组合式压电致动器和传感器的制作方法

背景技术：

以下讨论仅是为一般背景信息而提供的，并不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

为了测试组件或诸如弹性体材料或零件之类的材料，通常期望测量该材料对运动输入激励的力响应。测得的力除以激励位移即为动态刚度。力和位移之间的相位关系也是材料和组件特性的重要特征。这种动态刚度的测量或表征通常是在非常高的频率激励下进行的。一个例子是表征汽车发动机支架的动态刚度和透射率。内燃机发动机支架测试的常见激励频率为0.01hz至1,000hz。这种类型的测试通常使用伺服液压测试设备进行。更期望高达2,000hz甚至3,000hz的高频动态刚度测量，同时在汽车制造业中更加关注噪音、振动和声振粗糙度(nvh)，这是由于消费者对nvh的期望值更高以及更加安静的电动汽车的影响。伺服液压致动技术在1,000hz以上的频率下效率降低，并且变得更加复杂。液压油的依从性使其难以实现1000hz以上的大幅度运动。

技术实现要素：

提供本文的发明内容和摘要以简化形式介绍一些概念。这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。发明内容和摘要不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实现方式。

本公开提出了一种替代压电(pe)致动技术。这种技术对于较高(>1,000hz)的激励频率特别有利。压电(pe)致动器已被用于更高频率的动态刚度测量/特性测试。pe技术的一个缺点是，它对于低频测试(例如小于80hz)通常是不可行的。这可能是由于pe致动器可实现的行程/位移是有限的。本发明的一方面是将pe致动器与液压致动技术结合使用以实现一种测试系统。该测试系统可以在大于约1,000hz的频率下进行测试，在一个实施例中，用于以约0.01hz至大于约1,000hz的带宽下的频率进行测试，在另一实施例中，用于以约0.01hz至约2,000hz的带宽中的频率进行测试，并且在又一实施例中，以约0.01hz至约3,000hz的带宽中的频率进行测试。

另一方面是pe致动器/传感器的双重用途。如上所述，在这种测试形式中主要研究的特性是动态刚度。该刚度是从位移和力的测量值或估计值(在最真实的意义上说，传感器测量值只是物理量的“估计值”)得出的。位移估计值在低频下通常是从lvdt或编码器得出的，并且在高频下通常是从基于加速度的测量值得出的，其中加速度是从加速度计测量值得出的。对加速度进行两次积分以得出位移。通常根据应变计力传感器测量值来估计力。有时也用于此类测试的另一种力传感器是压电力传感器。在pe力传感器中，力的变化率与从pe元件发出的电荷成正比。还要注意，pe致动器的应变(与位移成正比)与施加到pe致动器元件上的电压成正比。

本发明的另一方面是精确地测量pe致动器发动机放大器内的电流/电荷。该电流/电荷在测试激励期间被传递到pe致动器。然后从该电流/电荷测量值中估计由pe致动器产生的力。这种组合式pe致动器/传感器的优点在于，由于pe致动器(连同电流/电荷测量)可以执行此功能，因此可以省去pe传感器，从而可以降低组件成本。

在一个实施例中，测试系统包括框架和液压致动器。液压致动器安装到框架上并构造成支撑试样。压电致动器构造成向试样施加力。控制器构造成激励压电致动器并通过测量提供给压电致动器的电流或电荷来指示由压电致动器产生的力。

在另一实施例中，测试系统包括框架和液压致动器。液压致动器安装到框架上并构造成支撑试样。液压致动器具有诸如活塞杆等可移动元件。惯性质量块联接到可移动元件以与其一起移动。压电致动器在与可移动元件相对的一侧安装到惯性质量块上。压电致动器构造成向试样施加力。该测试系统还包括控制器。控制器控制液压致动器的操作并激励压电致动器。

前述内容的实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。压电致动器与液压致动器串联连接的测试系统。可以提供测力传感器并将其构造成在与液压致动器相对的一侧上连接至试样。在另一实施例中，质量块构造成在与液压致动器相对的一侧上连接至试样，并且测力传感器连接至第二质量块。前述结构允许控制器在大于约1,000hz的频率下、在另一实施例中在约0.01hz至大于约1,000hz的带宽内的频率下、在另一实施例中在约0.01hz至大于约2,000hz的带宽中的频率下并且在又一实施例中在约0.01hz至大于约3,000hz的带宽中的频率下操作液压致动器和压电致动器以用于试样测试。

附图说明

图1是示例性测试机的示意图；

图2是图1的测试机的控制器的示意图。

具体实施方式

参照附图，组合式pe和液压致动器系统10的示例性实施例集成到典型的伺服液压测试系统11中，例如由美国明尼苏达州伊登普雷利的mts系统公司(mtssystemscorporation)制造的mts831.50。测试系统11包括框架10。框架10在此具有基座13和支撑横梁17的两个柱15。通常，系统11包括液压致动器12(在此示例性地安装在横梁17中)和pe致动器14。在该示例性实施例中，惯性质量块16附接到液压致动器12的活塞杆18，从而为pe致动器14提供惯性反作用。pe致动器14可以在待测试样(sut)22上方串联设置在惯性质量块16之间，和/或如图1所示，pe致动器可以在与惯性质量块16相对的一侧上的14'处固定到sut22上，其中加速度计24'与pe致动器14'和sut22串联。对于高频测试，加速度计14、14'可以用于位移估计。如第2016/0202160号美国公开专利申请中所述，加速度计24、24'可用于得出相对加速度，从而得出在sut22上的相对位移，该专利申请通过引用以其全文结合在此。

由于pe传感器无法测量到非常低的频率，因此提供了另一传感器(例如应变计测力传感器30)。如果需要的话，加速度计26也可以安装到测力传感器30上，并用于力传感器加速度补偿，如第7,331,209号或第9,658,122号美国专利中所述，其全部内容通过引用结合在此。

测力传感器30可以位于在sut22下方的可选pe致动器/传感器14'下方。在另一实施例中，可能希望在可选pe致动器/传感器14的正下方包括另一惯性质量块。在这种情况下，测力传感器可以位于30'处，然后由附图标记30表示惯性质量块。或者可替代地，可以使用增量p传感器来测量致动器12的活塞的相对侧上的流体压力，并且可以完全移除测力传感器。应当注意，在另一实施例中，可以使用多个pe致动器/传感器。例如，pe致动器/传感器24和24′都可以如图所示使用。同样，可以在14或14'处串联使用多个pe致动器/传感器。

控制器34控制液压致动器12和pe致动器/传感器14的操作。如本领域中众所周知的，控制器34通常通过向伺服阀36提供控制信号来控制液压致动器12的操作。该控制信号进而控制流向液压致动器12的流体。控制器34直接或间接地通过接口模块(致动器放大器)激励系统11中的pe致动器。测量pe致动器发动机放大器在测试期间向pe致动器传递的电流/电荷。在一个实施例中，通过电流传感器测量流向每个pe致动器/传感器14、14'的电流。该电流传感器的信号随时间积分以提供总电荷测量值。为了避免漂移，该电流信号被提供给高通滤波器，然后进行积分。然后控制器34根据既定的线性关系从该总电荷测量值估计由pe致动器产生的力，尽管可以考虑任何非线性(如果存在的话)。可以通过测量施加到pe致动器14、14'的电压来确定与位移成正比的应变。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上进行改变而不背离本发明的精神和范围。