TWI410631B - 加速感應器及力感應器之校正方法及裝置 - Google Patents

Description

加速感應器及力感應器之校正方法及裝置

本發明係關於一方法及一裝置，其係於長桿中激發機械波，用以校正加速感應器及力感應器，尤指具較大振幅者。該類感應器屬於一電機機械式轉換器，用以將加速或力之機械量轉換成可測量之電子訊號，例如電量或電壓。為得知該感應器之轉換比例，就必須進行校正。

已知有很多不同之裝置，可用以校正加速感應器。用以校正振盪吸收器及衝擊吸收器之裝置及方法於ISO 16063已有陳述。校正>1000 m/s2之加速振幅時，必須採用衝擊形式之訊號，亦即有時間限制之訊號。廣為知悉之鐵鎚-鐵鉆原理(Hammer-Amboss-Prinzip)，係描述二固體間之碰撞，能有效滿足5000 m/s²以下之加速振幅。對於較高之加速而言，則必須採用霍普金森桿原理，才能取得高度之校正值。前述之校正方法於ISO 16063-13已有陳述。欲校正力感應器時，通常必須採用靜態之方法，亦即感應器必須加上靜態之重力負載。利用隨時間變動之訊號以校正力感應器，而該訊號係由霍普金森桿所產生，係一創新。

原則上已知三種不同之方法係利用霍普金森桿進行校正。該些不同之方法與其所使用之參考感應器有關。

長桿末端之加速可利用一光學測量系統(例如雷射振動儀)、或一參考加速感應器或力感應器加以測量。另一校正法係採用貼片式應變計以測量長桿之應變。由長桿之應變可計算出長桿末端之加速。

霍普金森桿原理之基礎為，機械波會於一細長桿上傳播。該波於長桿自由末端之反射會形成一運動，此一運動即產生校正該 感應器所需之加速或力。利用細長桿之特性即可讓該加速或力達到一很大之振幅(>1,000,000 m/s²或>100,000 N)。

傳統之霍普金森桿係以一固體，例如一鋼珠，向長桿末端射擊，進而釋出一機械衝擊力。該衝擊力會於長桿上產生一縱向之應變波，並沿著長桿向前傳遞。該應變隨著時間之變化及長桿末端之加速及力對時間之變化，係由長桿頭端之衝擊力之力對時間之變化所決定。例如，大之鋼珠會激發出一非常細長之頻譜。鋼珠之直徑越小，頻譜則越寬。最大之振幅則隨著鋼珠直徑之增大而急遽增加。

傳統之霍普金森桿之主要缺點為：

-加速訊號之形狀無法改變。

-加速之脈衝時間係由撞擊伙伴所決定，因此極難加以改變

-加速訊號及校正結果之重現性會因撞擊伙伴之磨耗而受到限制

-最低之振幅範圍大約限制於>5,000 m/s²。

於美國專利案5 000 030 A敘述一方法及一裝置，用以測量一撞擊加速儀之動態特性。一參考感應器係設於一霍普金森桿上及設於一待校正之感應器末端。視情形，其機械衝擊亦可採用一壓電元件來激發。欲精準改變訊號形狀、訊號振幅及該訊號之脈波時間長度係為無法達成。

美國專利案3 830 091 A係描述一用以校正加速感應器之測試系統，其係利用一於鋁桿側面所安裝之電機機械式促動器，以一控制及調制電路將長桿激發成共振，並且於待測加速感應器之長桿末端上，同樣安裝一參考加速感應器。該種測試系統能產生諧振加速。其加速頻率僅為基頻之整數倍數(例如1 kHz、2 kHz、3 kHz...)。可達之加速振幅大約只有3,000 m/s²。

本發明之目的為開發一利用霍普金森桿以校正加速感應器及力感應器之方法及裝置，其係於一大之振幅範圍內，藉由該桿之幫助而精準影響訊號之形狀、訊號之振幅及訊號之脈波時間長度。該裝置必須容易設立，操作時亦必須安全且不須經常維修。

根據本發明，其目的係經由申請專利範圍第1項所述之方法特徵及申請專利範圍第3項所述之裝置特徵得以解決。進一步之特徵則於申請專利範圍附屬項第2項及第4項至第5項中敘述。

在利用霍普金森桿校正加速感應器及力感應器之方法，該霍普金森桿設有一參考感應器及一安裝於霍普金森桿之一末端上之待校正感應器。霍普金森桿於該感應器之另一端則設有一電機機械式促動器，用以將電子訊號轉換成機械力。電機機械式促動器可利用一控制及調制電路加以控制，且加速脈波形狀或力脈波形狀之調制可透過參考感應器上之各個測量值達成。該些測量值將傳給控制及調制電路，而該值可用來做為電機機械式促動器之控制訊號之精準前置處理。

霍普金森桿末端之加速振幅或力振幅係經由機械波之疊合而變成最大。

一種用以執行申請專利範圍第1項所述方法之裝置，其係於一霍普金森桿上設置一參考感應器，於霍普金森桿之一末端設置待校正之感應器。於霍普金森桿之一末端設置一電機機械式促動器。該電機機械式促動器係經由一控制管與控制及調制電路相連。於電機機械式促動器相對於霍普金森桿之另一面，設有一平衡質塊。一控制管係由參考感應器連至控制及調制電路。

用以校正加速感應器及力感應器之本發明裝置係採用一以普通方式建造於霍普金森桿上之參考感應器。該參考感應器可以為 一光學測量系統(例如雷射振動儀)或一參考感應器。另一校正方法則係採用貼片式應變計來測量該長桿之應變。由該長桿之應變即可計算長桿末端之加速及力。

一般情形所採用之霍普金森桿係一長度約為2公尺至4公尺，厚度約為18毫米至30毫米之金屬桿。

固定於霍普金森桿末端係待校正之感應器。於霍普金森桿另一端所安裝之電機機械式促動器則用以激發一加速脈波或力脈波。

霍普金森桿對面設有一固定於電機機械式促動器上之平衡質塊，該質塊必須遠較長桿長度為短，且一質量必須>長桿質量之1/100。該平衡質塊之作用係將促動器之力量導入長桿。

電機機械式促動器係經由一控制管與控制電路及調制電路相連。

電機機械式促動器最好為一壓電式促動器，或亦可為一磁變式促動器。磁變式促動器可十分簡單耦合於長桿上，但效率明顯比壓電式促動器差。

一控制管能由參考感應器連至控制及調制電路。

本裝置能用以校正力感應器或加速感應器。若要校正加速感應器，該感應器就必須安裝於長桿之自由末端。若要校正力感應器，該感應器就必須於長桿之自由末端額外安裝一耦合質塊。

本發明裝置之作用如下：

上文所述，使用霍普金森桿之既有校正方法之缺點成因為，桿內之機械波係由機械碰撞所產生。而本發明則採另一方法於長桿內激發機械波，取代機械碰撞。該方法可將一電子控制訊號轉換成特定之衝撞力。該類之轉換器一般均稱之為促動器。利用本發明裝置校正加速感應器或力感應器時，最好採用電機機械式促 動器，該類促動器具有很大之力動態範圍(1 mN至5 kN)及很大之可用頻率範圍(>10 kHz)。

加速脈波形狀或力脈波形狀之調制可透過參考感應器上之各個測量值來達成。該些測量值將傳至一調制電路，而該值可用來做為電機機械式促動器之控制訊號之一精準前置處理。

當霍普金森桿以一縱向特徵頻率激發至共振狀態時，於固定不變之激發功率下，會於長桿末端獲得一最大之加速振幅或力振幅。如此即可達成最有能量效率之巨大加速振幅或力振幅。

機械波之疊合讓長桿末端之加速振幅或力振幅變成最大。利用電機機械式促動器以重新激發霍普金森桿之方式不斷輸入能量，即可逐級提高力振幅或加速振幅。

利用本發明，即可避免利用霍普金森桿之傳統校正方法之缺點。

本發明之優點為，加速訊號之形狀可利用電子之方式加以改變。即使係加速訊號之脈波時間長度亦可利用電子之方式改變。本發明可以改變訊號形狀(諧振訊號、脈波形狀之訊號)、訊號振幅(典型值為20 m/s²至100,000 m/s²)，及該訊號之脈波時間長度(典型值為50 μs至500 μs)。

本方法於實務上不會有磨耗，因此加速訊號之重現性及校正之結果均據此而獲得改善。

此外，與傳統校正裝置相比，本校正裝置之優良特性，可讓校正流程簡單被自動化，且讓操作方式具有能量效率。

1‧‧‧霍普金森桿

2‧‧‧電機機械式促動器

3‧‧‧平衡質塊

4‧‧‧待校正感應器

5‧‧‧控制管

6‧‧‧控制及調制電路

7‧‧‧控制管

8‧‧‧參考感應器

9‧‧‧耦合質塊

下文中，本發明將根據二應用實施例進一步加以說明。圖中所示為：

圖一 以雷射振動儀作為參考感應器之校正裝置

圖二 以力感應器作為參考感應器之校正裝置

圖一所示為一用以校正加速感應器之裝置。該裝置係由一霍普金森桿1所構成，該桿構造為圓柱狀金屬長桿，長度為2公尺，直徑為20毫米。左方桿頭設有一與霍普金森桿1緊密結合之壓電式促動器2。一直徑為50毫米、長度為30毫米之圓柱狀金屬平衡質塊3則黏貼於促動器2上。待校正之感應器4安裝於長桿右方末端。參考感應器8則採用雷射。控制及調制電路則經由一控制管7控制壓電式促動器2。

圖二所示為一用以校正力感應器之裝置。該裝置係由一霍普金森桿1所構成，該桿構造通常為圓柱狀金屬長桿，長度為2公尺，直徑為20毫米。左方桿頭設有一與霍普金森桿1緊密結合之壓電式促動器2。一直徑為50毫米、長度為30毫米之圓柱狀金屬平衡質塊3則黏貼於促動器2上，且完全密合。待校正之感應器4、參考感應器8及耦合質塊9安裝於長桿右方末端。控制及調制電路6，則經由一控制管7控制壓電式促動器2。

待校正之感應器4及參考感應器8之訊號由控制管5被輸入至控制及調制電路6。利用特定之電子訊號控制壓電式促動器2，即可於該長桿內產生特定之機械波。經由機械波於長桿右方末端之反射，即可產生特定之加速-時間訊號或力-時間訊號。

經由壓電式促動器2上之電子控制訊號之變化可精準改變長桿右方末端之訊號。本發明不僅可改變訊號之形狀(諧振訊號、脈波形狀之訊號)、訊號振幅(典型值為20 m/s²至100,000 m/s²)，亦可改變該訊號之脈波時間長度(典型值為50 μs至500 μs)。

為於長桿末端產生一特定之期望訊號，可使用參考感應器上之實際訊號與期望訊號做比較。利用適當之數學方法即可計算出 促動器所需之前置控制訊號，以便於長桿末端產生該期望訊號。如此即可產生校正訊號，該訊號係於各個待校正之感應器上測得。

若要於長桿右方末端得到一特別高之訊號振幅，可利用該長桿之連續特性達成。

其中一方式可利用諧振訊號於長桿上激發出縱向特徵頻率。如此即可於輸入最小之電功率下，於長桿末端得到一特別高之訊號振幅。

另一方式可利用相同之訊號以週期性之方式控制促動器。當控制之週期與機械波於長桿上之運行時間相等時，原先之機械波與各個重新產生之機械波會疊合在一起。透過波之疊合，同樣亦可於有限之電功率輸入下，於長桿末端得到一特別高之訊號振幅。

1‧‧‧霍普金森桿

2‧‧‧電機機械式促動器

3‧‧‧平衡質塊

4‧‧‧待校正感應器

5‧‧‧控制管

6‧‧‧控制及調制電路

7‧‧‧控制管

8‧‧‧參考感應器

9‧‧‧耦合質塊

Claims (5)

1. 一種利用霍普金森桿校正加速感應器及力感應器之方法，該霍普金森桿設有一參考感應器及一安裝於霍普金森桿之一末端上之待校正感應器，而霍普金森桿於該感應器之另一端則設有一電機機械式促動器，用以將電子訊號轉換成機械力，其特徵為，電機機械式促動器可利用一控制及調制電路加以控制，且加速脈波形狀或力脈波形狀之調制可透過參考感應器上之各個測量值達成，該些測量值將傳給控制及調制電路，而該值可用來做為電機機械式促動器之控制訊號之精準前置處理。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中為，霍普金森桿末端之加速振幅或力振幅係經由機械波之疊合而變成最大。
3. 一種用以執行申請專利範圍第1項所述方法之裝置，其係於一霍普金森桿(1)上設置一參考感應器(8)，於霍普金森桿(1)之一末端設置待校正之感應器(4)，及於霍普金森桿(1)之一末端設置一電機機械式促動器(2)，其特徵為，該電機機械式促動器(2)係經由一控制管(7)與控制及調制電路(6)相連，而於電機機械式促動器(2)相對於霍普金森桿(1)之另一面，設有一平衡質塊(3)，及一控制管(5)係由參考感應器(8)連至控制及調制電路(6)。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之裝置，其中為，電機機械式促動器(2)係為壓電式促動器。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之裝置，其中為，電機機械式促動器(2)係為磁變式促動器。