本发明专利技术涉及多维力传感器动态特性检测，尤其涉及多维力传感器动态耦合特性测定的实验装置，由力幅度控制函数发生器、力控制环、励磁电流控制环和电磁激振器组成。正弦波励磁电流正半周流经左线圈，在左磁芯、左E型磁铁和左衔铁间形成封闭磁场，左磁芯和左衔铁间产生电磁引力，并通过传动轴输出正半周正弦激励力；同理，正弦波励磁电流负半周流经右线圈，在右磁芯、右E型磁铁和右衔铁间形成封闭磁场，右磁芯和右衔铁间产生电磁引力，通过传动轴输出负半周正弦激励力。依据电磁激振器随正弦波频率增加导致激励力幅值衰减的工作特性，力幅度控制函数发生器，实时输出补偿信号，确保正弦波激励力幅值在工作带宽范围内保持恒定。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及多维力传感器动态特性检测
，尤其涉及多维力传感器动态耦合特性测定的实验装置。技术背景力参数是基本物理参数之一，一般采用力传感器检测。尽管力传感器种类繁多，但从精度、可靠性、带宽范围等性能综合考虑，电阻应变片式力传感器最为常见，应用范围最广。多维力传感器常用于机器人力觉感知，往往被设计成指力、腕力和踝力传感器。多维力传感器的功能通常用于探测空间多个方向分力和分力矩，其力感知部件一般采用组合梁结构，敏感元件采用电阻应变片。在力的作用下组合梁产生形变，贴在组合梁各分力方向形变最大部位的电阻应变片阻值随之产生变化，各分力方向的电桥转换电路输出的电信号反映了传感器受到各作用分力的大小。由于电阻应变片式多维力传感器借助组合梁形变探测被测力的大小，因而组合梁的力学特性对于多维力传感器性能影响至关重要。因组合梁结构比较复杂，难以从理论上精确计算多维力传感器性能参数，通常依靠实验手段实测。其中多维力传感器动态性能测试，特别是动态耦合关系测定一直难以实现。专利技术专利“一种多维力传感器动态实验台及其方法”(ZL03113182.4)，公开了借助电磁激振方式，产生正弦波激励力施加到被测多维力传感器上，逐维、逐频测定六维力传感器动态耦合关系，技术思路和方案可行，但没有解决正弦波激励力幅值在工作带宽范围内稳定控制问题。电磁激振器的工作原理是绕在铁芯上的线圈通入交流电后，形成交变磁场，衔铁在交变磁场作用下，输出交变电磁力，电磁力大小与通入线圈的电流成正比。当加在线圈两端正弦波电压幅度恒定时，虽然电流波形仍然为正弦波，但由于线圈存在电感，电流波形的幅度和相位滞后量将随频率变化。因电磁激励力与流过线圈的电流成正比，电流波形的幅度随频率变化意味着电磁激励力的幅值也随频率变化。在对多维力传感器动态耦合关系进行逐个频率点测定时，正弦波激励力幅值的变化将给动态标定带来巨大困难。因此，用于多维力传感器动态耦合关系测定的电磁激振器，要求正弦激励力幅值必须在工作带宽范围内保持恒定。国内涉及电磁激振器的专利技术专利12件，专利技术专利16件。其中专利技术专利“一种电磁激振轴系加载装置”(201110211280.7)，公开的主要技术特征模拟船舶螺旋桨激振力产生的船舶轴系振动、用于船舶轴系实验台或船舶轴系船台激振实验，对激励力幅值稳定性没有要求。其它电磁激振器仅限于驱动功能，对激励力波形和幅度均没有特殊要求。
技术实现思路
针对多维力传感器动态耦合关系测定，要求正弦波激励力幅值在其工作带宽内保持稳定的特殊要求，本专利技术提供一种工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器。工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器，包括电磁激振执行机构4和正弦波激励力控制系统；所述电磁激振执行机构4包括左磁铁机构、右磁铁机构、前轴承组件45和后轴承组件47，其中左磁铁机构和右磁铁机构结构相同，且对称设于底板49上；所述前轴承组件45和后轴承组件47相互平行，且平行位于左磁铁机构和右磁铁机构之间；所述左磁铁机构包括中部套设有左线圈424的左E形磁铁41、左衔铁43和左连接板44；所述右磁铁机构包括中部套设有右线圈425的右E形磁铁、右衔铁和右连接板；所述正弦波激励力控制系统包括力幅度控制函数发生器1、力控制环2和电流控制环3；所述力幅度控制函数发生器1包括电脑和控制程序，电脑为激励力控制系统的上位机，所述控制程序由上位机运行，依据关系式 计算力幅度控制量Ug，以补偿激励力幅度随频率增加而引起的衰减；所述力控制环2包括多功能卡U1的硬件电路，所述多功能卡U1与上位机通过PCI标准扩展槽接口连接，用于实现电磁激振器输出激励力信号Ug和Uf采集、完成模数转换A/D、数模转换D/A操作，以及模拟信号Uig输出；所述模拟信号Uig为电流控制环3的输入信号；所述电流控制环3由电子电路组成，包括比较器31、电流环控制器32、功率放大器33和电流采样单元34；将接收的电流控制给定信号放大、运算，输出励磁电流iL，用于驱动电磁激振执行机构4的左线圈424和右线圈425；电磁激振执行机构4的左线圈424的一端和右线圈425的一端分别通过二极管连接着正弦波激励力控制系统的电流输出端；左线圈424的另一端与右线圈425的另一端分别连接着电流采样单元34；激励力输出为推挽形式，左线圈424励磁产生正弦波激励力正半周传递到前传动轴46；同理右线圈425励磁产生正弦波激励力负半周也传递到后传动轴48；输出完整的正弦波激励力；在前轴承组件45、后轴承组件47的导向下，左连接板44和右连接板在传递激励力过程中产生的力矩得以消除。所述前轴承组件45包括套设在前传动轴46上的前轴承，前轴承设于前轴承座上，前传动轴46的两端分别对应连接着左连接板44的一端和右连接板的一端，所述前轴承座固定在底板49上；所述后轴承组件47与前轴承组件45结构及尺寸相同，包括套设在后传动轴48上的后轴承，后轴承设于后轴承座上，后传动轴48的两端分别对应连接着左连接板44的另一端和右连接板的另一端；所述左连接板44的中部和右连接板的中部分别连接着衔铁，左连接板44连接的衔铁位于左E形磁铁41中部的槽口内，右连接板连接的衔铁位于右E形磁铁中部的槽口内。所述力控制环2的多功能卡型号为PXI-4461；其内包括求差计算单元、力控制器单元和模数转换器（D/A）24；求差计算单元实现对采集的信号Ug和Uf的求差计算，获得差值信号Ue，Ue再经力控制器单元的比例积分微分（PID）运算后，其结果经多功能卡U1内配置的模数转换器（D/A）24变换成模拟信号Uig，由多功能卡U1的AO0端口输出，作为电流控制环3的输入信号，即向电流控制环3下达电流控制给定信号；其中，电磁激振器输出的正半周激励力和负半周激励力信号由外部标配传感器组件提供，用于实时检测电磁激振器输出的激励力；所述力采样器25即为标配传感器组件，从市场直接选购，安装在电磁激振器和被测传感器之间；所述激励力信号的正半周信号由力采样器25输出，送入U1的AI0接线端，激励力信号的负半周信号也由力采样器25输出，送入U1的AI1接线端，再通过集成在多功能卡U1上的模数转化器（A/D）22变换成数字信号Uf。在所述电流控制环3中，比较器31包括第一集成放大器U2、电阻R1、电阻R2和电阻R3；电流环控制器32包括第二集成放大器U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容器C1；功率放大器33包括功放驱动器U4、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和电容器C2；电流采样单元34包括集成放大器U5、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15；左二极管426和右二极管427的一端并联连接着电阻R12的一端，左二极管426和右二极管427的另一端分别连接着左线圈424和右线圈425，用于将功放驱动器U4输出的励磁电流分解为正负半周，分别送入左线圈424和右线圈425；其中第一集成放大器U2、第二集成放大器U3和集成放大本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器，包括电磁激振执行机构（4）和正弦波激励力控制系统；所述电磁激振执行机构（4）包括左磁铁机构、右磁铁机构、前轴承组件（45）和后轴承组件（47），其中左磁铁机构和右磁铁机构结构相同，且对称设于底板（49）上；所述前轴承组件（45）和后轴承组件（47）相互平行，且平行位于左磁铁机构和右磁铁机构之间；所述左磁铁机构包括中部套设有左线圈（424）的左E形磁铁（41）、左衔铁（43）和左连接板（44）；所述右磁铁机构包括中部套设有右线圈（425）的右E形磁铁、右衔铁和右连接板；
其特征在于：所述正弦波激励力控制系统包括力幅度控制函数发生器（1）、力控制环（2）和电流控制环（3）；所述力幅度控制函数发生器（1）包括电脑和控制程序，电脑为激励力控制系统的上位机，所述控制程序由上位机运行，依据关系式 计算力幅度控制量Ug，以补偿激励力幅度随频率增加而引起的衰减；所述力控制环（2）包括多功能卡U1的硬件电路，所述多功能卡U1与上位机通过PCI标准扩展槽接口连接，用于实现电磁激振器输出激励力信号Ug和Uf采集、完成模数转换A/D、数模转换D/A操作，以及模拟信号Uig输出；所述模拟信号Uig为电流控制环（3）的输入信号；所述电流控制环（3）由电子电路组成，包括比较器（31）、电流环控制器（32）、功率放大器（33）和电流采样单元（34）；将接收的电流控制给定信号放大、运算，输出励磁电流iL，用于驱动电磁激振执行机构（4）的左线圈（424）和右线圈（425）；电磁激振执行机构（4）的左线圈（424）的一端和右线圈（425）的一端分别通过二极管连接着正弦波激励力控制系统的电流输出端；左线圈（424）的另一端与右线圈（425）的另一端分别连接着电流采样单元（34）；激励力输出为推挽形式，左线圈（424）励磁产生正弦波激励力正半周传递到前传动轴（46）；同理右线圈（425）励磁产生正弦波激励力负半周也传递到后传动轴（48）；输出完整的正弦波激励力；在前轴承组件（45）、后轴承组件（47）的导向下，左连接板（44）和右连接板在传递激励力过程中产生的力矩得以消除。
2.根据权利要求1所述的工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器，其特征在于：所述前轴承组件（45）包括套设在前传动轴（46）上的前轴承，前轴承设于前轴承座（452）上，前传动轴（46）的两端分别对应连接着左连接板（44）的一端和右连接板的一端，所述前轴承座（452）固定在底板上；所述后轴承组件与前轴承组件结构及尺寸相同，包括套设在后传动轴（48）上的后轴承，后轴承设于后轴承座上，后传动轴（48）的两端分别对应连接着左连接板（44）的另一端和右连接板的另一端；所述左连接板（44）的中部和右连接板的中部分别连接着衔铁，左连接板（44）连接的衔铁位于左E形磁铁（41）中部的槽口内，右连接板连接的衔铁位于右E形磁铁中部的槽口内。
3.根据权利要求1所述的工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器，其特征在于：所述力控制环（2）的多功能卡型号为PXI-4461；其内包括求差计算单元、力控制器单元和模数转换（D/A）（24）；求差计算单元实现对采集的信号Ug和Uf的求差计算，获得差值信号Ue，Ue再经力控制器单元的比例积分微分（PID）运算后，其结果经多功能卡U1内配置的模数转换（D/A）（24）变换成模拟信号Uig，由多功能卡U1的AO0端口输出，作为电流控制环（3）的输入...
【专利技术属性】
技术研发人员：许德章，许玉云，张菀，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：
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