CN108040556B - 一种基于stf和超声波的蔬菜移栽机减震***及减震方法 - Google Patents
一种基于stf和超声波的蔬菜移栽机减震***及减震方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***及其减震方法，本发明基于STF和超声波的特性，利用超声波在剪切增稠液体中传播而引起液体介质的振动，使得液体稠度增加，硬度增大，从而给活塞足够大的反作用力，达到减震的效果，同时，本发明利用了位移传感器、运算放大器、采样保持器、A/D转换等的有机结合，利用减震装置上下支撑板之间的位移变化反应所受冲击力的大小，从而以电压信号输出，再转变为每一时刻对应的电流数值，最后转变成对应频率的超声波，超声波频率不同，剪切增稠液体的硬韧程度也不同，反作用力也会不同，精准地实现冲击力与反作用力一一对应。
Description
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***及减震方法。
背景技术
机械器具长时间的振动必然会给机械本身甚至操作者带来巨大的危害。由于振动的存在，其大大降低了蔬菜移栽机的动态精度和使用性能，同时机械的振动会产生反复变动的载荷，长久以来，必然会降低蔬菜移栽机的使用寿命，甚至严重时会造成难以弥补的灾难事故。更糟糕的是振动给人身和环境带来的危害。例如长时间接触振动源会使人产生振动病，加重人体器官的损坏。而且振动所带来的噪音污染更是不可忽视的，轻则会使机械操作者产生短暂的耳鸣现象，给人的生理和心理带来危害，重则造成交通事故，环境污染。因此，减免和根治机械的振动刻不容缓。
本发明创新大胆地引用剪切增稠液体（STF），利用其受到突然外力作用时，能够由液体瞬时变成坚硬物体的原理，从而来达到良好减震的作用效果。以下便是关于STF减震机制的具体表现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***及减震方法，本发明基于STF和超声波的特性，利用超声波在剪切增稠液体中传播而引起液体介质的振动，使得液体稠度增加，硬度增大，从而给活塞足够大的反作用力，达到减震的效果，以解决上述技术问题。
为了达到上述目的，本发明的所采用的技术方案是：一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，该减震***安装在蔬菜移栽机上对蔬菜移栽机进行减震，该减震***包括缸体和设置在缸体内部的超声波换能器，所述缸体的底部与下支撑板相连，所述缸体内设置有可在所述缸体内上下滑动的活塞，所述活塞的活塞杆从所述缸体内穿出后与上支撑板相连，所述上支撑板安装在蔬菜移栽机上，所述活塞将所述缸体的内腔分隔为上腔和下腔，所述活塞的活塞杆一端设置在所述上腔内，所述活塞的活塞杆另一端从所述缸体内穿出后与上支撑板相连，所述下腔内填充有剪切增稠液体，所述下腔内设置有超声波换能器，所述超声波换能器安装在所述缸体底部的内壁上；所述上支撑板与所述下支撑板上对应设置有可将所述上支撑板的位移转换成电压信号的位移传感器，所述下支撑板上设置有将位移传感器输出的电压信号进行放大的运算放大器，所述上支撑板上设置有可将放大后的电压信号转换成直流电信号的采样保持器，所述下支撑板上还设置有可将采样保持器输出的直流电信号转换为与超声波换能器相匹配的交流电信号的超声波发生器。
优选的，所述下腔内设置有用于保护所述超声波换能器的保护弹簧。
优选的，所述保护弹簧安装在所述缸体底部的内壁上，所述保护弹簧与所述超声波换能器两者的中心轴线重合。
优选的，所述缸体包括呈柱型的下缸体和与下缸体的顶端相连接的盖体，所述下缸体的底部与所述下支撑板相连，所述超声波换能器安装在所述下缸体底部内壁的中心位置处。
优选的，所述盖体的横截面呈弧形且所述盖体横截面的内弧面朝向所述下缸体。
优选的，所述盖体的中心位置处开设有通孔，所述活塞的活塞杆从所述通孔内穿出后与上支撑板相连。
优选的，所述运算放大器的内部设置有运算放大电路。
优选的，所述运算放大电路为TLC2252运算放大电路。
优选的，所述采样保持器的内部设置有采样保持电路，所述采样保持电路包括缓冲放大器N1、模拟开关S、保持电容C以及缓冲放大器N2, 所述缓冲放大器N1的反相输入端与其输出端相连，所述缓冲放大器N1的同相输入端与所述运算放大电路的输出端相连，所述缓冲放大器N1的输出端通过模拟开关S与缓冲放大器N2的同相输入端相连，所述缓冲放大器N2的反相输入端与其输出端相连，所述缓冲放大器N2的输出端与超声波换能器相连，所述缓冲放大器N2的同相输入端通过保持电容C与零电势点相连。
一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***的减震方法，包括以下步骤，
步骤一：蔬菜移栽机受到冲击后发生振动，上支撑板和活塞随蔬菜移栽机振动，上支撑板和下支撑板上对应设置有位移传感器，位移传感器对上支撑板的位移进行检测，并将检测到的位移信号转换成电压信号；
步骤二：位移传感器将输出的电压信号传送给运算放大器，运算放大器将位移传感器输出的电压信号进行放大；
步骤三：运算放大器将放大后的电压信号传送给采样保持器，采样保持器获取放大后的电压信号在每一瞬间的电压平均值，然后再进行A/D转换，并把经A/D转换后形成的模拟电压信号转换成直流电信号；
步骤四：采样保持器将直流电信号传送给超声波发生器，超声波发生器将直流电信号转换成与超声波换能器相匹配的交流电信号；
步骤五：超声波发生器将交流电信号传送给超声波换能器，超声波换能器在接收到交流电信号后开始工作并输出超声波，超声波在剪切增稠液体中传播，使得剪切增稠液体的稠度增加，硬度增大，从而给向下运动的活塞施加一个向上的反作用力，达到减震的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中剪切增稠液体作为减震受力体，利用剪切增稠液体受到冲击迅速变得强韧，冲击力消失又立刻恢复原状的特性，使得减震***受到不同的冲击力以给予相对应的反作用力，反作用力会随着振动的冲击力的变化而作出相对应的调整，从而使得减震效果会更好；
2.本发明中剪切增稠液体是由聚乙二醇和硅微粒组成，聚乙二醇是一种应用广泛的无毒液体，能承受的温度范围很广。利用这种新型材料不仅避免了传统装置的机械摩擦，减小了噪音污染，延长了使用寿命，而且能以较小体积的液体介质产生较大的反作用力，减小了装置的体积和质量，使得减震装置更加的环保无污染；
3.本发明以位移传感器控制电压，改变了传统装置以改变电阻控制电流的方式，避免了传统装置中电位器的手动调控，实现智能化自动调控，且简化了机械装置，且便于生产维修；
4.本发明利用了位移传感器、运算放大器、采样保持器、A/D转换等的有机结合，利用减震装置上下支撑板之间的位移变化反应所受冲击力的大小，从而以电压信号输出，再转变为每一时刻对应的电流数值，最后转变成对应频率的超声波，超声波频率不同，剪切增稠液体的硬韧程度也不同，反作用力也会不同，精准地实现冲击力与反作用力一一对应。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的剖视结构示意图；
图3是本发明中缸体的结构示意图；
图4是本发明中超声波换能器的结构示意图；
图5是本发明中保护弹簧的结构示意图；
图6是本发明中采样保持电路的结构示意图；
图7是本发明中运算放大电路的结构示意图；
图中标记：1、位移传感器，2、上支撑板，3、采样保持器，4、运算放大器，5、下支撑板，6、超声波发生器，7、缸体，8、盖体，9、活塞，10、超声波换能器，11、保护弹簧，12、上腔，13、下腔，14、下缸体。
具体实施方式
本发明中使用的剪切增稠液体（Shear Thickening Fluid）(STF) 中自由悬浮着许多特殊粒子，当液体因为剧烈冲击而被搅乱时，其中的特殊粒子相互碰撞，剪切增稠液体就会变稠，硬度逐渐增强，形成了对这种搅动的抵抗力。当液体所受到的冲击力消失时，液体会迅速恢复原状。超声波依靠弹性介质传播时会使弹性介质中的粒子振荡,并通过介质按超声波的传播方向传递能量，质点振荡的加速度与超声波频率的平方成正比。基于这种剪切增稠液体和超声波的特性，利用超声波在剪切增稠液体中传播而引起液体介质的振动，使得液体稠度增加，硬度增大，从而给活塞足够大的反作用力，达到减震的效果，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1和图2所示，一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，该减震***安装在蔬菜移栽机上对蔬菜移栽机进行减震，该减震***包括缸体7和设置在缸体内部的超声波换能器10，所述缸体7的底部与下支撑板5相连，所述缸体7内设置有可在所述缸体内上下滑动的活塞9，所述活塞9的活塞杆从所述缸体7内穿出后与上支撑板2相连，所述上支撑板2安装在蔬菜移栽机上，所述活塞9将所述缸体7的内腔分隔为上腔12和下腔13，所述活塞9的活塞杆一端设置在所述上腔12内，所述活塞9的活塞杆另一端从所述缸体7内穿出后与上支撑板2相连，所述下腔13内填充有剪切增稠液体，所述下腔13内设置有超声波换能器10，所述超声波换能器10安装在所述缸体7底部的内壁上；所述上支撑板2与所述下支撑板5上对应设置有可将所述上支撑板2的位移量转换成电压信号的位移传感器1，所述下支撑板5上设置有将位移传感器1输出的电压信号进行放大的运算放大器4，所述上支撑板2上设置有可将放大后的电压信号转换成直流电信号的采样保持器3，所述下支撑板5上还设置有可将采样保持器输出的直流电信号转换为与超声波换能器10相匹配的交流电信号的超声波发生器6。
进一步优化本方案，所述下腔13内设置有用于保护所述超声波换能器10的保护弹簧11。
进一步优化本方案，所述保护弹簧11安装在所述缸体7底部的内壁上，所述保护弹簧11与所述超声波换能器10两者的中心轴线重合。
进一步优化本方案，如图3所示，所述缸体7包括呈柱型的下缸体14和与下缸体14的顶端相连接的盖体8，所述下缸体14的底部与所述下支撑板5相连，所述超声波换能器10安装在所述下缸体14底部内壁的中心位置处。
进一步优化本方案，所述盖体8的横截面呈弧形且所述盖体8横截面的内弧面朝向所述下缸体14。
进一步优化本方案，所述盖体8的中心位置处开设有通孔，所述活塞9的活塞杆从所述通孔内穿出后与上支撑板2相连。
进一步优化本方案，所述运算放大器4的内部设置有运算放大电路，所述运算放大电路为TLC2252运算放大电路；如图7所示，此处的运算放大电路包括三极管T、基极对地电压、集电极对地电压/>、第一电阻/>、第二电阻/>以及输入电压Ui，输入电压Ui的两端依次串接有第一电阻/>、三极管T的基极、三极管T的发射极以及基极对地电压相连；三极管T的集电极依次与第二电阻/>、集电极对地电压/>相连后与三极管T的发射极相连，其中，输入电压Ui为位移传感器输出的电压信号，三极管T的发射极与零电势点相连，三极管T的集电极与发射极之间的电势差为为输出电压/>。
进一步优化本方案，所述采样保持器3的内部设置有采样保持电路，如图6所示，所述采样保持电路包括缓冲放大器N1、模拟开关S、保持电容C以及缓冲放大器N2, 所述缓冲放大器N1的反相输入端与其输出端相连，所述缓冲放大器N1的同相输入端与所述运算放大电路的输出端相连，所述缓冲放大器N1的输出端通过模拟开关S与缓冲放大器N2的同相输入端相连，所述缓冲放大器N2的反相输入端与其输出端相连，所述缓冲放大器N2的输出端与超声波换能器相连，所述缓冲放大器N2的同相输入端通过保持电容C与零电势点相连。
一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***的减震方法，包括以下步骤，
步骤一：蔬菜移栽机受到冲击后发生振动，上支撑板和活塞随蔬菜移栽机振动，上支撑板和下支撑板上对应设置有位移传感器，位移传感器对上支撑板的位移进行检测，并将检测到的位移信号转换成电压信号；
步骤二：因为位移传感器输出的电压信号很微弱，故位移传感器将输出的电压信号传送给运算放大器，运算放大器将位移传感器输出的电压信号进行放大；将输入的微弱电压信号放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致；
步骤三：运算放大器将放大后的电压信号传送给采样保持器，采样保持器获取放大后的电压信号在每一瞬间的电压平均值，然后再进行A/D转换，并把经A/D转换后形成的模拟电压信号转换成直流电信号；
步骤四：采样保持器将直流电信号传送给超声波发生器，超声波发生器将直流电信号转换成与超声波换能器相匹配的交流电信号；
步骤五：超声波发生器将交流电信号传送给超声波换能器，超声波换能器在接收到交流电信号后开始工作，将输入的电功率换成机械功率（即超声波），超声波在剪切增稠液体中传播，使得剪切增稠液体稠度增加，引起液体介质的振动，硬度增大，从而给向下运动的活塞施加一个向上的反作用力，达到减震的效果；此处需要说明的是，超声波换能器接收到的不同时刻输出的交流电信号的电流值不同，从而发出不同频率的超声波，剪切增稠液体的稠度和硬度也会不停的变化，以适应不同程度的振动给予不同大小的反作用力，这样减震效果会大大提高；此处需要说明的是，液体中质点振荡的加速度与超声波频率的平方成正比，即位移传感器检测到的位移越大，则电流越大，超声波换能器发出的超声波频率越高，液体中质点振荡的加速度越大，剪切增稠液体的稠度和硬度越高，从而剪切增稠液体给活塞施加的反作用力也越大，减震效果也越好。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，该减震***安装在蔬菜移栽机上对蔬菜移栽机进行减震，该减震***包括缸体和设置在缸体内部的超声波换能器，其特征在于：所述缸体的底部与下支撑板相连，所述缸体内设置有可在所述缸体内上下滑动的活塞，所述活塞的活塞杆从所述缸体内穿出后与上支撑板相连，所述上支撑板安装在蔬菜移栽机上，所述活塞将所述缸体的内腔分隔为上腔和下腔，所述活塞的活塞杆一端设置在所述上腔内，所述活塞的活塞杆另一端从所述缸体内穿出后与上支撑板相连，所述下腔内填充有剪切增稠液体，所述下腔内设置有超声波换能器，所述超声波换能器安装在所述缸体底部的内壁上；所述上支撑板与所述下支撑板上对应设置有可将所述上支撑板的位移转换成电压信号的位移传感器，所述下支撑板上设置有将位移传感器输出的电压信号进行放大的运算放大器，所述上支撑板上设置有可将放大后的电压信号转换成直流电信号的采样保持器，所述下支撑板上还设置有可将采样保持器输出的直流电信号转换为与超声波换能器相匹配的交流电信号的超声波发生器；所述下腔内设置有用于保护所述超声波换能器的保护弹簧；所述缸体包括呈柱型的下缸体和与下缸体的顶端相连接的盖体，所述下缸体的底部与所述下支撑板相连，所述超声波换能器安装在所述下缸体底部内壁的中心位置处。
2.根据权利要求1所述的一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，其特征在于：所述保护弹簧安装在所述缸体底部的内壁上，所述保护弹簧与所述超声波换能器两者的中心轴线重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，其特征在于：所述盖体的横截面呈弧形且所述盖体横截面的内弧面朝向所述下缸体。
4.根据权利要求3所述的一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，其特征在于：所述盖体的中心位置处开设有通孔，所述活塞的活塞杆从所述通孔内穿出后与上支撑板相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，其特征在于：所述运算放大器的内部设置有运算放大电路。
6.根据权利要求5所述的一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，其特征在于：所述运算放大电路为TLC2252运算放大电路。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***，其特征在于：所述采样保持器的内部设置有采样保持电路，所述采样保持电路包括缓冲放大器N1、模拟开关S、保持电容C以及缓冲放大器N2, 所述缓冲放大器N1的反相输入端与其输出端相连，所述缓冲放大器N1的同相输入端与所述运算放大电路的输出端相连，所述缓冲放大器N1的输出端通过模拟开关S与缓冲放大器N2的同相输入端相连，所述缓冲放大器N2的反相输入端与其输出端相连，所述缓冲放大器N2的输出端与超声波换能器相连，所述缓冲放大器N2的同相输入端通过保持电容C与零电势点相连。
8.根据权利要求1所述的一种基于STF和超声波的蔬菜移栽机减震***的减震方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一：蔬菜移栽机受到冲击后发生振动，上支撑板和活塞随蔬菜移栽机振动，上支撑板和下支撑板上对应设置有位移传感器，位移传感器对上支撑板的位移进行检测，并将检测到的位移信号转换成电压信号；
步骤二：位移传感器将输出的电压信号传送给运算放大器，运算放大器将位移传感器输出的电压信号进行放大；
步骤三：运算放大器将放大后的电压信号传送给采样保持器，采样保持器获取放大后的电压信号在每一瞬间的电压平均值，然后再进行A/D转换，并把经A/D转换后形成的模拟电压信号转换成直流电信号；
步骤四：采样保持器将直流电信号传送给超声波发生器，超声波发生器将直流电信号转换成与超声波换能器相匹配的交流电信号；
步骤五：超声波发生器将交流电信号传送给超声波换能器，超声波换能器在接收到交流电信号后开始工作并输出超声波，超声波在剪切增稠液体中传播，使得剪切增稠液体的稠度增加，硬度增大，从而给向下运动的活塞施加一个向上的反作用力，达到减震的效果。
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Non-Patent Citations (1)
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| 剪切增稠液阻尼器隔冲性能的实验研究;周鸿;闫立勋;陈潜;曹赛赛;宣守虎;龚兴龙;;实验力学(06);全文 * |
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