系统模型Fig.1Piezoelectricmeasuremodelofacantileverbeam3基于超谐波响应的三倍频信号
2238应用力学学报第37卷4超谐波滤波试验以粘贴压电传感器的悬臂梁为试验实例(如图2所示)，开展梁结构非线性超谐波振动的信号机械式倍频发生试验研究。本试验以悬臂梁作为振动器件，悬臂梁上表面粘贴压电片传感器，采集振动信号。悬臂梁为铝材料梁，其长度l=240mm、宽度b=30mm、厚度h=0.93mm，铝材料梁弹性模量E=70GPa；压电材料采用PZT型压电陶瓷，压电驱动器的参数为20mm×20mm×0.2mm，压电陶瓷弹性模量Epe=63GPa，e31=1.90C/m2。压电驱动器的位置参数为ξ1=35mm，ξ2=65mm，非线性方程的小参数ε取为0.1。图2悬臂梁试验系统Fig.2Experimentalsystemofacantileverbeam4.1振动系统结构参数的测量由压电效应可知，随着梁变形而缩短和伸长的压电片会产生电压信号。利用dSPACE数据采集系统采集压电传感器的电压信号，利用式(16)可以求得非线性振动的非线性振动参数。测量计算非线性振动的非线性参数。忽略压电传感器的影响，由理论计算得到悬臂梁前三阶固有频率理论值：13.2788Hz、83.223Hz、233.0502Hz。通过扫频的方式测量得到悬臂梁前三阶的固有频率分别为11.5845Hz、80.399Hz、216.946Hz。通过理论值和试验值的对比发现，试验值比理论值要小，并且频率越大两者的差距越大。可见压电传感器的存在减小了悬臂梁的固有频率，并且其对高阶模态固有频率的影响更显著。利用悬臂梁自由衰减振动来测量系统的阻尼。用力锤敲击悬臂梁末端使其产生自由衰减振动。记录单自由度自由衰减振动波形，其自由衰减振动图像如图3所示。采样时间为1.5s，在自由衰减振
挠跋欤?衫砺奂扑愕玫叫??梁前三阶固有频率理论值：13.2788Hz、83.223Hz、233.0502Hz。通过扫频的方式测量得到悬臂梁前三阶的固有频率分别为11.5845Hz、80.399Hz、216.946Hz。通过理论值和试验值的对比发现，试验值比理论值要小，并且频率越大两者的差距越大。可见压电传感器的存在减小了悬臂梁的固有频率，并且其对高阶模态固有频率的影响更显著。利用悬臂梁自由衰减振动来测量系统的阻尼。用力锤敲击悬臂梁末端使其产生自由衰减振动。记录单自由度自由衰减振动波形，其自由衰减振动图像如图3所示。采样时间为1.5s，在自由衰减振动中取9个周期，测量出相距9个周期的两个振幅的时刻值和幅值，t1=0.0418s，A1=0.141V，t10=0.8197s，A10=0.044V。由式(21)和式(22)可以计算得到μ值为381.87。利用图3还可以计算得到系统的一阶固有频率为11.58Hz。4.2超谐波响应受迫振动滤波试验利用超谐振动的幅频关系测量计算非线性振动的非线性参数。利用YE15400型激振器给悬臂梁施加一个基础振动，通过扫频方式确定超谐振动的频率区域，调整激励振动幅值，得到较好的超谐波图像。利用dSPACE数据采集系统采集数据，再应用Matlab7.0快速傅里叶程序画出振动幅频图像，如图4所示。图4是振动系统激励频率接近于悬臂梁三阶模态的超谐振动图像，激励频率为67.16Hz，受迫振动的幅值为0.0167V，自由振动的幅值为0.0085V，计算得到倍频信号比为1.96，大于数值1。图3悬臂梁自由振动位移响应Fig.3Freevibrationofcantileverbeam图4悬臂梁超谐波响应幅频图像Fig.4Super-harmonicfrequency-ampli
本文编号：3138336
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
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梁压电测量系统模型Fig.1Piezoelectricmeasuremodelofacantileverbeam3基于超谐波响应的三倍频信号
2238应用力学学报第37卷4超谐波滤波试验以粘贴压电传感器的悬臂梁为试验实例(如图2所示)，开展梁结构非线性超谐波振动的信号机械式倍频发生试验研究。本试验以悬臂梁作为振动器件，悬臂梁上表面粘贴压电片传感器，采集振动信号。悬臂梁为铝材料梁，其长度l=240mm、宽度b=30mm、厚度h=0.93mm，铝材料梁弹性模量E=70GPa；压电材料采用PZT型压电陶瓷，压电驱动器的参数为20mm×20mm×0.2mm，压电陶瓷弹性模量Epe=63GPa，e31=1.90C/m2。压电驱动器的位置参数为ξ1=35mm，ξ2=65mm，非线性方程的小参数ε取为0.1。图2悬臂梁试验系统Fig.2Experimentalsystemofacantileverbeam4.1振动系统结构参数的测量由压电效应可知，随着梁变形而缩短和伸长的压电片会产生电压信号。利用dSPACE数据采集系统采集压电传感器的电压信号，利用式(16)可以求得非线性振动的非线性振动参数。测量计算非线性振动的非线性参数。忽略压电传感器的影响，由理论计算得到悬臂梁前三阶固有频率理论值：13.2788Hz、83.223Hz、233.0502Hz。通过扫频的方式测量得到悬臂梁前三阶的固有频率分别为11.5845Hz、80.399Hz、216.946Hz。通过理论值和试验值的对比发现，试验值比理论值要小，并且频率越大两者的差距越大。可见压电传感器的存在减小了悬臂梁的固有频率，并且其对高阶模态固有频率的影响更显著。利用悬臂梁自由衰减振动来测量系统的阻尼。用力锤敲击悬臂梁末端使其产生自由衰减振动。记录单自由度自由衰减振动波形，其自由衰减振动图像如图3所示。采样时间为1.5s，在自由衰减振
挠跋欤?衫砺奂扑愕玫叫??梁前三阶固有频率理论值：13.2788Hz、83.223Hz、233.0502Hz。通过扫频的方式测量得到悬臂梁前三阶的固有频率分别为11.5845Hz、80.399Hz、216.946Hz。通过理论值和试验值的对比发现，试验值比理论值要小，并且频率越大两者的差距越大。可见压电传感器的存在减小了悬臂梁的固有频率，并且其对高阶模态固有频率的影响更显著。利用悬臂梁自由衰减振动来测量系统的阻尼。用力锤敲击悬臂梁末端使其产生自由衰减振动。记录单自由度自由衰减振动波形，其自由衰减振动图像如图3所示。采样时间为1.5s，在自由衰减振动中取9个周期，测量出相距9个周期的两个振幅的时刻值和幅值，t1=0.0418s，A1=0.141V，t10=0.8197s，A10=0.044V。由式(21)和式(22)可以计算得到μ值为381.87。利用图3还可以计算得到系统的一阶固有频率为11.58Hz。4.2超谐波响应受迫振动滤波试验利用超谐振动的幅频关系测量计算非线性振动的非线性参数。利用YE15400型激振器给悬臂梁施加一个基础振动，通过扫频方式确定超谐振动的频率区域，调整激励振动幅值，得到较好的超谐波图像。利用dSPACE数据采集系统采集数据，再应用Matlab7.0快速傅里叶程序画出振动幅频图像，如图4所示。图4是振动系统激励频率接近于悬臂梁三阶模态的超谐振动图像，激励频率为67.16Hz，受迫振动的幅值为0.0167V，自由振动的幅值为0.0085V，计算得到倍频信号比为1.96，大于数值1。图3悬臂梁自由振动位移响应Fig.3Freevibrationofcantileverbeam图4悬臂梁超谐波响应幅频图像Fig.4Super-harmonicfrequency-ampli
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