一种压电元件检测系统及方法和应用与流程

[0001]
本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种压电元件检测系统及方法和应用。


背景技术：

[0002]
压电陶瓷作为智能材料，能实现电能与机械能之间的相互转换，其中压电悬臂梁结构应用较为常见，广泛应用于振动能量收集器、俘能器、振动抑制、微型驱动装置等领域，在这些工程应用中，压电悬臂梁作为驱动器在驱动控制电路下工作并作用于被驱动件，在长时间工作下，压电悬臂梁的工作状态并不能及时反馈，以致在压电老化，胶层剥落等外因下，驱动效果不佳，严重的情况可导致工程故障。此外，压电悬臂梁工作频率相对较高，在长时间工作条件下，压电悬臂梁磨损等由自身物理性质造成的故障，属于暂变过程，难以判断压电悬臂梁在何时处于不佳工作状态。


技术实现要素：

[0003]
1、发明要解决的技术问题
[0004]
针对压电悬臂梁异常工作状态难以判断的技术问题，本发明提供了一种压电元件检测系统及方法和应用，它可以对压电悬臂梁工作状态进行检测，提前判断出压电悬臂梁的异常工作状态。
[0005]
2、技术方案
[0006]
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
[0007]
一种压电元件检测系统，包括：依次连接的驱动电路、压电元件、信号检测电路和数据处理模块；所述数据处理模块用于计算压电元件的实际输出电流值，并将压电元件的实际输出电流值与压电元件工作状态正常时的输出电流阈值比较，判断压电元件工作状态是否异常。
[0008]
可选的，所述数据处理模块中存储有压电元件工作状态正常时的输出电流阈值。
[0009]
可选的，还包括存储模块，用于存储压电元件工作状态正常时的输出电流阈值；所述存储模块与数据处理模块连接。
[0010]
可选的，还包括显示模块，所述显示模块与数据处理模块连接。
[0011]
可选的，所述信号检测电路包括依次连接的噪声滤波电路和比例放大电路，所述比例放大电路与数据处理模块连接。
[0012]
可选的，所述数据处理模块还包括依次连接的噪声滤波单元、比例放大单元、信号变换单元和分析比对单元，所述噪声滤波单元与信号检测电路连接。
[0013]
可选的，还包括测速仪，用于检测压电元件受撞击前后的初速度v1和末速度v2；所述测速仪与数据处理模块连接。
[0014]
可选的，所述的测速仪为高速摄像机、雷达测速仪或激光测速仪。
[0015]
可选的，所述的压电元件为压电晶体件、压电半导体或压电陶瓷件；若所述的压电元件为压电晶体件时，所述压电晶体件为压电悬臂梁，所述压电悬臂梁包括基板和压电晶
片，所述基板的一个以上的侧面上设有压电晶片。
[0016]
一种压电元件检测方法，根据以上任一项所述的一种压电元件检测系统，其特征在于，包括：设定压电元件的机械边界条件，通过驱动电路为压电元件设定电学边界条件；压电元件输出信号经信号检测电路，输送至数据处理模块处理，计算得到压电元件的实际输出电流值；将压电元件的实际输出电流值，与设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件工作状态正常时的输出电流阈值比较，判断压电元件工作状态是否异常。
[0017]
可选的，所述压电元件工作状态正常时的输出电流阈值的计算方法，包括：测速仪检测压电元件受撞击前后的初速度v1和末速度v2；发送给数据处理模块处理，数据处理模块计算出压电元件工作状态正常时的输出电流阈值。
[0018]
可选的，所述设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件工作状态正常时的输出电流阈值，存储在数据处理模块或存储模块中；若所述设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件工作状态正常时的输出电流阈值存储在存储模块中，所述数据处理模块读取存储模块的内容；将压电元件的实际输出电流值，与设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件工作状态正常时的输出电流阈值比较，判断压电元件工作状态是否异常。
[0019]
可选的，若所述压电元件为压电悬臂梁时，所述数据处理模块计算出压电元件工作状态正常时的输出电流阈值，包括：
[0020][0021]
i为压电元件作为传感器的输出电流信号，a
p
为压电悬臂梁的压电晶片表面积，d
31
为压电常数，e
c
为压电悬臂梁的弹性模量，l为压电晶片长度，v1、v2分别为压电悬臂梁受外力作用时初速度与末速度，ζ、w
d
、w
n
分别为压电悬臂梁有阻尼时振动频率和无阻尼时振动的固有频率，t为时间。
[0022]
可选的，所述数据处理模块计算出压电元件工作状态正常时的输出电流阈值，包括：
[0023]
将受撞击的压电悬臂梁等效为单自由度系统，冲量u：
[0024][0025]
f为压电悬臂梁受到的冲击外力大小，m为压电悬臂梁的质量；
[0026]
对于欠阻尼系统，运动微分方程为：
[0027][0028]
解得：
[0029][0030]
其中，w
n
为无阻尼振动时的固有频率，
[0031]
m为压电悬臂梁的质量，k为压电悬臂梁的等效弹簧常数；
[0032][0033]
ζ为阻尼比，
[0034][0035]
c为压电悬臂梁的阻尼系数；w
d
为有阻尼振动时的频率，
[0036][0037]
初始条件：
[0038]
x(t＝0)＝x0＝0，
[0039][0040]
将初始条件代入运动微分方程，得
[0041][0042]
弯矩m：
[0043][0044]
其中，上下两层压电晶片厚度相同均为h1，上压电晶片的弹性模量为e1，基板厚度为h2，下压电晶片的弹性模量为e2，b为压电悬臂梁的宽，r为压电悬臂梁中性轴的曲率半径，i为压电悬臂梁的横截面关于2-2方向上的惯性矩：
[0045][0046]
e
c
为压电悬臂梁的等效弹性模量，
[0047][0048]
得y1为任意点的正应力与该点到压电悬臂梁中性轴的距离；
[0049][0050]
m(t)
max
＝f(t)l；
[0051]
根据挠曲线公式计算出：
[0052][0053]
根据第一压电方程计算出
[0054][0055]
压电晶片的压电常数为d
31
,其电极表面积为a
p
，对压电晶片电极表面积上的电位移量进行积分，可得到压电悬臂梁电极面输出电荷量的总和q3为：
[0056][0057]
用电荷量q3对时间求导，得出电流随时间变化的关系为：
[0058]
[0059]
可选的，还包括：数据处理模块向显示模块发送的内容至少包括压电元件工作状态是否异常的结果。
[0060]
一种压电元件检测系统的应用，包括以上任一项所述的一种压电元件检测系统。
[0061]
可选的，所述压电元件检测系统用于对压电元件的工作状态进行检测。
[0062]
3、有益效果
[0063]
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0064]
驱动电路用于向压电元件输送电能，以实现压电元件的电学开路和电学短路，为压电元件提供不同的电学边界条件，根据压电元件的应用场合不同，压电元件的机械边界条件不同，与电学边界条件组合，可以形成压电元件的四类边界条件，以适应不同的实际应用需求。在不同的电学边界条件和机械边界条件下，压电元件在作为驱动器或传感器时，压电元件输出信号被信号检测电路检测到后，输送至数据处理模块进行处理，可实时得到压电元件的实际输出电流值，与对应电学边界条件和机械边界条件下，压电元件工作状态正常时的输出电流阈值比较，若压电元件的实际输出电流值在压电元件正常工作时的输出电流阈值之内，则压电元件工作状态正常；若压电元件的实际输出电流值在压电元件正常工作时的输出电流阈值之外，则压电元件工作状态异常。通过上述过程，在检测系统的压电元件进行工作的时候，可实时监测压电元件工作状态是否异常，以提前预警，可防止因压电元件工作状态异常所带来的安全隐患、经济损失或工程事故等情况发生；换言之，通过该系统，根据设定的边界条件不同，压电元件可作为驱动器，用于驱动被驱动构件，也可作为传感器，用于实现信号的传感检测，同时，无需额外的配件，还可以实现对压电元件工作状态的实时自检测功能。
[0065]
所述数据处理模块中存储有压电元件工作状态正常时的输出电流阈值。根据压电元件的实际应用需求，压电元件设定对应的电学边界条件和机械边界条件，数据处理模块存储该电学边界条件和机械边界条件下，压电元件工作状态正常时的输出电流阈值，以便数据处理模块将其与压电元件的实际输出电流值进行比较，用于判断压电元件工作状态是否异常。
附图说明
[0066]
图1为本发明实施例提出的一种压电元件检测系统结构示意图；
[0067]
图2为压电悬臂梁等效电路图之一；
[0068]
图3为压电悬臂梁受冲击力示意图。
具体实施方式
[0069]
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
[0070]
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、
“
竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0071]
实施例1
[0072]
一种压电元件检测系统，如图1所示，包括：依次连接的驱动电路9、压电元件4、信号检测电路10和数据处理模块11；所述数据处理模块11用于计算压电元件4的实际输出电流值，并将压电元件4的实际输出电流值与压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值比较，判断压电元件4工作状态是否异常。
[0073]
驱动电路9用于向压电元件4输送电能，以实现压电元件4的电学开路和电学短路，为压电元件4提供不同的电学边界条件，根据压电元件4的应用场合不同，压电元件4的机械边界条件不同，与电学边界条件组合，可以形成压电元件4的四类边界条件，以适应不同的实际应用需求。在不同的电学边界条件和机械边界条件下，压电元件4在作为驱动器或传感器时，压电元件输4出信号被信号检测电路检测到后，输送至数据处理模块11进行处理，可实时得到压电元件4的实际输出电流值，与对应电学边界条件和机械边界条件下，压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值比较，若压电元件4的实际输出电流值在压电元件4正常工作时的输出电流阈值之内，则压电元件4工作状态正常；若压电元件4的实际输出电流值在压电元件4正常工作时的输出电流阈值之外，则压电元件4工作状态异常。通过上述过程，在检测系统的压电元件4进行工作的时候，可实时监测压电元件4工作状态是否异常，以提前预警，可防止因压电元件4工作状态异常所带来的安全隐患、经济损失或工程事故等情况发生；换言之，通过该系统，根据设定的边界条件不同，压电元件4可作为驱动器，用于驱动被驱动构件，也可作为传感器，用于实现信号的传感检测，同时，无需额外的配件，还可以实现对压电元件4工作状态的实时自检测功能。
[0074]
所述数据处理模块11中存储有压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值。根据压电元件4的实际应用需求，压电元件4设定对应的电学边界条件和机械边界条件，数据处理模块11存储该电学边界条件和机械边界条件下，压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值，以便数据处理模块11将其与压电元件4的实际输出电流值进行比较，用于判断压电元件4工作状态是否异常。
[0075]
还包括存储模块，用于存储压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值；所述存储模块与数据处理模块11连接。数据处理模块11从存储模块读取对应电学边界条件和机械边界条件下，压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值；与实时处理得到的压电元件4的实际输出电流值比较，用于判断压电元件4工作状态是否异常。
[0076]
还包括显示模块，所述显示模块与数据处理模块11连接。数据处理模块11对接收到的信号检测电路10的模拟信号进行处理后，得到压电元件4实时工作时，实际输出的电流值，以及经过与压电元件4正常工作状态下的电流阈值比对，判断得出的压电元件4工作状
态是否异常的结果等信息，输送至显示模块进行显示，以便直接观察得知系统检测结果，和压电元件4工作是否异常的结果。
[0077]
所述信号检测电路10包括依次连接的噪声滤波电路和比例放大电路，所述比例放大电路与数据处理模块11连接。系统中的信号检测电路10包括依次连接的噪声滤波电路和比例放大电路。即，信号检测电路3具有高放大倍数、高灵敏度和高输入阻抗的特点，用以对压电元件4实时输出信号进行滤除噪声，和输出信号数值放大，以便数据处理模块11作进一步处理。
[0078]
所述数据处理模块11还包括依次连接的噪声滤波单元、比例放大单元、信号变换单元和分析比对单元，所述噪声滤波单元与信号检测电路10连接。数据处理模块11具有高放大倍数、高灵敏度和高输入阻抗的功能特点，用以对信号检测电路10输出信号进行滤除噪声，和输出信号数值放大，以便信号变换单元进行处理提取需要的信号指标，从而发送给分析比对单元，比对分析，得出压电元件4工作状态是否异常的结论。
[0079]
还包括测速仪，用于检测压电元件4受撞击前后的初速度v1和末速度v2；所述测速仪与数据处理模块11连接。数据处理模块11接收到测速仪发来的压电元件4受撞击前后的初速度v1和末速度v2后，根据相应的压电方程，计算出该机械边界条件下，压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值，并存储在数据处理模块11或存储模块中，从而在检测系统工作时，数据处理模块11将压电元件4的实际电流值与之比较，以便实时判断压电元件4工作状态是否异常，压电元件4可作为传感器使用，也可作为驱动器使用，在实现传感或驱动的同时，还可以实时监测压电元件4工作状态是否异常，以提前预警，确保检测系统具备有效安全的工作状态，实现对应的实际应用需求，确保工程安全。
[0080]
所述的测速仪为高速摄像机8、雷达测速仪或激光测速仪。测速仪用以采集压电元件4受撞击前后的初速度v1和末速度v2；可选择高速摄像机8、雷达测速仪或激光测速仪，以便计算出相应机械边界条件和电学边界条件下，压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值。
[0081]
所述的压电元件4为压电晶体件、压电半导体或压电陶瓷件；若所述的压电元件为压电晶体件时，所述压电晶体件为压电悬臂梁，所述压电悬臂梁包括基板和压电晶片，所述基板的一个以上的侧面上设有压电晶片。所述的压电元件4为压电悬臂梁或压电陶瓷件，若所述的压电元件为压电悬臂梁时，所述压电悬臂梁包括基板6和压电晶片，所述压电晶片包括上压电晶片5和下压电晶片7，所述基板6的一个以上的侧面上设有压电晶片。当所述基板6的一个侧面上设有压电晶片时，所述压电悬臂梁为单晶片压电悬臂梁；当所述基板6的两侧面上均设有压电晶片时，所述压电悬臂梁为双晶片压电悬臂梁，如图1所示。
[0082]
实施例2
[0083]
一种压电元件检测方法，根据实施例1中任一项技术方案所述的一种压电元件检测系统，包括：设定压电元件4的机械边界条件，通过驱动电路9为压电元件4设定电学边界条件；压电元件4输出信号经信号检测电路10，输送至数据处理模块11处理，计算得到压电元件4的实际输出电流值；将压电元件4的实际输出电流值，与设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值比较，判断压电元件4工作状态是否异常。
[0084]
在不同的电学边界条件和机械边界条件下，压电元件4在作为驱动器或传感器时，
压电元件4输出信号被信号检测电路10检测到后，输送至数据处理模块11进行处理，可实时得到压电元件4的实际输出电流值，与对应电学边界条件和机械边界条件下，压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值比较，若压电元件4的实际输出电流值在压电元件正常工作时的输出电流阈值之内，则压电元件4工作状态正常；若压电元件4的实际输出电流值在压电元件4正常工作时的输出电流阈值之外，则压电元件4工作状态异常。
[0085]
通过上述方法，在压电元件4进行工作的时候，可实时监测压电元件4工作状态是否异常，以提前预警，可防止因压电元件4工作状态异常所带来的安全隐患、经济损失或工程事故等情况发生；换言之，通过该方法，根据设定的边界条件不同，压电元件4可作为驱动器，用于驱动被驱动构件，也可作为传感器，用于实现信号的传感检测，同时，无需额外的配件，还可以实现对压电元件4工作状态的实时自检测功能。
[0086]
所述压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值的计算方法，包括：测速仪检测压电元件4受撞击前后的初速度v1和末速度v2；发送给数据处理模块11处理，数据处理模块11计算出压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值。
[0087]
测速仪可以选择高速摄像机8、雷达测速仪或激光测速仪中的任一种；在第一类边界条件下，即机械自由和电学短路，将检测到的初、末速度带入理论公式，计算得出压电悬臂梁受碰撞后电流变化规律，对其进行频域分析得到其特征频率，多次测试得到压电元件4正常工作时的输出电流在时域和频域上的阈值。
[0088]
所述设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值，存储在数据处理模块11或存储模块中；若所述设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值存储在存储模块中，所述数据处理模块11读取存储模块的内容；将压电元件4的实际输出电流值，与设定的机械边界条件及电学边界条件下的压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值比较，判断压电元件4工作状态是否异常。
[0089]
若所述压电元件4为压电悬臂梁时，所述数据处理模块11计算出压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值，包括：
[0090][0091]
i为压电元件作为传感器的输出电流信号，a
p
为压电悬臂梁的压电晶片表面积，d
31
为压电常数，e
c
为压电悬臂梁的弹性模量，l为压电晶片长度，v1、v2分别为压电悬臂梁受外力作用时初速度与末速度，ζ、w
d
、w
n
分别为压电悬臂梁有阻尼时振动频率和无阻尼时振动的固有频率，t为时间。
[0092]
所述数据处理模块11计算出压电元件4工作状态正常时的输出电流阈值，包括：压电悬臂梁在摆动过程中受到撞击简化模型如图3所示，该力一般作用在一段时间内，然后就停止作用。当激振力f比较大时，但作用时间δt很短，这一冲量的大小可以用它所引起的系统动量的改变来量度。将受撞击的压电悬臂梁等效为单自由度系统，冲量u：
[0093][0094]
f为压电悬臂梁受到的冲击外力大小，m为压电悬臂梁的质量；因为dt趋近于0，若要使fdt为有限值，则f的值需要趋近于无穷大,此处冲量可以作为一个非常有意义的分析
工具来量化f的大小；
[0095]
对于欠阻尼系统，运动微分方程为：
[0096][0097]
解得：
[0098][0099]
其中，w
n
为无阻尼振动时的固有频率，
[0100]
m为压电悬臂梁的质量，k为压电悬臂梁的等效弹簧常数；
[0101][0102]
ζ为阻尼比，
[0103][0104]
c为压电悬臂梁的阻尼系数；w
d
为有阻尼振动时的频率，
[0105][0106]
初始条件：
[0107]
x(t＝0)＝x0＝0，
[0108][0109]
将初始条件代入运动微分方程，得
[0110][0111]
步骤2.3、由于该压电悬臂梁上下两层为压电晶片，中间层为高碳纤维，所以需计算其等效的弹性模量，以弯曲压电悬臂梁为模型，弯矩m：
[0112][0113]
其中，上下两层压电晶片厚度相同均为h1，上压电晶片5的弹性模量为e1，基板厚度为h2，下压电晶片7的弹性模量为e2，b为压电悬臂梁的宽，r为压电悬臂梁中性轴的曲率半径，i为压电悬臂梁的横截面关于2-2方向上的惯性矩：
[0114][0115]
e
c
为压电悬臂梁的等效弹性模量，
[0116][0117]
得y1为任意点的正应力与该点到压电悬臂梁中性轴的距离；
[0118][0119]
m(t)
max
＝f(t)l；
[0120]
根据挠曲线公式计算出：
[0121][0122]
根据第一压电方程计算出：
[0123][0124]
压电晶片的材料为pzt-5h，其压电常数为d
31
,其电极表面积为a
p
，对电极表面积上的电位移量进行积分，可得到压电陶瓷传感器电极面输出电荷量的总和q3为：
[0125][0126]
用电荷量q3对时间求导，得出电流随时间变化的关系为：
[0127][0128]
步骤三、通过解耦压电悬臂梁检测信号内的特征频率，对比理论阈值，判断该压电悬臂梁驱动器动作是否异常，若信号异常或有偏离阈值的趋势，因及时进行预警。
[0129]
上述方法还包括：数据处理模块11向显示模块发送的内容至少包括压电元件4工作状态是否异常的结果。显示模块上显示压电元件4工作状态异常与否的结果，还可以显示压电元件4实时输出的电流信号，包括时域信号或频域信号。
[0130]
一种压电元件检测系统的应用，包括实施例1中任一项技术方案所述的一种压电元件检测系统；可以想到的是，将一种压电元件检测系统应用在性能要求较高的场合环境下的相关参数检测，比如汽车、打印机等产品或技术领域，一方面要求压电元件作为驱动器或传感器可正常工作，另一方面又要确保应用在以上场合中的压电元件工作状态正常，确保相关产品或技术正常运作，确保安全。而本实施例所述的一种压电元件检测系统在应用时，既可实现驱动，或传感检测的技术效果；另一方面还可以实现对自身工作状态是否异常的实时检测和监控，一旦发现异常，可提前预警，提前采取预防措施；防止因压电元件工作异常，或失效，致使应用有一种压电元件检测系统的相关产品或技术功能失效，进而导致故障或安全事故等情况发生，可以降低相关损失。
[0131]
此外，压电元件检测系统用于对压电元件的工作状态进行检测，可通过执行上述任一技术方案所述的一种压电元件检测方法，实现压电元件状态正常或异常的检测判断，可配合相关产品或技术的控制系统、控制中心或显示屏等，直接或间接的显示本实施例中的压电元件自身的工作状态，或应用了本实施例的一种压电元件检测系统的相关产品或技术的工状态，以达到提前预警因压电元件自身工作状态异常所引起的相关产品或技术的故障或安全事故等情况，用以实现提前预警的技术效果；在上述应用中，压电元件的型号种类选择可根据具体的应用场景，性价比，性能指标需求等因素综合考虑确定；不受本实施例列举所限；此外，一种压电元件检测系统的应用场合或场景也不受本实施例列举所限，为适应相关产品或技术领域，可做适应性调整和修改，均在本实施例的解释范围之内。
[0132]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。