CN105222971A - 振动台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种振动台，包括激振器、基座、静导轨、动导轨、台面、位移计、速度计、控制电路；其中，激振器安装于基座上，激振器上设置有用于驱动激振器振动的电压信号输入端口；静导轨安装于基座上，用于支撑动导轨；动导轨套装在静导轨上，动导轨的一端与激振器连接；台面位于动导轨上，用于固定实验对象；速度计安装在基座上，用于检测动导轨的移动速度，并将速度计电压输出信号反馈至控制电路的相对速度计反馈信号输入端口；位移计安装在基座上，用于检测动导轨的位移，并将位移计电压输出信号反馈至控制电路的位移计反馈信号输入端口。通过本发明解决了相关技术中振动台中的弹性元件导致的非线性失真、结构复杂、产生局部共振等问题。

Description

振动台

技术领域

本发明涉及一种振动装置，具体地说，涉及一种振动台。

背景技术

在模拟产品实际工况考核和结构强度试验中，常需要振动台作为校准或振动试验的振源。比如在一些振动试验中，需要使用振动台产生指定的振动信号，如地震波信号，以确定试验对象在该激励下的响应，进而确定试验对象的参数。振动台也常应用于仪器校准，比如，在拾振器校准时，振动台产生振动激励信号输入给拾振器的传感器，通过测量传感器的输入与输出，得到传感器的参数。随着技术的发展，很多振动试验需要频率较低的振动激励信号，目前的振动台在产生低频振动信号时存在以下问题：

1.低频标准振动台和试验振动台通常体积重量较大，结构复杂，不具备便携式的特点；

2.当振动台工作在低频段时，由于弹性元件的非线性，低频运动信号的质量非常差，一般5Hz时，振动台加速度运动信号的失真度会达到10％，频率更低时，加速度信号失真度会超过30％甚至更大；

3.弹性元件是限制振动台运动行程的因素之一，而一定的运动行程对于低频振动台比较重要，因为大运动行程意味着较高的信噪比。目前振动台中常用的如蝶型弹簧、网状弹簧、板簧、U型簧、悬挂簧片等、其运动行程一般都不大，要增加运动行程只能靠增加弹性元件体积或优化弹性元件参数，技术困难且效果有限；

4.弹性元件的存在，会增加振动台制造工艺的复杂程度，某些弹性元件的局部共振还会造成振动台在某个频率点或某个频率段的运动信号质量急剧下降。

针对相关技术中，振动台中的弹性元件所导致的非线性失真、结构复杂、产生局部共振等问题，还未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种振动台，以至少解决相关技术中振动台中的弹性元件所导致的非线性失真、结构复杂、产生局部共振等问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种振动台，包括激振器、基座、静导轨、动导轨、台面、位移计、速度计、控制电路；其中，所述激振器安装于所述基座的一端，所述激振器上设置有用于驱动所述激振器振动的电压信号输入端口；所述静导轨安装于所述基座上，用于支撑所述动导轨；所述动导轨套装在所述静导轨上，所述动导轨的一端与所述激振器连接；所述台面位于所述动导轨之上，用于安装固定实验对象；所述速度计安装在所述基座上，用于检测所述动导轨的移动速度，并将速度计电压输出信号反馈至所述控制电路的相对速度计反馈信号输入端口；所述位移计安装在所述基座上，用于检测所述动导轨的位移，并将位移计电压输出信号反馈至所述控制电路的位移计反馈信号输入端口。

可选地，所述控制电路包括：第一放大器、第二放大器、第一减法器、第二减法器、功率放大器；所述速度计电压输出信号经过所述第一放大器放大后与信号源电压输出信号共同输入至所述第一减法器，所述第一减法器的输出信号与经过所述第二放大器放大后的所述位移计电压输出信号共同输入至所述第二减法器，所述第二减法器的输出信号输入至所述功率放大器，所述功率放大器的输出信号输入至所述激振器的所述电压信号输入端口。

可选地，所述激振器包括：底座、永磁体、内磁极、外磁极、外套、线圈架、漆包线；通过所述控制电路控制所述激振器的电压信号来控制所述激振器的振动。

可选地，在所述动导轨和所述静导轨之间通以空气，形成空气气模，所述动导轨依靠所述空气气膜悬浮。

可选地，所述永磁体使用铝镍钴材料。

可选地，所述线圈架使用玻璃钢材料。

可选地，所述位移计具有位移计定位环，所述位移计定位环套于所述位移计的外围，所述位移计定位环与所述动导轨连接。

可选地，所述激振器的所述线圈架上具有连接杆螺纹孔，所述线圈架通过安装在所述连接杆螺纹孔中的连接杆与所述动导轨连接。

可选地，所述位移计和所述速度计具有外罩板。

可选地，通过调整所述第一放大器和/或所述第二放大器的放大倍数，调整所述振动台等效刚度的大小。

通过本发明，采用振动台，包括激振器、基座、静导轨、动导轨、台面、位移计、速度计、控制电路；其中，激振器安装于基座的一端，激振器上设置有用于驱动激振器振动的电压信号输入端口；静导轨安装于基座上，用于支撑动导轨；动导轨套装在该静导轨的外围，动导轨的一端与该激振器连接；台面位于该动导轨之上，用于安装固定实验对象；速度计安装在该基座上，用于检测动导轨的移动速度，并将速度计电压输出信号反馈至控制电路的相对速度计反馈信号输入端口；位移计安装在该基座上，用于检测该动导轨的位移，并将位移计电压输出信号反馈至控制电路的位移计反馈信号输入端口。解决了相关技术中振动台中的弹性元件所导致的非线性失真、结构复杂、产生局部共振等问题。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是根据本发明实施例的振动台整体结构图；

图2是根据本发明实施例的激振器剖面图；

图3是根据本发明实施例的振动台系统信号流程框图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的振动台的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

如图1所示的振动台，主要部件包括激振器1、基座2、静导轨6、动导轨5、台面4、位移计8、速度计7；其中，该激振器1通过激振器安装立板12、激振器安装底板13安装于该基座2的一端，该激振器1上设置有用于驱动该激振器1振动的电压信号输入端口14；该静导轨6安装于该基座2上，用于支撑该动导轨5；该动导轨5套装在该静导轨6上，该动导轨5的一端与该激振器1通过连接杆3连接，且随激振器1的振动在静导轨6上往复运动，动导轨5和静导轨6共同构成了振动台的支撑定向部分；该台面4固定在该动导轨5之上，用于安装固定实验对象；该速度计7安装在该基座2上，用于检测该动导轨5的移动速度，并将速度计电压输出信号反馈至控制电路的相对速度计反馈信号输入端口；该位移计8安装在该基座2上，用于检测该动导轨5的位移，并将位移计电压输出信号反馈至控制电路的位移计反馈信号输入端口。

通过上述振动台，将位移计电压输出信号和速度计电压输出信号反馈至该控制电路的反馈信号输入端口，从而推动振动台运动，不再使用弹性元件，解决了相关技术中振动台中的弹性元件所导致的非线性失真、结构复杂、产生局部共振等问题。

上述振动台涉及到将位移计电压输出信号和速度计电压输出信号反馈至该控制电路的反馈信号输入端口，在一个可选实施例中，控制电路包括：第一放大器、第二放大器、第一减法器、第二减法器、功率放大器。如图3所示，速度计电压输出信号经过第一放大器放大后与信号源电压输出信号共同输入至第一减法器，第一减法器的输出信号与经过第二放大器放大后的位移计电压输出信号共同输入至第二减法器，第二减法器的输出信号输入至功率放大器，该功率放大器的输出信号输入至该激振器的该电压信号输入端口14。从而可以更好的通过处理之后的电压信号推动振动台的运动。

下面结合以下公式来进一步阐述该振动台的原理及优点。

一般振动台系统的传递函数为：

$\frac{x}{e}=\frac{G}{{\mathrm{mLs}}^3+{\mathrm{mRs}}^2+(kL+G^2)s+kR}---\left(1\right)$

本可选实施例中，振动台的传递函数表达式为：

$\frac{x}{e}=\frac{G}{{\mathrm{mLs}}^3+{\mathrm{mRs}}^2+G^{2}s+{\mathrm{KGS}}_x}---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中各参数的意义如下：

x——振动台可动部分运动位移；

e——信号源电压输出信号；

G——激振器机电耦合系数，磁场强度与漆包线绕线长度的乘积；

m——振动台可动部分质量；

L——激振器线圈等效电感；

R——激振器线圈欧姆电阻；

K——放大器放大倍数；

k——弹性元件刚度；

S_x——位移计灵敏度；

s——拉普拉斯算子。

比较式(1)与式(2)可知，式(2)中取消了弹性元件，利用放大倍数K、机电耦合系数G、位移计灵敏度S_x的乘积组合KGS_x代替弹性元件刚度k在振动台传递函数中的作用，KGS_x完全由电路参数决定，由弹性元件带来如非线性失真、增加结构复杂性、局部共振等不利因素得到抑制。

在一个可选实施例中，该激振器包括：底座、永磁体、内磁极、外磁极、外套、线圈架、漆包线；如图2所示，永磁体101为圆柱状结构，该永磁体101的轴心具有安装用通孔，该永磁体101固定在底座103上。内磁极102为圆柱状结构，设置在永磁体101的上表面，内磁极102的轴心具有安装用螺纹通孔，且螺纹通孔的直径小于永磁体101的通孔的直径。底座103为圆柱状结构，底座103的轴心具有安装用通孔，所述底座103上表面的中心具有用于安装永磁体101的圆柱形凹槽。在所述底座103的下表面沿周向具有用于安装外套105的轴向沉头通孔。通过中心固定螺栓108依次可将底座103、永磁体101、内磁极102固定连接。

外套105为圆筒状上下开口的结构，外套105上表面沿周向具有用于安装外套105的轴向螺纹通孔，且由外套固定螺栓109连接到底座103上。所述外套105套于永磁体101的外圆外面，且外套105的底面与底座103的上表面接触，上表面与永磁体101上表面平齐。外套105和永磁体101之间形成有环形空间。所述外套105外圆周具有双向的径向突出薄板，在所述突出薄板的表面具有与基座2连接的基座安装固定孔111。

外磁极104为圆筒状上下开口的结构，所述外磁极104套于内磁极102的外圆外面，且与内磁极102轴向长度一致。所述外磁极104通过螺栓与外套105连接，使外磁极104下表面与外套105上表面接触。当然，外磁极104也可以采用其他方式与外套105连接，比如粘接。内磁极102的外圆和外磁极104的内圆之间形成有环形间隙。

线圈架107为圆筒状下部中心开口的结构，所述线圈架107外圆具有用于缠绕漆包线106的凹槽。线圈架107的带有漆包线106的部分插入到内磁极102和外磁极104之间的环形间隙内，且有部分穿过环形间隙插入到外套105和永磁体101的环形空间内。漆包线106通过导线与位于激振器1的外圆周上的电压信号输入端口14连接。当漆包线内通过电流时，根据电磁感应原理，处于内磁极102和外磁极104间隙中的线圈架107会受到相应的激振力，从而产生位移。通过动导轨5的位移及速度反馈，该控制电路控制该激振器1的电压信号来控制该激振器1的振动。

在一个可选实施例中，在该动导轨5和该静导轨6之间通以空气，形成空气气模，该动导轨5依靠该空气气膜悬浮。动导轨5和静导轨6之间的摩擦系数小，且对振动具有高直线度的导向作用。

上述永磁体101可以由多种材料制成，下面对此进行举例说明。在一个可选实施例中，永磁体101使用铝镍钴材料，可以保证磁路具有较好的稳定性，进而保证振动台激振力具有较强的稳定性。

上述线圈架107也可以由多种材料制成，下面对此进行举例说明。在一个可选实施例中，线圈架107使用玻璃钢材料，可以保证线圈架107不产生涡流。

在一个可选实施例中，该位移计8具有位移计定位环9，该位移计定位环9套于该位移计8的外围，该位移计定位环9与该动导轨5通过位移计与动轨连接件10连接，位移计定位环9可随动导轨5沿位移计8外围滑动，位移计8可通过位移计定位环9检测动导轨5的位移量。

在一个可选实施例中，该激振器1的该线圈架107上具有连接杆螺纹孔110，该线圈架107通过安装在该连接杆螺纹孔110中的连接杆3与该动导轨5连接。

在一个可选实施例中，该位移计8和该速度计7具有外罩板11，用于保护该位移计8和该速度计7不受磕碰。

在一个可选实施例中，通过调整该第一放大器和/或该第二放大器的放大倍数，方便的调整乘积组合KGS_x的大小，进而调整振动台等效刚度的大小。通过合理而紧凑的设计，振动台的重量控制在40kg以内，体积小于700mm×300mm×300mm，低频振动台可以工作在0.1Hz(速度)和0.5Hz(加速度)，可以产生120N以上的激振力，运动行程可以达到20mm。

综上所述，通过本发明的振动台实现了以下技术效果：

1.振动台结构简单，设计紧凑，体积重量较小，便于搬运，在保持一定运动行程的条件下，具有便携式的特点；

2.振动台及激振器取消了弹性元件，简化了振动台和激振器的结构，消除了弹性元件对振动台带来的不利影响；

3.动导轨与静导轨之间有空气气膜，动导轨依靠空气气膜压力悬浮，这种导轨具有直线度高、摩擦系数小的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种振动台，其特征在于：包括激振器、基座、静导轨、动导轨、台面、位移计、速度计、控制电路；

其中，所述激振器安装于所述基座的一端，所述激振器上设置有用于驱动所述激振器振动的电压信号输入端口；

所述静导轨安装于所述基座上，用于支撑所述动导轨；

所述动导轨套装在所述静导轨上，所述动导轨的一端与所述激振器连接；

所述台面位于所述动导轨之上，用于安装固定实验对象；

所述速度计安装在所述基座上，用于检测所述动导轨的移动速度，并将速度计电压输出信号反馈至所述控制电路的相对速度计反馈信号输入端口；

所述位移计安装在所述基座上，用于检测所述动导轨的位移，并将位移计电压输出信号反馈至所述控制电路的位移计反馈信号输入端口。

2.根据所述权利要求1所述的振动台，其特征在于，所述控制电路包括：

第一放大器、第二放大器、第一减法器、第二减法器、功率放大器；

所述速度计电压输出信号经过所述第一放大器放大后与信号源电压输出信号共同输入至所述第一减法器，所述第一减法器的输出信号与经过所述第二放大器放大后的所述位移计电压输出信号共同输入至所述第二减法器，所述第二减法器的输出信号输入至所述功率放大器，所述功率放大器的输出信号输入至所述激振器的所述电压信号输入端口。

3.根据权利要求2所述的振动台，其特征在于，通过调整所述第一放大器和/或所述第二放大器的放大倍数，调整所述振动台等效刚度的大小。

4.根据权利要求1所述的振动台，其特征在于，所述位移计具有位移计定位环，所述位移计定位环套于所述位移计的外围，所述位移计定位环与所述动导轨连接。

5.根据权利要求1所述的振动台，其特征在于，所述激振器包括：

底座、永磁体、内磁极、外磁极、外套、线圈架、漆包线；通过所述控制电路控制所述激振器的电压信号来控制所述激振器的振动。

6.根据权利要求5所述的振动台，其特征在于，所述永磁体使用铝镍钴材料。

7.根据权利要求5所述的振动台，其特征在于，所述线圈架使用玻璃钢材料。

8.根据权利要求5所述的振动台，其特征在于，所述激振器的所述线圈架上具有连接杆螺纹孔，所述线圈架通过安装在所述连接杆螺纹孔中的连接杆与所述动导轨连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的振动台，其特征在于，所述位移计和所述速度计具有外罩板。