CN103808453A - 工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器

技术领域

本发明涉及多维力传感器动态特性检测技术领域，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。

发明专利“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发明专利12件，发明专利16件。其中发明专利“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。

发明内容

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，本发明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U_g，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U_g和U_f采集、完成模数转换A/D、数模转换D/A操作，以及模拟信号U_ig输出；所述模拟信号U_ig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i_L，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U_g和U_f的求差计算，获得差值信号U_e，U_e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U_ig，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U_f。

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和集成放大器U5的型号均为μA741；功放驱动器U4的型号为MP38CL；

流过左线圈424和右线圈425的励磁电流，经电阻R12，转换成电压信号送入集成放大器U5的正向输入端3脚，再经集成放大器U5放大，获得电流采样值信号U_if；力控制环2的多功能卡PXI-4461模拟输出口AO0输出励磁电流给定信号U_ig，送入第一集成放大器U2的负向输入端2脚，与送入第一集成放大器U2正向输入端3脚的电流采样信号U_if相减后，获得电流差值信号U_ie；电流差值信号U_ie经过第二集成放大器U3比例积分运算后，输出电流控制信号U_iC；U_iC经过功放驱动器U4放大后，输出励磁电流i_L，用于驱动左线圈424和右线圈425；当左线圈424通入励磁电流i_L的正半周时，在左E型磁铁41内产生磁场，并与左衔铁43间形成与励磁电流i_L成正比向左的电磁引力，电磁引力经左连接板44和前传动轴46输出向左的驱动力，施加到被测多维力传感器上，实现多维力传感器动态性能测试实验；同理，当右线圈425通入励磁电流i_L的负半周时，通过右连接板向右驱动力也传递到前传动轴46并输出。

程序开始运行后，首先选择操作模式，共有三种操作模式，一是用户设定频率值后，正弦波频率按用户设定值保持不变，称为单一频率正弦波输出模式；二是用户设定频率值上限值、下限值和时间值等参数，正弦波频率在用户设定的时间内从频率下限值按线性规律递增至上限值，称为正向扫描模式；三是用户设定频率值上限值、下限值和时间值等参数，正弦波频率在用户设定的时间内从频率上限值按线性规律递减至下限值，称为反向扫描模式；随后根据关系式

计算正弦波幅度U_g，读取力测量值U_f，计算U_g和U_f差值U_e，得到激励力误差U_e。U_e经过力环控制器23运算，得到电流环控制给定值，电流环控制给定值经D/A转换形成模拟电压信号U_ig，由多功能卡PXI-4461模拟输出口AO0输出。若实验结束，则退出；若实验没有结束，则返回计算下一个正弦波激励力频率。

众所周知，电磁引力与励磁电流i_L成正比。以左E型磁铁41为例说明：由于左磁芯42和左线圈424构成典型的电感器结构，在正弦波电压幅度不变的情形下，励磁电流的幅度将随正弦波频率的增加而衰减，如图1所示。本发明经过理论分析和推导，电磁激振器产生的正弦波激励力幅度可按下式计算：

                      (1)

其中，

其中，F_a为电磁激励力幅度，单位N；U_g为力的控制量，单位V；f为正弦波频率，单位Hz；N为线圈424的匝数；S为磁芯42的截面积，单位mm²；μ₀为空气磁导率，其值为1.25×10^-8 (H/cm)；g为重力加速度，δ为左磁芯42和左衔铁43（右磁芯和右衔铁）之间的间隙，单位mm；l_c为左磁芯42（或右磁芯）磁路的平均长度，单位mm。

当电磁激振器尺寸确定后，左线圈424（或右线圈）的匝数N、左磁芯42（或右磁芯）截面积S、左磁芯42和左衔铁43（右磁芯和右衔铁）之间的间隙、左磁芯42（或右磁芯）长度l_c值随之确定。此外，空气磁导率μ₀和重力加速度g也为常数，则式(1)可以简化为式(2)如下：

    

                                         (2)

    其中，，为常数。

为了确保F_a恒定，只需要满足式(3)的关系，即

    

                                         (3)

多维力传感器动态耦合关系测定实验，要求电磁激振器输出正弦波激励力的幅值在工作带宽范围内保持恒定。因函数发生器输出的正弦波通常以电压波形出现，所以图6所示的电磁激励力幅度随频率增加而衰减的特性不能满足多维力传感器动态耦合关系测定实验的要求。

本发明的有益技术效果是采用激励力双闭环控制系统，借助力幅度控制函数发生器的编程功能，辅之电流环控制电路及电磁激振器机械装置，实现正弦波激励力幅度不随频率的改变而发生变化，使正弦电磁激励力在工作带宽范围保持恒定，以满足多维力传感器动态耦合关系测定实验的要求。

附图说明

图1为本发明工作原理图。

图2为本发明电磁激振执行机构立体图。

图3为本发明电磁激振执行机构的剖视图，配合图2进一步说明电磁激振执行机构的机械结构。

图4为本发明正弦波激励力控制系统框图。

图5为本发明正弦波激励力控制系统电路原理图。

图6为电磁激振器工作特性图。

图7为本发明控制程序流程图，配合图4说明控制系统的工作原理。

上图中序号：力幅度控制函数发生器1、力控制环2、电流控制环3、电磁激振执行机构4、力比较器21、模数转换器(A/D) 22、力环控制器23、数模转换器(D/A) 24、力采样器25、比较器31、电流环控制器32、功率放大器33、电流采样单元34、左E型磁铁41、左磁芯42、左衔铁43、左连接板44、前轴承组件45、前传动轴46、后轴承组件47、后传动轴48、底板49、左外侧板411、左上梁板412、左内侧板413、左下梁板414、左磁芯法兰421、左磁芯轴422、左线圈套423、左线圈424、右线圈425、左二极管426、右二极管427、前直线导向轴承451、前轴承座452、左轴承盖453、螺纹连接件461。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例

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。

参见图2，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、后轴承组件47、左衔铁43、右衔铁、前传动轴46、后传动轴48、左连接板44和右连接板，其中左磁铁机构和右磁铁机构结构相同，且对称安装于底板49上。左磁铁机构包括中部套设有左线圈424的左E形磁铁41， 右磁铁机构包括中部套设有右线圈425的右E形磁铁。参见图3，以左E形磁铁41为例说明结构：包括左上梁板412、左下梁板414、左外侧板411和左内侧板413；其中，左上梁板412和左外侧板411、左内侧板413之间通过螺钉连接；左下梁板414和左外侧板411、左内侧板413之间也通过螺钉连接，构成E型框架结构。左磁芯42由左磁芯法兰421、左磁芯轴422、左线圈套423、左线圈424组成。其中，左磁芯法兰421和左磁芯轴422间采用过盈配合；左线圈套423和左磁芯轴422间采用过渡配合；左磁芯法兰421和左E型磁铁41的左内侧板413间通过螺钉连接；左磁芯轴422与左E型磁铁41的左外侧板411间通过螺钉连接。左线圈套423由非导电材料尼龙棒车制而成，左线圈424在左线圈套423上绕制成型后，再装入左磁芯轴422。为了方便机械加工，左衔铁43和左连接板44分别加工后，再通过螺钉连接成一个整体。左连接板44再通过螺纹连接件461与前传动轴46和后传动轴48连接。右E形磁铁结构和左E形磁铁41结构相同。左E型磁铁41通过螺钉固定在底板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。前轴承组件45和后轴承组件47结构及尺寸相同。

前轴承组件45由前直线导向轴承451、前轴承座452和左轴承盖453组成；其中，前直线导向轴承451的内圈和前传动轴46间采取过盈配合，前直线导向轴承451的外圈和前轴承座452间采取过渡配合，左轴承盖453及对称的右轴承盖通过螺钉连接着前轴承座452，以约束前直线导向轴承451的轴向窜动。后轴承组件由后直线导向轴承、后轴承座和左右两侧轴承盖组成；其中，后直线导向轴承的内圈和后传动轴间采取过盈配合，后直线导向轴承的外圈和后轴承座间采取过渡配合，左右两侧轴承盖通过螺钉连接着后轴承座，以约束后直线导向轴承的轴向窜动。

参见图4，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。

力幅度控制函数发生器1的主体硬件为电脑和控制程序，电脑称作激励力控制系统上位机。其中，控制程序由上位机运行，主要功能是依据

关系式，计算电磁激励力控制值U_g。

由图5可见，力控制环包括型号为PXI-4461的多功能卡U1。多功能卡U1通过PCI标准扩展槽接口与上位机连接，其主要功能实时读取激振器电磁力信号U_f，完成模数转换A/D、数模转换D/A操作，以及向电流控制环3输出电流控制信号U_ig。

参见图4，控制程序还包括求差器、力环控制器23，用于求解U_g和U_f之差获得差值U_e，U_e值经力环控制器23比例积分微分(PID)运算之后，再经数模转换器(D/A) 24数模变换形成电流控制环3给定信号U_ig。

参见图5，力测量值U_f分正、负半周激励力信号，分别由多功能卡U1的AI0和AI1端口读取，电流控制环3给定信号U_ig由多功能卡U1的AO0端口输出。

参见图4，电流控制环3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。

由图5可见，电流控制环3由电子电路构成，比较器31包括第一集成放大器U2、电阻R1、R2和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；还包括由左二极管426和右二极管427，左二极管426和右二极管427焊接在电流控制环3的电路板上；左二极管426的负极和右二极管427的正极通过设在电流控制环3电路板上的接线端子，分别与左线圈424和右线圈425一端连接；左线圈424绕制在左线圈套423上，并装配在左磁芯轴422上；同样，右线圈425也绕制在其线圈套上，并装配在其磁芯轴上；左线圈424和右线圈425的另一端一同接到电流采样电阻R12上端，用于将流过左线圈424和右线圈425的励磁电流转换成电压信号；其中第一集成放大器U2、第二集成放大器U3和集成放大器U5的型号为均μA741；功放驱动器U4的型号为MP38CL；流过左线圈424和右线圈425的励磁电流，经电阻R12，转换成电压信号送入集成放大器U5的正向输入端3脚，再经集成放大器U5放大，获得电流采样值信号U_if。

结合图4和图5可见，力控制环2的多功能卡PXI-4461模拟输出口AO0输出励磁电流给定信号U_ig，送入第一集成放大器U2的负向输入端2脚，与送入第一集成放大器U2正向输入端电流采样信号U_if相减后，获得电流差值信号U_ie；电流差值信号U_ie经过第二集成放大器U3比例积分运算后，输出电流控制信号U_iC；U_iC经过功放驱动器U4放大后，输出励磁电流i_L；励磁电流i_L经左二级管426和右二级管427分流选择，只有i_L的正半周可流入左线圈424；通理，只有i_L的负半周可流入右线圈425。

结合图1和图3，以i_L正半周流入左线圈424为例说明；当i_L正半周电流流过左线圈424时，产生的磁场经左磁芯轴422、左E型磁铁41和左衔铁43，形成一个封闭磁路，于是左磁芯42和左衔铁43间便产生电磁引力，左衔铁43受到向左的电磁引力，并有向左运动趋势。

结合图2和图3，因左衔铁43与左连接板44通过螺钉连接，左连接板44与前传动轴46和后传动轴48，通过螺纹连接件461连接，所以当左衔铁43受到向左电磁引力并具有向左运动趋势时，电磁引力和运动趋势便通过左连接板44传递到前传动轴46和后传动轴48。前直线导向轴承组件和后直线导向轴承组件采取滚动导向形式，摩擦力非常小，当其为前传动轴46和后传动轴48提供直线运动导向时，前传动轴46和后传动轴48传递的向左电磁力几乎没有损失。当将前传动轴46与力采样器25连接后，再与被测多维力传感器连接，前传动轴46传递向左的电磁引力便施加到被测传感器上，用于激励被测多维力传感器。同理，当i_L负半周电流流过右线圈425时，前传动轴46传递向右的电磁引力也施加到被测传感器上。这样，在i_L正负半周激励下，左衔铁43和右衔铁交替输出正负半周正弦波激励力，前传动轴46输出完整的正弦波激励力。其中，后传动轴48和前传动轴46结构形式基本一致，前后平行对称布置，用于改善导向的精确性，消除左连接板44和右连接板在力传递过程中的力矩。所述力采样器25为标配传感器组件，从市场直接选购满足要求的产品，用于实时检测前传动轴46的传递力。

参见图5，力采样器25检测的正负半周激励力模拟信号分别接入多功能卡U1的模拟输入口AI0和AI1。参见图4，正负半周激励力检测信号经集成在多功能卡U1上的模数转换器(A/D) 22，变换成包含正负半周力测量信号数字量U_f。

工作带宽内具有幅值自稳定正弦波激励力的电磁激振器设置了三种正弦波频率变化规律供用户选择，即三种操作模式。一是用户设定频率值后，正弦波频率按用户设定值保持不变，称为单一频率正弦波输出模式；二是用户设定频率值上限值、下限值和时间值等参数，正弦波频率在用户设定的时间内从频率下限值按线性规律递增至上限值，称为正向扫描模式；三是用户设定频率值上限值、下限值和时间值等参数，正弦波频率在用户设定的时间内从频率上限值按线性规律递减至下限值，称为反向扫描模式。

结合图7和图4，上位机按图7标识的流程运行控制程序，当用户选择三种操作模式之一后，控制程序计算正弦波频率值，随后根据关系式(3)计算正弦波幅度U_g，读取力测量值U_f，计算U_g和U_f差值，得到激励力误差U_e。程序根据U_e值，再进行比例积分微分(PID)运算后，得到电流控制环给定值，电流环控制给定值经集成在多功能卡U1上的数模转换器(D/A) 24变换后，得到电流控制环3给定信号U_ig。其中，U_ig由多功能卡U1的模拟输出口AO0输出，随后的信号处理过程由电流控制环3电子电路完成。此时，若多维力传感器动态性能测试实验过程结束，则控制程序退出，返回Windows操纵系统；若实验没有结束，则控制程序按图7标识的路径返回，再次计算下一个正弦波激励力频率和正弦波幅度U_g，随后过程与前述相同。

Claims (5)

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U_g，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U_g和U_f采集、完成模数转换A/D、数模转换D/A操作，以及模拟信号U_ig输出；所述模拟信号U_ig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i_L，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U_g和U_f的求差计算，获得差值信号U_e，U_e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U_ig，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上的模数转换（A/D）（22）变换成数字信号U_f。

4.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：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和集成放大器U5的型号均为μA741；功放驱动器U4的型号为MP38CL；流过左线圈（424）和右线圈（425）的励磁电流，经电阻R12，转换成电压信号送入集成放大器U5的正向输入端3脚，再经集成放大器U5放大，获得电流采样值信号U_if；力控制环（2）的多功能卡PXI-4461模拟输出口AO0输出励磁电流给定信号U_ig，送入第一集成放大器U2的负向输入端2脚，与送入第一集成放大器U2正向输入端3脚的电流采样信号U_if相减后，获得电流差值信号U_ie；电流差值信号U_ie经过第二集成放大器U3比例积分运算后，输出电流控制信号U_iC；U_iC经过功放驱动器U4放大后，输出励磁电流i_L，用于驱动左线圈（424）和右线圈（425）；当左线圈（424）通入励磁电流i_L的正半周时，在左E型磁铁（41）内产生磁场，并与左衔铁（43）间形成与励磁电流i_L成正比向左的电磁引力，电磁引力经左连接板（44）和前传动轴（46）输出向左的驱动力，施加到被测多维力传感器上，实现多维力传感器动态性能测试实验；同理，当右线圈（425）通入励磁电流i_L的负半周时，通过右连接板向右驱动力也传递到前传动轴（46）并输出。

5.根据权利要求1所述的电磁激振器输出正弦波激励力的方法，其特征在于：程序开始运行后，首先选择操作模式，共有三种操作模式，一是用户设定频率值后，正弦波频率按用户设定值保持不变，称为单一频率正弦波输出模式；二是用户设定频率值上限值、下限值和时间值等参数，正弦波频率在用户设定的时间内从频率下限值按线性规律递增至上限值，称为正向扫描模式；三是用户设定频率值上限值、下限值和时间值等参数，正弦波频率在用户设定的时间内从频率上限值按线性规律递减至下限值，称为反向扫描模式；随后根据关系式

计算正弦波幅度U_g，读取力测量值U_f，计算U_g和U_f差值U_e，得到激励力误差U_e；U_e经过力环控制器（23）运算，得到电流环控制给定值，电流环控制给定值经D/A转换形成模拟电压信号U_ig，由多功能卡PXI-4461模拟输出口AO0输出；若实验结束，则退出；若实验没有结束，则返回计算下一个正弦波激励力频率。

Images