CN104043576A - 双动圈伺服式超低频转动振动台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双动圈伺服式超低频转动振动台，包括底板、外壳，底板上设有转动台、驱动系统和反馈系统，转动台包括立轴，立轴位于精密轴承下方的轴段与弹簧片一端固定连接，弹簧片另一端通过弹簧连接器与圆形转动台面相连，驱动系统包括信号源、驱动线圈、磁路，反馈系统包括反馈放大器、反馈线圈、磁路，反馈线圈与驱动线圈关于立轴对称安装，反馈系统的磁路与驱动系统的磁路关于立轴对称安装，磁路包括永磁体和凹字形的磁轭，磁轭的两侧臂与永磁体左右两个侧面之间的空隙形成磁缝隙。本发明结构简单、设计合理，校准精度高，校准费用低，低频下限小，可实现对各类转动信号测量仪器校准。

Description

双动圈伺服式超低频转动振动台

技术领域

本发明涉及一种转动振动台，特别是涉及一种双动圈伺服式超低频转动振动台。

背景技术

目前，国内外已有采用力矩电机驱动的角振动振动台，测量原理一般采用激光干涉法一次校准，其频率范围为5-500Hz，但是振动台价格昂贵、最低测量频率偏高。另外角振动台的承载力一般小于10kg，而测量地震低频或超低频分量的转动信号测量仪器的质量远大于10kg，同时目前角振动台用于地震转动测量仪器校准还存在校准精度差、承载力低、校准费用高等问题，因此急需一种廉价、超低频的转动振动台校准地震转动测量仪器灵敏度、频率响应等参数。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构简单、设计合理，校准精度高，承载力大，校准费用低，超低频，可实现对各类转动信号测量仪器校准的双动圈伺服式超低频转动振动台。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括底板、外壳，所述的底板上设有转动台、驱动系统和反馈系统，所述的转动台包括立轴，立轴下端安装在底板上，立轴上端通过精密轴承与圆形转动台面连接，立轴位于精密轴承下方的轴段与弹簧片一端固定连接，弹簧片另一端通过弹簧连接器与圆形转动台面相连，所述的驱动系统包括信号源、驱动线圈、磁路，驱动线圈上端通过驱动线圈连接器安装在圆形转动台面底面的边沿，中间部分位于磁路中，驱动系统的磁路通过驱动磁路连接器安装在底板上，反馈系统包括反馈放大器、反馈线圈、磁路，反馈线圈与驱动线圈关于立轴对称安装，上端通过反馈线圈连接器安装在圆形转动台面底面的边沿，中间部分位于磁路中，反馈系统的磁路通过反馈磁路连接器安装在底板上，且与驱动系统的磁路关于立轴对称安装，所述的磁路包括永磁体和凹字形的磁轭，永磁体位于磁轭两侧臂的中间，底面与磁轭的底部固定连接，前端面与磁轭开口顶端平齐，左右两个侧面为以立轴为轴心的圆弧面，磁轭的两侧臂内侧也设有以立轴为轴心的圆弧面，各圆弧面的曲率向远离立轴的方向依次减小，磁轭的两侧臂与永磁体左右两个侧面之间的空隙形成磁缝隙，驱动线圈置于驱动系统中磁路的磁缝隙内，反馈线圈置于反馈系统中磁路的磁缝隙内，驱动线圈依次通过功率放大器、加法器与信号源连通，信号源用于提供正弦电压信号，反馈线圈通过反馈放大器与加法器连通，还分别与积分器和跟随器连接，跟随器输出角振动速度信号，积分器输出角振动位移信号。

本发明的优点是：

1.结构简单、设计合理，制造难度低；

2.立轴通过精密轴承与圆形转动台面连接，定位准确；

3.激振器工作低频性能好，可低至0.01Hz，校准精度高。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的外壳图；

图3是本发明的全剖剖面图；

图4是本发明的磁路结构图；

图5是本发明的电器原理方框图；

图6是本发明的力学模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

由图1-图6可知，本发明包括底板2、外壳11，所述的底板2上设有转动台、驱动系统和反馈系统，所述的转动台包括立轴16，立轴16下端安装在底板2上，立轴16上端通过精密轴承15与圆形转动台面17连接，立轴16位于精密轴承15下方的轴段与弹簧片14一端固定连接，弹簧片14另一端通过弹簧连接器13与圆形转动台面17相连，所述的驱动系统包括信号源26、驱动线圈19、磁路20，驱动线圈19上端通过驱动线圈连接器18安装在圆形转动台面17底面的边沿，中间部分位于磁路20中，驱动系统的磁路20通过驱动磁路连接器23安装在底板2上，反馈系统包括反馈放大器29、反馈线圈9、磁路20，反馈线圈9与驱动线圈19关于立轴16对称安装，上端通过反馈线圈连接器10安装在圆形转动台面17底面的边沿，中间部分位于磁路20中，反馈系统的磁路20通过反馈磁路连接器6安装在底板2上，且与驱动系统的磁路20关于立轴16对称安装，所述的磁路20包括永磁体8和凹字形的磁轭7，永磁体8位于磁轭7两侧臂的中间，底面与磁轭7的底部固定连接，前端面与磁轭7开口顶端平齐，左右两个侧面为以立轴16为轴心的圆弧面，磁轭7的两侧臂内侧也设有以立轴16为轴心的圆弧面，各圆弧面的曲率向远离立轴16的方向依次减小，磁轭7的两侧臂与永磁体8左右两个侧面之间的空隙形成磁缝隙21，驱动线圈19置于驱动系统中磁路20的磁缝隙21内，反馈线圈9置于反馈系统中磁路20的磁缝隙21内，驱动线圈19依次通过功率放大器28、加法器27与信号源26连通，信号源26用于提供正弦电压信号，反馈线圈9通过反馈放大器29与加法器27连通，还分别与积分器31和跟随器30连接，跟随器30输出角振动速度信号，积分器31输出角振动位移信号。

所述的驱动线圈19通过驱动线圈引线簧24、驱动线圈接线柱25和插座5相连，反馈线圈9通过反馈线圈引线簧4、反馈线圈接线柱3和插座5相连。

所述的底板2为圆形，固定安装在与其同心的圆形底座1上。

所述的外壳11为圆筒形，转动台、驱动系统和反馈系统布置于外壳11内部，外壳11外侧壁设有两个对称布置的把手22。

所述的弹簧片14为弧形，弹簧连接器13下端侧面与弹簧片14通过螺钉12相连。

本发明的一种双动圈伺服式超低频的转动振动台，包括坐落在底座1上的底板2和圆形外壳11组成的空间内装有转动台、对称安装的驱动系统和反馈系统、弹簧系统。转动台包括底板2、立轴16、中心镶嵌精密轴承15的圆形转动台面17、弹簧系统以及和台面相连的驱动线圈19和反馈线圈9。立轴16的下端和转动台底板2相连、底板2安装在同心圆的底座1上，立轴16的上部装有镶嵌精密轴承15的圆形转动台面17，轴承15的外圈镶嵌于圆形转动台面17的中心，轴承15的内圈镶嵌于立轴16的上端，圆形转动台面17绕立轴16的上端部转动。圆形转动台面17底面的边沿对称装有驱动线圈连接器18和反馈线圈连接器10，驱动线圈连接器18和反馈线圈连接器10布置在圆形转动台面17边沿的目的就是保证作用力相同时，力矩大，灵敏性好。弹簧系统包括弹簧连接器13、弹簧片14、用于弹簧片14固定的螺钉12，弹簧连接器13的上端面和圆形转动台面17的底面相连，弹簧连接器13下端的侧面和弹簧片14的一端通过螺钉12相连，弹簧片14的另一端和立轴16相连，同样采用螺钉12固定连接，弹簧片14的宽度方向为垂直方向，即与立轴16轴向相同，如此弹簧系统可为转动台提供一定的扭转刚度。

本发明驱动系统包括信号源26、功率放大器28、驱动线圈19、驱动线圈连接器18、磁路20、驱动磁路连接器23。驱动线圈连接器18的上端面和圆形转动台面17底面的边沿相连，驱动线圈连接器18下端面和驱动线圈19的上端面相连。驱动线圈19中间部分位于磁路20中。反馈系统包括反馈线圈9、反馈线圈连接器10、磁路20、反馈磁路连接器6、反馈放大器27。反馈线圈连接器10的上端面和圆形转动台面17底面的边沿相连，反馈线圈连接器10的下端面和反馈线圈9的上端面相连，反馈线圈9中间部分位于磁路20中。反馈线圈9与驱动线圈19关于立轴16对称安装。

磁路20如图4所示，包括永磁体8和凹字形的磁轭7，永磁体8位于磁轭7两侧臂的中间，底面与磁轭7的底部固定连接，前端面与磁轭7开口顶端平齐，左右两个侧面为以立轴16为轴心的圆弧面，磁轭7的两侧臂内侧也设有以立轴16为轴心的圆弧面，各圆弧面均以立轴16为轴心，即各圆弧面的水平截面是以立轴16为圆心的同心圆环，同时各圆弧面的曲率向远离立轴16的方向依次减小，各圆弧面的曲率的不同使得磁轭7的两侧臂与永磁体8左右两个侧面之间存在空隙，这种空隙就形成了磁路20的磁缝隙21，磁缝隙21的水平截面为曲线弧形，垂直截面为矩形。驱动线圈19中间部分位于磁路20中，即驱动线圈19置于驱动系统中磁路20的磁缝隙21内，以便能够承受电磁力而产生运动；反馈线圈9中间部分位于磁路20中，即反馈线圈9中间部分置于反馈系统中磁路20的磁缝隙21内，以便能够切割磁力线产生电信号。

驱动系统的磁路20通过驱动磁路连接器23安装在底板2上，反馈系统的磁路20通过反馈磁路连接器6安装在底板2上，且与驱动系统的磁路20关于立轴16对称安装。由于反馈线圈9与驱动线圈19也关于立轴16对称安装，因此驱动系统的机械机构和反馈系统的机械机构也是关于立轴16对称的，如此布置便于动静平衡调校，满足动静平衡，提高系统精度。

驱动线圈19依次通过功率放大器28、加法器27与信号源26连通，信号源26用于提供正弦电压信号，反馈线圈9通过反馈放大器29与加法器27连通，还分别与积分器31和跟随器30连接，跟随器30输出角振动速度信号，积分器31输出角振动位移信号。为了便于电器系统的连接，反馈线圈9的两个端子通过反馈线圈引线簧4、反馈线圈接线柱3和插座5相连，驱动线圈19的两个端子通过驱动线圈引线簧24、驱动线圈接线柱25和插座5相连。插座5振动台的信号源和后处理系统连接。

本发明的振动台，信号源26输出正弦电压信号u_i，经加法器27、功率放大器28后输入给驱动线圈19，驱动线圈19在磁缝隙21中运动，带动圆形转动台面17做角振动。与驱动线圈19同步运动的反馈线圈9在反馈磁路的磁缝隙中运动产生感应电动势e_s，感应电动势e_s经过反馈放大器29、加法器27、功率放大器28后输入给驱动线圈19，产生阻尼力，通过调整反馈放大器29的放大倍数K，可大大提高转动振动台系统的阻尼比，从而拓展转动振动台的低频特性。同时反馈线圈感应电动势e_s也输入给跟随器30和积分器31，分别输出与角振动速度和角振动位移θ成正比的电压和V_θ，如图5所示。

转动振动台的力学模型如图6所示，转动振动台的微分方程为：

$K_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+(c+c_m)\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+\mathrm{k\θ}=T_m---\left(1\right)$

式中：θ转动振动台的角位移，转动振动台的角速度；转动振动台的角加速度；r为圆形转动台面17的半径，k为转动振动台的扭转刚度；为转动振动台的转动惯量；m为转动部分质量，c为空气阻尼力系数；为电子阻尼力系数；G₁为反馈线圈的电动常数，G₂为驱动线圈的电动常数，T_m为驱动力矩，，R为功率放大器的回路电阻。由于转动振动台是在低频和超低频段工作，线圈电感影响可忽略。

当忽略空气阻尼影响，方程式(1)为

$K_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+c_m\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+\mathrm{k\θ}=T_m---\left(2\right)$

方程的解为

$\mathrm{\θ}=\frac{T_m/K_1}{s^2+{2\mathrm{D\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(3\right)$

可求得转动振动台的阻尼比为

$D=\frac{G_1{G}_{2}K}{2K_1{\mathrm{\ω}}_{0}R}---\left(4\right)$

从方程(4)可以看出，当转动振动台的机械参数、线圈的匝数确定之后，仅需要提高反馈放大器的放大倍数K，即可增大阻尼比。

转动振动台的自振频率为

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{K_1}}---\left(5\right)$

转动振动台的低频下限为

${\mathrm{\ω}}_L=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2D}---\left(6\right)$

从方程(6)可以看出，阻尼比越大，转动振动台的低频下限越低。因此可以通过调整阻尼比获得0.01Hz的极限低频，提高校准精度高。

本发明结构设计合理、简单，校准精度高，校准费用低，低频下限小，可实现对各类转动信号测量仪器校准。

Claims (5)

1.一种双动圈伺服式超低频转动振动台，包括底板(2)、外壳(11)，其特征在于：所述的底板(2)上设有转动台、驱动系统和反馈系统，所述的转动台包括立轴(16)，立轴(16)下端安装在底板(2)上，立轴(16)上端通过精密轴承(15)与圆形转动台面(17)连接，立轴(16)位于精密轴承(15)下方的轴段与弹簧片(14)一端固定连接，弹簧片(14)另一端通过弹簧连接器(13)与圆形转动台面(17)相连，所述的驱动系统包括信号源(26)、驱动线圈(19)、磁路(20)，驱动线圈(19)上端通过驱动线圈连接器(18)安装在圆形转动台面(17)底面的边沿，中间部分位于磁路(20)中，驱动系统的磁路(20)通过驱动磁路连接器(23)安装在底板(2)上，反馈系统包括反馈放大器(29)、反馈线圈(9)、磁路(20)，反馈线圈(9)与驱动线圈(19)关于立轴(16)对称安装，上端通过反馈线圈连接器(10)安装在圆形转动台面(17)底面的边沿，中间部分位于磁路(20)中，反馈系统的磁路(20)通过反馈磁路连接器(6)安装在底板(2)上，且与驱动系统的磁路(20)关于立轴(16)对称安装，所述的磁路(20)包括永磁体(8)和凹字形的磁轭(7)，永磁体(8)位于磁轭(7)两侧臂的中间，底面与磁轭(7)的底部固定连接，前端面与磁轭(7)开口顶端平齐，左右两个侧面为以立轴(16)为轴心的圆弧面，磁轭(7)的两侧臂内侧也设有以立轴(16)为轴心的圆弧面，各圆弧面的曲率向远离立轴(16)的方向依次减小，磁轭(7)的两侧臂与永磁体(8)左右两个侧面之间的空隙形成磁缝隙(21)，驱动线圈(19)置于驱动系统中磁路(20)的磁缝隙(21)内，反馈线圈(9)置于反馈系统中磁路(20)的磁缝隙(21)内，驱动线圈(19)依次通过功率放大器(28)、加法器(27)与信号源(26)连通，信号源(26)用于提供正弦电压信号，反馈线圈(9)通过反馈放大器(29)与加法器(27)连通，还分别与积分器(31)和跟随器(30)连接，跟随器(30)输出角振动速度信号，积分器(31)输出角振动位移信号。

2.根据权利要求1所述的双动圈伺服式超低频转动振动台，其特征在于：所述的驱动线圈(19)通过驱动线圈引线簧(24)、驱动线圈接线柱(25)和插座(5)相连，反馈线圈(9)通过反馈线圈引线簧(4)、反馈线圈接线柱(3)和插座(5)相连。

3.根据权利要求1所述的双动圈伺服式超低频转动振动台，其特征在于：所述的底板(2)为圆形，固定安装在与其同心的圆形底座(1)上。

4.根据权利要求1所述的双动圈伺服式超低频转动振动台，其特征在于：所述的外壳(11)为圆筒形，转动台、驱动系统和反馈系统布置于外壳(11)内部，外壳(11)外侧壁设有两个对称布置的把手(22)。

5.根据权利要求1所述的双动圈伺服式超低频转动振动台，其特征在于：所述的弹簧片(14)为弧形，弹簧连接器(13)下端侧面与弹簧片(14)通过螺钉(12)相连。