[發明專利]工作帶寬內具有幅值自穩定正弦波激勵力的電磁激振器

有效

• 申請號: 201410045966.7
• 申請日: 2014-02-08
• 公開（公告）號: CN103808453A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 許德章;許玉云;張菀
• 申請（專利權）人: 安徽工程大學
• 主分類號: G01L25/00
• 分類號: G01L25/00
• 代理公司: 合肥金安專利事務所 34114
• 代理人: 金惠貞

技術領域

本發明涉及多維力傳感器動態特性檢測技術領域，尤其涉及多維力傳感器動態耦合特性測定的實驗裝置。

技術背景

力參數是基本物理參數之一，一般采用力傳感器檢測。盡管力傳感器種類繁多，但從精度、可靠性、帶寬范圍等性能綜合考慮，電阻應變片式力傳感器最為常見，應用范圍最廣。多維力傳感器常用于機器人力覺感知，往往被設計成指力、腕力和踝力傳感器。多維力傳感器的功能通常用于探測空間多個方向分力和分力矩，其力感知部件一般采用組合梁結構，敏感元件采用電阻應變片。在力的作用下組合梁產生形變，貼在組合梁各分力方向形變最大部位的電阻應變片阻值隨之產生變化，各分力方向的電橋轉換電路輸出的電信號反映了傳感器受到各作用分力的大小。

由于電阻應變片式多維力傳感器借助組合梁形變探測被測力的大小，因而組合梁的力學特性對于多維力傳感器性能影響至關重要。因組合梁結構比較復雜，難以從理論上精確計算多維力傳感器性能參數，通常依靠實驗手段實測。其中多維力傳感器動態性能測試，特別是動態耦合關系測定一直難以實現。

發明專利“一種多維力傳感器動態實驗臺及其方法”(ZL03113182.4)，公開了借助電磁激振方式，產生正弦波激勵力施加到被測多維力傳感器上，逐維、逐頻測定六維力傳感器動態耦合關系，技術思路和方案可行，但沒有解決正弦波激勵力幅值在工作帶寬范圍內穩定控制問題。

電磁激振器的工作原理是繞在鐵芯上的線圈通入交流電后，形成交變磁場，銜鐵在交變磁場作用下，輸出交變電磁力，電磁力大小與通入線圈的電流成正比。當加在線圈兩端正弦波電壓幅度恒定時，雖然電流波形仍然為正弦波，但由于線圈存在電感，電流波形的幅度和相位滯后量將隨頻率變化。因電磁激勵力與流過線圈的電流成正比，電流波形的幅度隨頻率變化意味著電磁激勵力的幅值也隨頻率變化。在對多維力傳感器動態耦合關系進行逐個頻率點測定時，正弦波激勵力幅值的變化將給動態標定帶來巨大困難。因此，用于多維力傳感器動態耦合關系測定的電磁激振器，要求正弦激勵力幅值必須在工作帶寬范圍內保持恒定。

國內涉及電磁激振器的發明專利12件，發明專利16件。其中發明專利“一種電磁激振軸系加載裝置”(201110211280.7)，公開的主要技術特征模擬船舶螺旋槳激振力產生的船舶軸系振動、用于船舶軸系實驗臺或船舶軸系船臺激振實驗，對激勵力幅值穩定性沒有要求。其它電磁激振器僅限于驅動功能，對激勵力波形和幅度均沒有特殊要求。

發明內容

針對多維力傳感器動態耦合關系測定，要求正弦波激勵力幅值在其工作帶寬內保持穩定的特殊要求，本發明提供一種工作帶寬內具有幅值自穩定正弦波激勵力的電磁激振器。

工作帶寬內具有幅值自穩定正弦波激勵力的電磁激振器，包括電磁激振執行機構4和正弦波激勵力控制系統；所述電磁激振執行機構4包括左磁鐵機構、右磁鐵機構、前軸承組件45和后軸承組件47，其中左磁鐵機構和右磁鐵機構結構相同，且對稱設于底板49上；所述前軸承組件45和后軸承組件47相互平行，且平行位于左磁鐵機構和右磁鐵機構之間；所述左磁鐵機構包括中部套設有左線圈424的左E形磁鐵41、左銜鐵43和左連接板44；所述右磁鐵機構包括中部套設有右線圈425的右E形磁鐵、右銜鐵和右連接板；

所述正弦波激勵力控制系統包括力幅度控制函數發生器1、力控制環2和電流控制環3；

所述力幅度控制函數發生器1包括電腦和控制程序，電腦為激勵力控制系統的上位機，所述控制程序由上位機運行，依據關系式????????????????????????????????????????????????計算力幅度控制量U_g，以補償激勵力幅度隨頻率增加而引起的衰減；

所述力控制環2包括多功能卡U1的硬件電路，所述多功能卡U1與上位機通過PCI標準擴展槽接口連接，用于實現電磁激振器輸出激勵力信號U_g和U_f采集、完成模數轉換A/D、數模轉換D/A操作，以及模擬信號U_ig輸出；所述模擬信號U_ig為電流控制環3的輸入信號；

所述電流控制環3由電子電路組成，包括比較器31、電流環控制器32、功率放大器33和電流采樣單元34；將接收的電流控制給定信號放大、運算，輸出勵磁電流i_L，用于驅動電磁激振執行機構4的左線圈424和右線圈425；