CN105115691B - 一种用于获取冲击响应的系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及测量、计量领域，具体地公开了一种用于获取冲击响应的系统。该系统包括：发射装置，所述发射装置包括圆珠保持部件、圆珠激发部件，其中，在保持状态下，由所述圆珠保持部件保持圆珠；在激发状态下，由所述圆珠保持部件保持的圆珠受所述圆珠激发部件激发而被发射；被撞装置，包括具有球状面的承撞部件，在激发状态下，发射的圆珠撞击所述承撞部件的球状面，所述承撞部件产生振动并将所述振动传递至被测对象，以使得所述被测对象产生相应的响应信号。应用本公开可得到能用于反映该被测对象在较宽频段范围内的连续频响特性的响应信息。

Description

一种用于获取冲击响应的系统

技术领域

本发明涉及测量、计量领域，更具体地，涉及一种用于获取冲击响应的系统。

背景技术

在测量、计量等领域，了解仪器仪表(例如加速度计等)自身的特性是非常重要的。若已知仪器仪表的特性，则可选择适当的仪器仪表型号以避免仪器仪表本身的特性严重干扰测量结果，可基于仪器仪表自身的特性对测量结果进行校正和补偿，还可基于仪器仪表自身的特性来反演推导得到当前激励信号等信息。

现有技术中可采用振动激励法来了解仪器仪表的特性信息。振动激励法是利用连续的正弦形式的加速度来校准仪器仪表的方法，如图1所示，其得到的振动校准结果仅是一些离散频率点的复灵敏度值，而不能用连续的频率响应(简称频响)曲线来描述被校对象的特性。并且受其所采用的振动台的机械结构的限制，振动加速度的峰值一般不会超过100m/s²，振动的频率一般不高于20kHz，无法获得仪器在更高峰值和/或频率激励下的频响特性。

也有人采用冲击激励法来了解仪器的特性信息。目前的冲击激励法产生的冲击脉冲通常只能是低峰值宽脉冲冲击信号，或者为高峰值窄脉冲冲击信号，其只能得到一定频段内的离散频率点响应数据，因此现有的冲击激励法主要用于校准冲击灵敏度，而不适用于获取仪器仪表在较宽频段内的连续频响特性信息。此外，现有的冲击激励法中采用的冲击信号的波形一般较为复杂，难以用数学模型来进行描述，不同的激励波形得到的结果也不完全一致，具有测量结果的不确定性大的缺陷。

发明人研究发现，为了实现更精确的测量，获取能反映仪器仪表在较宽频段内的连续频响特性的信息是非常必要的。

发明内容

本公开提出了一种装置，该装置能用于获取被测对象(例如，诸如加速度计的仪器仪表等)的响应信息，该响应信息能反映该测量对象在较宽频段范围内的连续频响特性。

根据本公开的一方面，提出了一种用于获取冲击响应的系统，该系统包括：发射装置，所述发射装置包括圆珠保持部件、圆珠激发部件，其中，在保持状态下，由所述圆珠保持部件保持圆珠；在激发状态下，由所述圆珠保持部件保持的圆珠受所述圆珠激发部件激发而被发射；被撞装置，包括具有球状面的承撞部件，在激发状态下，发射的圆珠撞击所述承撞部件的球状面，所述承撞部件产生振动并将所述振动传递至被测对象，以使得所述被测对象产生相应的响应信号。

应用本公开中的装置可产生非常接近于冲激信号δ(t)的冲击脉冲，被测对象在该冲击脉冲激励下所产生的响应信息能用于反映该被测对象在较宽频段范围内的连续频响特性。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了采用现有振动激励法对加速度计进行校准后得到的加速度计灵敏度校准结果示意图。

图2示出了根据本公开的一个用于获取冲击响应的示例性系统的结构示意图。

图3示出了图2所示的示例性系统中的水平支架的俯视图。

图4示出了图2所示的示例性系统中的承撞部件的剖面示意图。

图5示出了图2所示的示例性系统中的托盘的仰视图。

图6(a)示出了图2所示的示例性系统中的橡胶圆环的俯视图。

图6(b)示出了图2所示的示例性系统中的橡胶圆环沿着某一直径的剖面图。

图7示出了应用图2所示的示例性系统得到的被测对象的时间响应曲线。

图8示出了对图7所示的时间响应曲线进形转换后得到的频响曲线。

附图标记说明

200、发射装置 201、磁体

202、线圈 203、金属棒

204、撞针 205、撞击器

206、弹簧 207、导管

208、圆珠 300、水平支架

400、被撞装置 401、承撞部件

402、被测对象 403、托盘

404、托盘底座 405、凸起

406、中心圆环 407、球状凹槽

500、支撑腿 600、水平激光器

700、托盘底座调整器 800、底座

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本申请公开了一种用于获取冲击响应的系统，该系统可包括发射装置和被撞装置。所述发射装置包括圆珠保持部件、圆珠激发部件，其中，在保持状态下，由所述圆珠保持部件保持圆珠；在激发状态下，由所述圆珠保持部件保持的圆珠受所述圆珠激发部件激发而被发射。所述被撞装置包括具有球状面的承撞部件，在激发状态下，发射的圆珠撞击所述承撞部件的球状面，所述承撞部件产生振动并将所述振动传递至被测对象，以使得所述被测对象产生相应的响应信号。

本发明的基本原理是：如本领域技术人员所公知的，当激励为冲激信号δ(t)时得到的响应(通常称为冲激响应)可反映系统本身的特性；理论上，对冲激响应进行傅里叶变换，以将在时间域上的冲激响应转换至频率域，即可得到该系统在整个频谱上的连续的频响特性曲线。

发明人经过深入研究和大量试验发现，圆珠和球状面撞击可产生持续时间足够短的脉冲信号，可认为该脉冲信号近似于冲激信号δ(t)。对被测对象在该脉冲信号激励下产生的响应信号进行分析，能够得到该被测对象在较宽频段范围内的连续频响特性。

根据需要，该系统还可包括用于支撑发射装置和/或被撞装置的支撑结构，还可包括用于校正发射装置和/或被撞装置的位置的位置校准设备，还可包括对获得的冲击响应进行分析的设备等。

具体示例

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

图2示出了根据该具体示例的一个用于获取冲击响应的示例性系统的结构示意图。该系统包括发射装置200和被撞装置400，该系统还可包括水平支架300、支撑腿500、水平激光器600、托盘底座调整器700和底座800，该系统还可包括用于接收信号并对其进行处理的响应分析装置(未示出)。需要说明的是，该示例性系统可以有3条支撑腿500，以使结构更稳定，为了使图2能够更为清晰地显示相关特征，在图2中仅示出了其中2条支撑腿500。

该示例性系统的发射装置200所发射的圆珠208为钢珠，其圆珠保持部件可包括位于发射出口处的磁环，在保持状态下，磁环可吸住圆珠208，将其保持在发射出口上方。根据本发明的其他示例，圆珠保持部件可以具有用于保持圆珠208的卡合式结构或挡板式结构等。此外，本领域技术人员也可根据需要采用任意适用的结构作为此处的圆珠保持部件。

该示例中的圆珠激发部件可包括磁体201、线圈202和撞击器205。磁体201可位于外壳的内壁上。线圈202可与磁体201电磁耦合，处于磁体201所产生的磁场中。撞击器205可包括金属棒203和撞针204，撞针204的一端固定于金属棒203的一个端面的中心位置。金属棒203的外面表上可具有粘性绝缘胶，线圈202可隔着粘性绝缘胶缠绕在金属棒203上，以用于实现线圈202和撞击器205的联动，并且使线圈202和撞击器205彼此绝缘。在激发状态下，给线圈202通电，处于磁场中的通电的线圈202受洛伦兹力的作用向下运动，同时带动撞击器205向下运动，从而撞针204的下端可撞击圆珠208，使圆珠208受激而被发射。根据本发明的其他示例，撞击器205也可以是诸如上大下小的锤状等其他结构。

根据需要，可在激发圆珠时给圆珠施加初始速度，也可不施加初始速度，使得圆珠以自由落体的方式被发射。

在本示例中，进一步地，可通过调整施加至线圈202的电信号(例如瞬时电信号)的大小来改变线圈的运动速度，进而改变撞击器205撞击圆珠的力度，从而可调整圆珠208在被激发时的初始速度。

本示例中，还可在圆珠激发部件上设置弹簧206，以便于在撞针204撞击圆珠208后，使金属棒203、撞针204连带线圈202回复原位。本领域技术人员也可根据需要采用其他任意适用的结构以使金属棒203、撞针204连带线圈202回复原位。

该示例性系统的发射装置200还可包括导管207。导管207的一端可接近(例如，接触)由所述圆珠保持部件保持的圆珠208的位置，另一端可接近(例如，接触)承撞部件401上将被撞击的位置，以便于在激发状态下使圆珠208能够更准确地沿着期望的方向运动。

本示例中，发射装置200可安装在水平支架300上。图3示出了本示例性系统中的水平支架300的俯视图。水平支架300可具有三个突出端，分别由三个支撑腿500(参见图2)支撑，以实现稳定的支撑结构。水平支架300上可内嵌有水平仪(未示出)，以便于检测三个突出端是否在同一个平面上。此外，也可采用本领域技术人员已知的任意技术手段来确保水平支架300被水平放置。

回到图2，可看出每个支撑腿500可包括两个螺纹套筒，可通过调整两个螺纹套筒间的螺纹拧入深度以在较大范围内调整水平支架300的位置。支撑腿500与水平支架300间也可采用螺纹式连接，以通过调整螺纹拧入深度来精细地调整水平支架300的位置。

图4示出了本示例性系统中的承撞部件401的剖面示意图。如图4所示，本示例中的承撞部件401可以是削底球状的钢珠。本示例中，可在承撞部件401的呈平面的底面的中心处设置与被测对象的连接端口相匹配的连接端口(例如，螺纹式凹槽)，以便于将被测对象安装在承撞部件401的底面的中心位置。根据本发明的其他示例，承撞部件401可以是顶面呈球面状、底面呈平面的圆柱体。本领域技术人员也可根据需要采用具有其他形状的承撞部件。

选择承撞部件时，可考虑承撞部件自身的响应特性，以避免承撞部件自身的响应干扰在感兴趣频段内被测对象的响应信号。可先粗略估计被测对象的安装谐振频率，然后选择自身的共振频率远离该安装谐振频率的承撞部件。具有如图4所示形状的承撞部件401的一阶轴向共振频率可表示为：

其中，c_E为轴向波在承撞部件401中传递的速度，对于钢材料，c_E＝5250m/s，H为承撞部件401的轴向高度；

其一阶旋转共振频率可表示为：

其中，c_s为剪切波在承撞部件401中传递的速度，对于钢材料，c_s＝3251m/s，D为球状面的半径；

其一阶腔体共振频率可表示为：

其中，c_D为扩散波在承撞部件401中传递的速度，对于钢材料，c_D＝5941m/s，D为球状面的半径。

通常承撞部件401的轴向共振对被测对象的影响最大，因此，例如，如果被测对象的安装谐振频率在40KHz附近，而所选择的承撞部件401的轴向共振频率在85KHz附近，则可以认为这种选择是较为合适的。承撞部件401的整个表面的加工表面粗糙度R_a可小于1μm，底面的平面度可优于5μm

可通过使圆珠208与承撞部件401的撞击面积尽可能小，来实现撞击产生持续时间足够窄、尽可能接近冲激信号δ(t)的脉冲这一目的，因此，可选择尽可能小的圆珠208，这有利于确保获取的频响特性曲线能够覆盖被测对象的安装谐振频率。例如，圆珠208的直径可以在承撞部件401的球状面的直径的1/16至1/8之间。

回到图2，为了精确测量被测对象在预定轴向的灵敏度等信息，可设置承撞部件401与被测对象402在该轴的方向上共轴，并且在激发状态下，发射的圆珠208可沿着该轴的方向撞击承撞部件401的球状面，使得承撞部件401仅将沿着该轴的方向的振动传递至被测对象402。在本示例中，可设置导管207、承撞部件401和被测对象402共轴。

承撞部件401可置于托盘403的中心圆孔中。图5示出了本示例性系统中的托盘403的仰视图。该托盘可包括依次嵌套的具有不同半径的多个同心圆环，该结构有利于隔离外界振动对承撞部件401的影响。中心圆环406可由诸如硅胶的橡胶材料制成，这不仅有利于进一步隔离外界振动，还便于将承撞部件401置于在其中心圆孔中。除中心圆环406外的其他圆环可由诸如金属的硬质材料制成。

图6(a)示出了本示例性系统中的橡胶圆环406的俯视图，图6(b)示出了本示例性系统中的橡胶圆环406沿某一直径的剖面图。

回到图2，托盘403的下表面上可具有球状凹槽。托盘底座404的上表面上具有与该球状凹槽相匹配的具有球状面的凸起405，用以支撑托盘403。本示例中，托盘底座404上具有沿圆周均匀分布的三个凸起405，可通过该三个支撑点稳定地支撑托盘403。这种球状的支撑结构有利于隔离外界振动对托盘403的影响。进一步地，托盘403上可具有多组球状凹槽，每组球状凹槽均与托盘底座404上的所有凸起405相匹配，不同的球状凹槽组的凹陷深度不同。通过使凸起405和不同的球状凹槽组相配合，可调节托盘的放置高度。如图5所示，托盘403上可具有两组球状凹槽，每组三个，不同组的凹槽交错分布。

回到图2，该示例中还可包括水平激光器600和托盘底座调整器700，以用于保证托盘底座水平，进而保证承撞部件401水平。本示例中的水平激光器600和托盘底座调整器700各有三组。

水平激光器600可以包括小型的激光位移计，以测量三个托盘底座404是否在同一平面上。

托盘底座调整器700可包括小型的精密步进电机，其可通过电机的旋转改变螺纹丝杠配合的距离，从而改变支撑点的告诉。托盘底座调整器700也采用与托盘底座404支撑托盘403类似的方式来支撑托盘底座404。

此外，也可采用本领域技术人员已知的任意技术手段来确保承撞部件401被水平放置。

进一步地，该用于获取冲击响应的系统还可包括响应分析装置。该响应分析装置可接收被测对象产生的在时域上的响应信号，并将该时域响应信号转换(例如，通过傅里叶变换)为频域信号，该频域信号即可被认为是被测对象的频响曲线。在该响应分析装置中，可基于该频域信号得到被测对象的传递函数(例如，通过拟合等方法)：

其中s可表示拉普拉斯算子，δ可表示所述被测对象的阻尼系数，S₀可表示所述被测对象的灵敏度系数(例如，预定轴向的灵敏度系数)，ω₀可表示所述被测对象的安装谐振频率。

该响应分析装置可包括用于显示波形曲线的显示屏。

必要时，在时/频转换之前，该响应分析装置可对接收到的时域信号进行预处理(例如放大、滤波等)。

本领域技术人员可采用任用适用的软件和/或硬件执行上述时/频转换、传递函数的确定以及时域信号预处理(如果需要)等操作。

在使用该示例性系统前，可先将被测对象(例如，加速度计)402安装在承撞部件401的底面上，并连接好用于给线圈202施加电信号的装置以及执行信号接收和处理的响应分析装置(可包括采集器、放大器等)。可将承撞部件401置于托盘403的中心圆孔处，然后可将托盘403置于托盘底座404上。可调整水平支架300和托盘底座404的位置以确保其水平。之后可放置圆珠208，并调整导管207以确保其两端分别接近于圆珠208和承撞部件401。最后可按下发射装置200的启动按钮，则撞击器205可推动或加力击打圆珠208使其离开圆珠保持装置的束缚而被发射。圆珠208可在通过导管207后与承撞部件401的球状面相撞击，以产生一个持续时间足够短的接近于冲激信号δ(t)的激励。承撞部件401将该激励传递至被测对象402，以使得被测对象402产生相应的响应信号。响应分析装置可接收并处理该响应信号，以得到频响曲线和/或传递函数等。

图7示出了应用图2所示的示例性系统得到的被测对象的时间响应曲线。该示例中，被测对象为加速度计。

图8示出了对图7所示的时间响应曲线进形转换后得到的频响曲线。可以看出，应用本公开可得到在高达100KHz的频段内的连续的频响曲线。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种用于获取冲击响应的系统，该系统包括：

发射装置，所述发射装置包括圆珠保持部件、圆珠激发部件，其中，在保持状态下，由所述圆珠保持部件保持圆珠；在激发状态下，由所述圆珠保持部件保持的圆珠受所述圆珠激发部件激发而被发射；

被撞装置，包括具有球状面的承撞部件，在激发状态下，发射的圆珠撞击所述承撞部件的球状面，所述承撞部件产生振动并将所述振动传递至被测对象，以使得所述被测对象产生相应的响应信号；

其中，所述圆珠激发部件包括：

磁体；

线圈，与磁体电磁耦合；

撞击器，与所述线圈联动；

在激发状态下，所述线圈被通电，处于磁场中的通电的该线圈受洛伦兹力作用而运动，并带动所述撞击器撞击由所述圆珠保持部件保持的圆珠。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述撞击器包括金属棒和撞针，所述撞针的一端固定于所述金属棒的一个端面的中心位置，所述金属棒外表面具有粘性绝缘胶，所述线圈隔着所述粘性绝缘胶缠绕在所述金属棒上。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发射装置还包括导管，所述导管的一端接近由所述圆珠保持部件保持的圆珠的位置，另一端接近所述承撞部件上将被撞击的位置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述承撞部件是削底球状的钢珠，所述被测对象安装在所述承撞部件的呈平面的底面的中心位置。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的系统，其中，所述承撞部件与所述被测对象共轴，在激发状态下，所述圆珠沿着该轴的方向撞击所述承撞部件的球状面，所述承撞部件将沿着该轴的方向的振动传递至所述被测对象。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述承撞部件还包括托盘，所述托盘包括依次嵌套的具有不同半径的多个同心圆环，所述承撞部件安装在中心圆环的中心圆孔中；

所述中心圆环由橡胶材料制成，所述多个同心圆环中除所述中心圆环外的其他圆环由硬质材料制成。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述被撞装置还包括托盘和托盘底座，所述承撞部件置于所述托盘的中心位置处，所述托盘下表面上具有球状凹槽，所述托盘底座的上表面上具有与所述球状凹槽相匹配的具有球状面的凸起以支撑所述托盘。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述托盘下表面上具有多组球状凹槽，每一组球状凹槽均与所述托盘底座的上表面上的所有所述凸起相匹配，不同的球状凹槽组的凹陷深度不同。

9.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括响应分析装置，所述响应分析装置接收所述被测对象产生的在时域上的响应信号，将该响应信号转换为频域信号，并基于所述频域信号得到所述被测对象的传递函数：

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其中s表示拉普拉斯算子，δ表示所述被测对象的阻尼系数，S₀表示所述被测对象的灵敏度系数，ω₀表示所述被测对象的安装谐振频率。