基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器及其工作方法技术

面向探测器定点投放、长期锚定和快速释放的应用需求，本发明专利技术公开了一种基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器及其工作方法。压电释放器包括浮体、夹心式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置。夹心式压电换能器包括驱动环、第一至第二压电复合梁、连接杆和连接环。环锁包括锁体和锁芯。两个压电复合梁振动模态的不同组合会激发出驱动环面内或者面外振动，进而控制驱动环调控锁体和锁芯的角位置，实现环锁的打开和闭合，完成探测器的部署和释放。本发明专利技术克服了熔断式释放器释放过程消耗时间长的缺点，对海洋环境适应性更强。利用释放器本身的部件而不是附加弹簧实现了预压力的施加，简化了系统和发挥了压电驱动融合设计的优势。计的优势。计的优势。

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器及其工作方法


[0001]本专利技术涉及压电驱动深海释放领域，尤其涉及一种基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器及其工作方法。

技术介绍

[0002]我国是海洋大国，海岸线漫长，管辖海域广袤，来自海洋方向的多种安全威胁日益严重。
[0003]深海声学应答释放器是深海观测、监测系统回收的核心设备，可根据具体科学研究的需要与其他测量传感器配合组成海洋信息获取与防护体系，用于海洋环境的监控、水文情报的获取。熔断式释放器释放过程消耗时间长(一般为20~60 min)，受海水温度、盐度、海底水质、海底淤泥深度、安装位置、熔断丝的材质、熔断丝加工工艺等因素影响很大。此外，每次释放都要更换熔断部件，增加了操作的复杂程度。
[0004]压电作动是最具有缓解深海水压潜力的驱动方法之一。虽然压电换能器与动子间的摩擦力能够实现断电自锁，但是探测器和释放器的距离较远，在洋流的作用下，位于较浅水深的探测器可能出现发生大角度倾斜、大幅度摆动的情况。受到外载荷的扰动，压电换能器与动子间可能会发生的相对运动，释放器可能面临无指令脱离的风险。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器及其工作方法。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器，包括浮体、夹心式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；所述夹心式压电换能器包括驱动环、第一至第二压电复合梁、连接杆和连接环；所述第一、第二压电复合梁结构相同，均包括预紧螺栓、后梁体、压电陶瓷模块、前梁体和连接柱；所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；所述前梁体、后梁体为横截面形状相同的正棱柱或圆柱体，前梁体一个端面的中心设有和所示预紧螺栓相匹配的螺纹孔，后梁体一个端面的中心设有和所述预紧螺栓相匹配的沉头通孔；所述压电陶瓷模块包含2M个单分区压电陶瓷片和2M+1个电极片， M为大于等于1
的自然数；所述单分区压电陶瓷片呈正多边形或圆形，中心设有供预紧螺栓穿过的通孔，沿着厚度方向极化；所述电极片的形状和所述单分区压电陶瓷片相同；所述2M+1个电极片和2M个单分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2M+1个电极片和2M个单分区压电陶瓷片同轴且相邻单分区压电陶瓷片之间有电极片分隔；相邻单分区压电陶瓷片的极化方向相反；所述预紧螺栓的螺柱依次穿过所述后梁体的沉头通孔、压电陶瓷模块中2M个单分区压电陶瓷片和2M+1个电极片中心的通孔后和前梁体的螺纹孔螺纹相连，将2M个单分区压电陶瓷片和2M+1个电极片压紧；所述连接柱为正棱柱或圆柱体，其横截面面积小于前梁体横截面面积；连接柱的一端和所述前梁体远离压电陶瓷模块一端的端面同轴固连；所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；所述第一、第二压电复合梁关于驱动环对称设置，第一、第二压电复合梁连接柱远离其前梁体的一端分别和驱动环的两个端面对应固连，使得第一、第二压电复合梁前梁体的轴线均经过驱动环的中心，第一、第二压电复合梁前梁体的轴线所在的平面A垂直于驱动环的两个端面；所述连接杆设置在第一、第二压电复合梁之间，连接杆一端和第一压电复合梁后梁体的侧壁固连，另一端和第二压电复合梁后梁体的侧壁固连，且连接杆平行于驱动环的轴线；所述连接环的侧壁和所述连接杆的中点固连，使得连接环、驱动环分别位于连接杆的两侧，且连接环、驱动环中心的连线和连接杆垂直相交；所述第一、第二连接装置均包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心；所述第一连接装置杆体远离其铰接环的一端和所述浮体下端铰接，第一连接装置的铰接环和所述夹心式压电换能器的连接环铰接；所述环锁套在所述驱动环上；所述第二连接装置的铰接环套在所述环锁的锁体上，第二连接装置杆体远离其铰接环的一端和锚定重物铰接；所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。
[0007]作为本专利技术基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器进一步的优化方案，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。
[0008]作为本专利技术基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器进一步的优化方案，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。
[0009]本专利技术还公开了一种该基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器的工作方法，包含以下步骤：进行锁定时：转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及需要被释放物体朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；进行释放时：步骤A.1），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向
转动，夹心式压电换能器的驱动方法如下：分别采用交流电信号AC
‑
1、AC
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2激励第一、第二压电复合梁；当交流电信号AC
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1、AC
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2在时间上具有相同相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的弯曲形态相同，驱动环作面内振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态A；当交流电信号AC
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1、AC
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2在时间上具有相反相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的弯曲形态关于驱动环对称，驱动环作面外振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态B；当交流电信号AC
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1、AC
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2相差90度时间相位时，夹心式压电换能器的振动模态A和振动模态B被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC
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1与AC
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2相差
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90度时间相位时，夹心式压电换能器的振动模态A和振动模态B被同时激发，且夹心式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器，其特征在于，包括浮体、夹心式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；所述夹心式压电换能器包括驱动环、第一至第二压电复合梁、连接杆和连接环；所述第一、第二压电复合梁结构相同，均包括预紧螺栓、后梁体、压电陶瓷模块、前梁体和连接柱；所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；所述前梁体、后梁体为横截面形状相同的正棱柱或圆柱体，前梁体一个端面的中心设有和所示预紧螺栓相匹配的螺纹孔，后梁体一个端面的中心设有和所述预紧螺栓相匹配的沉头通孔；所述压电陶瓷模块包含2M个单分区压电陶瓷片和2M+1个电极片，M为大于等于1的自然数；所述单分区压电陶瓷片呈正多边形或圆形，中心设有供预紧螺栓穿过的通孔，沿着厚度方向极化；所述电极片的形状和所述单分区压电陶瓷片相同；所述2M+1个电极片和2M个单分区压电陶瓷片依次交替层叠，使得2M+1个电极片和2M个单分区压电陶瓷片同轴且相邻单分区压电陶瓷片之间有电极片分隔；相邻单分区压电陶瓷片的极化方向相反；所述预紧螺栓的螺柱依次穿过所述后梁体的沉头通孔、压电陶瓷模块中2M个单分区压电陶瓷片和2M+1个电极片中心的通孔后和前梁体的螺纹孔螺纹相连，将2M个单分区压电陶瓷片和2M+1个电极片压紧；所述连接柱为正棱柱或圆柱体，其横截面面积小于前梁体横截面面积；连接柱的一端和所述前梁体远离压电陶瓷模块一端的端面同轴固连；所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；所述第一、第二压电复合梁关于驱动环对称设置，第一、第二压电复合梁连接柱远离其前梁体的一端分别和驱动环的两个端面对应固连，使得第一、第二压电复合梁前梁体的轴线均经过驱动环的中心，第一、第二压电复合梁前梁体的轴线所在的平面A垂直于驱动环的两个端面；所述连接杆设置在第一、第二压电复合梁之间，连接杆一端和第一压电复合梁后梁体的侧壁固连，另一端和第二压电复合梁后梁体的侧壁固连，且连接杆平行于驱动环的轴线；所述连接环的侧壁和所述连接杆的中点固连，使得连接环、驱动环分别位于连接杆的两侧，且连接环、驱动环中心的连线和连接杆垂直相交；所述第一、第二连接装置均包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心；所述第一连接装置杆体远离其铰接环的一端和所述浮体下端铰接，第一连接装置的铰接环和所述夹心式压电换能器的连接环铰接；所述环锁套在所述驱动环上；所述第二连接装置的铰接环套在所述环锁的锁体上，第二连接装置杆体远离其铰接环的一端和锚定重物铰接；
所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。2.根据权利要求1所述的基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器，其特征在于，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。3.根据权利要求1所述的基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器，其特征在于，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。4.基于权利要求1所述基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：进行锁定时：转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及需要被释放物体朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；进行释放时：步骤A.1），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，夹心式压电换能器的驱动方法如下：分别采用交流电信号AC
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1、AC
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2激励第一、第二压电复合梁；当交流电信号AC
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1、AC
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2在时间上具有相同相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的纵振振型相位相同，驱动环作面内振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态A；当交流电信号AC
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1、AC
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2在时间上具有相反相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的纵振振型相位相反，驱动环作面外振动，此时夹心式压电换能器的振动模态为振动模态B；当交流电信号AC
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1、AC
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2相差90度时间相位时，夹心式压电换能器的振动模态A和振动模态B被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号AC
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1与AC
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2相差
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90度时间相位时，夹心式压电换能器的振动模态A和振动模态B被同时激发，且夹心式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；步骤A.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到需要被释放物体的重力作用，始终位于锁体的最低点；步骤A.3），驱动夹心式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。5.基于摩擦力驱动的夹心式压电释放器，其特征在于，包括浮体、夹心式压电换能器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，于鹏鹏，金家楣，张世宇，陈昕荣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：