TWI592643B - Vibration exciter with load compensation - Google Patents

Description

具負荷補償之振動激勵器

本發明涉及一種具負荷補償之振動激勵器，其作用是對試體施以動態激勵，此種振動激勵器具有一個基座、一個動作器、一個電樞，其中電樞能夠經由動作器在一個激勵方向上相對於基座移動，並被一個線性導引器平行於激勵方向導引、以及一個氣動負荷補償器，其中氣動負荷補償器至少能夠補償電樞(較佳是還包括要激勵的試體)之重力。

振動激勵器(亦稱為搖動器)是一種安裝在研究試體之動力特性用的振動試驗裝置中的元件。振動激勵器主要是應用於材料試驗，其中試體可以是單一構件，也可以是由多個構件組成的整個組件。作法是以一個特定的試驗信號激勵試體，同時利用適當的測量裝置測定試體的位置及/或移動狀態。除了電阻應變片外，這種測量裝置還可以包括振動檢測器、測定位置用的傳感器、或測定移動狀態的傳感器。從所獲得的測量值可以推論出試體的力學特性，例如疲勞特性。

另一種已知的振動激勵器是其本身的測量裝置(例如振動檢測器)可用於研究振動過程，尤其是用於校正，例如ISO 16063提出的振動激勵器。可以按測量範圍、構造尺寸等不同特徵將已知的振動檢測器區分成許多種 不同的振動檢測器。除了應用於加速度最高達100萬g(1g=地球平均重力加速度=9.81m/s²)的很小及很輕的振動檢測器外，也有很大及很重的振動檢測器，例如應用於地震測定儀的振動檢測器。

地震測定儀的作用是測定地震造成的地面振動及其他地震波。地震測定儀具有一個以可振動的方式支承在彈簧上的重物，並測量這個重物的機械振動。為了測定地面振動的方向，已知之地震測定儀具有最多3個這種彈簧-重物系統。地震過程中出現的機械振動通常很小，能夠被測得的最小加速度僅相當於地球平均重力加速度g的數百萬分之一的若干倍。頻率範圍在50Hz至1小時僅有一個振動之間。因此這個地震測量所需的重物的質量(地需質量)非常大，也就是大於10kg或更大。

由於所出現的機械振動很小，因此要校正這麼大的振動檢測器(也就是帶有很大的地震質量的振動檢測器)，對於振動試驗裝置(尤其是振動激勵器)的力學邊界條件有非常高的要求。振動激勵器必須能夠生高品質且受干擾程度極低的正弦形激勵信號，這種激勵信號的特徵是透過盡可能精確保持的振幅達到一個很小(<5%)的非線性失真因數(代表激勵信號的失程度)，以及一個連續的信號變化曲線。

為了校正具有水平之變形振動激勵的振動檢測器進行校正，一種已知的方法是使用空氣軸承支承，以降低摩擦力。相較於傳統的軸承支承，例如滑動軸承支 承、滾珠軸承支承、或彈簧軸承支承，使用空空氣軸承支承可以達到特別高的精密度及精確的移動動力學。空氣軸承支承的基本構想是使受支承物體在一個空氣膜上振動，在這種情況下，除了空氣膜內部極小的流動摩擦及空氣膜之表面與鄰接面之間的流動摩擦外，受支承的物體可說是以無摩擦的方式移動。因此使用空氣軸承支承可以使物體實現摩擦力極小的移動。原則上線性空氣軸承及旋轉空氣軸承均屬於先前技術，另外也可以將該等空氣軸承區分為靜力空氣軸承及動力空氣軸承。空氣軸承的幾何形狀非常多樣。例如圓柱形、矩形、平面形、或其他特殊的形狀。

在校正具有垂直之變形振動激勵的振動檢測器進行校正時，產生振動激勵所需的力被地球重力場中振動檢測器的靜態重力重疊。為了在兩個激勵方向(其中一個與振動檢測器的重力同向，另一個則是反向)上都有相同大小的力可供振動激勵之用，一種已知的方法是補償重力。有許多不同的方法可以達到這個目的，其中所有方法的一個共同點是，另外施加一個與要激勵之試體(例如振動檢測器)的重力相反方向的靜力。實現這個負荷補償所需的力可以是電動力、液壓力、氣動力、或是彈簧力。

Spektra Schwingungstechnik und Akutik GmbH公司的CS18 VLF校正裝置是用於校正在水平及垂直方向各具有一個振動激勵器的加速度計。振動激勵器具有一個作為線性驅動器的動作器，其被安裝在激勵裝置中，以對 質量進行動態激勵。校正裝置的可移動部件，也就是一個可線性移動的滑架(亦稱為電樞)，是經由一個線性空氣軸承與校正裝置的固定部件(一個基座)連接。為了校正在垂直激動方向的振動檢測器，校正裝置具有一個電動零層調節器，其作用是補償滑架及振動檢測器產生的重力。由於前面提及的線性驅動器的一部分驅動能量被應用於此，因此可供振動激勵之用的力並不能全部被用來抵抗重力。

另一類已知的負荷補償是利用機械彈簧力補償要激勵之試體的重力。使用鋼彈簧的基本缺點是鋼彈簧具有規定的強度上限、具有撓性、以及可能引起共振。使用彈性體彈簧的缺點是其非線性特性必須獲得補償，才能產生幾乎沒有失真的激勵信號。

以上提及的彈簧的另一個缺點是會造成激勵信號的不連續性，原因是這些彈簧的外部及內部均存在摩擦力，例如這些摩擦力會產生黏滑效應。

另一類已知的負荷補償具有一種形成過壓的壓縮介質。

其中一種是利用液壓缸進行負荷補償，例如用於研究整輛汽車的振動特性。壓縮的介質(在本例中是液壓液)被保留在一個封閉的系統中，其中若干部件(在本例中是液壓缸的活塞桿)從這個封閉的系統向外伸出，因此必須裝設密封，例如軸密封環。這些密封的一個缺點是會被磨損，另一個缺點是由於擦的關係，會導致要產生的激勵信號出現不連續性。

另一種已知的方式是利用裝在橡膠風箱中的壓縮空氣進行負荷補償。Tira GmbH公司生產的一種振動檢驗裝置就是利用這種裝有壓縮空氣的橡膠風箱實現負荷補償。橡膠風箱被設置在要移動的部件(電樞)的下方，以補償該部件的重力。在橡膠風箱及與其相鄰之振動檢驗裝置的部件之間會產生摩擦，因此會使要產生的激勵信號出現不連續性。

以上提及的所有負荷補償方式都具有一個共同的缺點，那就是摩擦及非線性的特性會產生額外的干擾信號，這會妨礙純正弦形信號變化曲線的產生，而這種正弦形信號變化曲線是校正振動檢測裝置(尤其是大質量(10kg或更大)的振動檢測裝置)所必須的。

本發明的目的是提出一種具負荷補償之振動激勵器，其能夠降低負荷補償中出現的摩擦及其他非線性特性，以產生高品質且受干擾程度極低的正弦形激勵信號，同時不論是振動路或產生振動激勵所需的力都能夠在兩個激勵方向(與重力反向及同向的方向)獨立且不受限制的供重力的負荷補償之用。

為達到上述目的，本發明提出之具負荷補償的振動激勵器的特徵為線性導引器具有一個空氣軸承，同時氣動負荷補償器包含線性導引器。

本發明提出的低摩擦且具負荷補償的振動激勵器能夠產生高品質且受干擾程度極低的正弦形激勵信 號，這是非常有利的，例如在垂直方向上校正很重的振動檢測裝置時能夠達到更高的校正精度。

另一個優點是動作器的驅動能量不會被用於負荷補償。因此動作器的驅動能量可以被用來以對稱方式在激勵方向上引入激勵力。這對於使物體產生正弦形激勵是非常有利的。由於激勵力振幅與振動幅度的存在相關性，也就是說對相同的振動幅度而言，不論重力的方向，都需要相同的驅動力振幅，因此能夠生高品質的正弦形激勵信號，這對於提高校正的精確度有很大的幫助。

本發明提出的低摩擦且具負荷補償的振動激勵器的另一個優點是具有緊密的結構。這是因為氣動負荷補償器包含線性導引器的關係。換句話說，如果負荷補償器是由多個單一元件構成的組件組成，則線性導引器也是由相同數量的單一元件構成。換成另一種說法就是，氣動負荷補償器及線性導引器共同擁有前句提及之組件的特定的單一構件。

附屬申請專利項目之內容為本發明之各種有利的實施方式。

根據第一種實施方式，負荷補償器具有一個氣動缸，其中氣動缸的活塞桿及/或活塞分別被一個空氣軸承線性導引。在這種情況下，線性導引器及負荷補償器共同擁有的活塞桿及/或活塞是作為前面提及之組件的一個共同構件。如果氣動缸的外殼與基座及可移動的活塞連接(或是活塞桿與可移動的電樞連接)，而且活塞及/或活 塞桿被一個空氣軸承導引，則能夠以低摩擦的方式對電樞的重力(必要時亦包括固定在電樞上的物體的重力)實現負荷補償。因此可以降低電樞被動作器激勵時，非線性摩擦造成的效應。

根據另一種實施方式，負荷補償器具有的氣動缸的數量n>1，其中氣動缸的活塞桿及/或活塞分別被一個空氣軸承線性導引。由於具有n個氣動缸，因此這些用於補償一特定重力的氣動缸的尺寸可以小於僅有一個尺寸較大之氣動缸的尺寸。因此這種實施方式可以使本發明的振動激勵器的結構變得更加緊密。

如果負荷補償器具有的氣動缸的數量n>1，還可以進一步使這n>1個氣動缸以彼此間隔相同的中心角α=360°/n的方式環繞動作器設置。前句之中心角亦可稱為中央角。這種配置方式可以達到非常對稱的重力補償，以降低其他干擾，例如轉矩造成的干擾。經試驗證明，一種特別有利的方式是n=3。在這種情況下，中心角α=120°。

根據本發明可，當然也可以將氣動缸配置成其他的形狀的圖案，例如配置成正方形或長方形，在這種情況下，可以將動作器設置在正方形或長方形圖案之對角線的交點。另一種可能的方式是使氣動缸帶有圓形的活塞面。在這種情況下，可以將動作器設置在與氣動缸同心的位置，因為此時氣動缸是環繞動作器設置。這樣在激勵方向上，動作器及氣動缸都可以與電樞產生交互作用。

根據一種有利的實施方式，動作器具有至少一個線性驅動器。這個線性驅動器可以是一個以電動力學的作用原理運轉的線性馬達，也可以是一個以壓電學、靜力學、電磁學、磁致伸縮熱電學、氣動學、或液壓學的作用原理運轉的線性動作器。這種實施方式的優點是，動作器的運轉產生的摩擦非常小，因此也可以降低非線性特性造成的干擾。

根據另一種實施方式，電樞是經由一個復位器與基座連接，其中復位器的力的作用方向與負荷補償器的力的作用方向彼此相反。

為了防止振動激勵器發生功能缺陷或過載，可以設置一個電樞位移限制器。例如以一個機械式的止檔作為電樞位移限制器，其作用是限制電樞在激勵方向上的最大可能位移。

為了偵測電樞的“定位”及“移動狀態”中的至少一個值，可以另外設置一或多個偵測電樞的定位及/或移動狀態的測量器，而且該等測量器的作用原理可以是不同的，其中該等測量器係配屬於振動激勵器。一種特別有利的方式是使用無接觸式的測量器，例如雷射測震器，這樣做可以排除測量器對振動激勵的反作用，以達到降低干擾的目的。以雷射測震器作為測量器還可以透過對速度信號的微分或積分運算求出加速度、速度及移動量。

1‧‧‧基座

2‧‧‧電樞

3‧‧‧動作器

4‧‧‧激勵方向

5‧‧‧線性導引器

6‧‧‧負荷補償器

7‧‧‧重力

8‧‧‧空氣軸承

9‧‧‧氣動缸

91‧‧‧活塞

92‧‧‧活塞桿

10‧‧‧壓縮空氣

11‧‧‧線性驅動器

12‧‧‧補償力

13‧‧‧測量器

14‧‧‧雷射測震器

15‧‧‧試體

α‧‧‧中心角

以下將配合圖式及有利的實施例對本發明 的內容做進一步的說明。其中：第1圖：以示意方式繪出本發明的具負荷補償的振動激勵器的一個非按照比例尺繪製的側視圖。

第2圖：以示意方式繪出本發明的具負荷補償的振動激勵器的一種有利的實施方式的一個非按照比例尺繪製的俯視圖，其中振動激勵器具有3個氣動缸。

從第1圖中以示意方式繪出本發明的具負荷補償的振動激勵器的一個非按照比例尺繪製的側視圖可以看出本發明的基本構想。第1圖要呈現的是本發明的振動激勵器的基本構造及各個基本元件之間的協同作用。

第1圖中的具負荷補償之振動激勵器具有一個能夠固定在一個未在圖式中繪出的結構上的基座1，以及一個能夠在激勵方向4上相對於基座1移動的電樞2。本發明的振動激勵器非常適於對試體進行低摩擦的動態垂直激勵。電樞2很適於接收試體15，以便對其進行試驗或校正。因此本發明的振動激勵器的作用並不僅限於校正振動檢測器。例如也可以利用本發明的振動激勵器進行使用壽命試驗。

為了對試體15進行動態激勵，基座1經由一個動作器3與電樞2共同作用。根據一種有利的實施方式，振動激勵器具有一個線性驅動器11。例如線性驅動器11可以是一個具有活動線圈的電動力驅動器。動作器3使電樞2及試體15能夠在激勵方向4上進行與地球重 力場同方向及反方向的移動。此外，動作器3還可以激勵電樞2及試體15產生任意的移動形式，例如和諧的正弦激勵、隨機的噪音激勵、跳躍式的振動激勵。電樞2在激勵方向4上隨時間變化的位置稱為激動信號。

為了補償電樞2的重力7(如果電樞2有承載試體15，則亦包括補償試體15的重力7)，因此設有一個氣動的負荷補償器6。根據一種有利的實施方式，負荷補償器6是一個氣動缸9。氣動缸9的外殼固定在基座1上。因此可以減輕需要移動的質量及需要補的重力7。氣動缸9的活塞桿92與電樞共同作用，因此氣動缸9的活塞91的補償力12可轉用於補償作用在電樞2上的重力7。可以透過壓縮空氣10的壓力控制補償力12。為簡化圖面起見，第1圖並未出壓縮空氣產生器及控制器。負荷補償器6使利用動作器3在激勵方向4上激勵電樞2及試體15所需的激勵力，不論是與地球重力場相同方向或反方向都是一樣大的。此外，還能夠達到電樞2在激勵方向4上的相同的最大移動量，也就是最大振動位移。根據一種實施方式，可以透過一個未在圖式中繪出的電樞位移限制器限制最大振動位移，以保護振動激勵器不致於損壞。

為了平行於激勵方向4導引電樞2，振動激勵器具有一個線性導引器5。

根據本發明，線性導引器5具有一個空氣軸承8，因此能夠產生高品質且受干擾程度極低的正弦形激勵信號。受干擾程度極低的激勵信號的特徵是能夠盡可能 精確保持要產生的振幅、非線性失真因數很小(<5%)、以及信號變化曲線是連續的。使用空氣軸承8可以避免前面提及的黏滑效應，因此能夠更好的保持電樞2的振幅。

此外，由於負荷補償器6包含線性導引器5，因此可以實現結構非常緊密的負荷補償振動激勵器。根據一種非常有利的實施方式，空氣軸承8可用於支承氣動缸9的活塞桿92。根據另一種實施方式，可以利用另一個空氣軸承8將氣動缸9的活塞91支承在氣動缸9的汽缸中。空氣軸承8是從一個未在圖式中繪出的壓縮空氣產生器(包括相關的控制器)獲得壓縮空氣10的供應。氣動缸9及空氣軸承8可以使用同一個壓縮空氣產生器，其中透過一個未在圖式中繪出的閥門進行控制，可以對氣動缸9及空氣軸承8分別供應壓縮空氣，而且也可以分別供應不同壓力的壓縮空氣。一部分供應給空氣軸承8的壓縮空氣10是用對抗補償力12。

根據一種實施方式，為了偵測激勵信號，也就是電樞2的位置及/或移動狀態，振動激勵具還具有一個測量器13。根據一種特別有利的實施方式，測量器13是一個雷射測震器14。不過測量器13也可以是一個加速度傳感器、速度傳感器(電動力學原理)、位移傳感器(感應、電容、磁致伸縮、雷射三角測量、干涉、成像)、或是其他的傳感器。此外，測量器13也可以是由多個按不同作用原理運轉的測量器所組成。雷射測震器14能夠以無接觸及不會回授到振動激勵器的方式測得激勵信號。測 量器13能夠與一個未在圖式中繪出的計算裝置連接。如果在試體上安裝一個加速度傳感器，則其測量信號亦可以被送到這個未在圖式中繪出的計算裝置接受處理。

雖然第1圖僅顯示一個動作器3、一個線性導引器5、以及一個負荷補償器6，但本發明的範圍亦包括具有多個動作器3、多個線性導引器5、以及多個負荷補償器6的實施方式。

第2圖以示意方式顯示本發明的負荷補償振動激勵器的一種有利的實施方式的一個非按照比例尺繪製的俯視圖，但是第2圖並未顯示整個振動激勵器，而是僅繪出基本的組成部分，目的是為了清楚呈現動作器3、線性導引器5、以及負荷補償器6彼此的配置狀況。

第2圖顯示基座1、其中3個帶有線性導引器5的負荷補償器6、以及一個設置在基座1上的動作器3。負荷補償器6是氣動缸9，線性導引器5是空氣軸承8。從第2圖可以看出，一種很有利的方式是，氣動缸9是以圓形方式環繞動作器3配置，其中作為動作器的線性驅動器11是一個具有活動線圈的電動力驅動器。3個中心角α都是一樣大的角度，也就是α=120°。氣動缸9到動作器3的徑向距離使振動激勵器具有非常緊密的結構。

如前面所述，原則上動作器3、線性導引器5、以及負荷補償器6也可以採用不同於前面描述的配置方式。

1‧‧‧基座

2‧‧‧電樞

3‧‧‧動作器

4‧‧‧激勵方向

5‧‧‧線性導引器

6‧‧‧負荷補償器

7‧‧‧重力

8‧‧‧空氣軸承

9‧‧‧氣動缸

91‧‧‧活塞

92‧‧‧活塞桿

10‧‧‧壓縮空氣

11‧‧‧線性驅動器

12‧‧‧補償力

13‧‧‧測量器

14‧‧‧雷射測震器

15‧‧‧試體

Claims (9)

1. 一種具負荷補償之振動激勵器，其作用是對試體施以動態激勵，此種振動激勵器具有一個基座，一個動作器，一個電樞，其能夠經由動作器在一個激勵方向上相對於基座移動，並被一個線性導引器平行於激勵方向導引，一個至少能夠補償電樞之重力的氣動負荷補償器，其特徵為：線性導引器具有一個空氣軸承，同時氣動負荷補償器包含線性導引器。
2. 如申請專利範圍第1項的振動激勵器，其中負荷補償器具有一個氣動缸，氣動缸的活塞桿及/或活塞分別被一個空氣軸承線性導引。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項的振動激勵器，其中負荷補償器具有的氣動缸的數量n>1，氣動缸的活塞桿及/或活塞分別被一個空氣軸承線性導引。
4. 如申請專利範圍第3項的振動激勵器，其中這n>1個氣動缸以彼此間隔相同的中心角α=360°/n的方式環繞動作器設置。
5. 如申請專利範圍第1項的振動激勵器，其中動作器具有至少一個線性驅動器。
6. 如申請專利範圍第5項的振動激勵器，其中線 性驅動器是一個以電動力學的作用原理運轉的線性馬達，或是一個以壓電學、靜力學、電磁學、磁致伸縮熱電學、氣動學、或液壓學的作用原理運轉的線性動作器。
7. 如申請專利範圍第1項的振動激勵器，其中電樞經由一個復位器與基座連接，其中復位器的力的作用方向與負荷補償器的力的作用方向彼此相反。
8. 如申請專利範圍第1項的振動激勵器，其中設有一個電樞位移限制器。
9. 如申請專利範圍第1項的振動激勵器，其中設有一個偵測電樞的定位及/或移動狀態的測量器。