CN208109253U - 基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置，包括感应线圈、分压单元及信号修正单元，感应线圈缠绕于振动台动圈，分压单元与感应线圈并联，分压单元的输出电压输入信号修正单元，信号修正单元的输出信号为反馈控制的输入信号。本实用新型结构简单、操作方便、降低成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置。
技术背景
电磁振动台具有频率范围宽、可控性好、输出波形精度高等优点，广泛地应用于产品的模拟振动环境试验、测振传感器校准等重要领域。通常情况下，为改善电磁振动台在低频情况下输出波形的精度(降低失真度)，需构建闭环控制***，闭环控制的前提是检测得到电磁振动台的输出振动信号，并将此信号作为反馈信号反馈到振动台的原始驱动***，以求得的偏差信号驱动振动台运动，从而实现对振动台输出振动波形精度的反馈控制。一般情况下，闭环控制***采用测振传感器(位移、速度以及加速度传感器)检测振动台的输出振动信号。然而，常规低频测振传感器价格昂贵、体积大、安装过程复杂，这些特点限制了它们在低频电磁振动台控制***中的应用。
目前有一种低频电磁振动台相对运动量的提取装置，并基于该装置提取的振动台运动量构建了反馈控制***，该相对运动量提取装置包括纯电阻，第一减法器和第一比例放大器；纯电阻与振动台的驱动线圈串联连接，纯电阻与驱动线圈的总压降作为被减数输入所述的第一减法器中；纯电阻两端的压降经所述的第一比例放大器放大K1倍后作为减数输入所述的第一减法器中，其中，，R是振动台驱动线圈的等效直流电阻，R1是纯电阻的阻值；第一减法器的输出信号即表征振动台的相对运动速度。
上述专利的缺点在于：
1、振动台的驱动线圈等效直流电阻R无法准确测量，为获得第一比例放大器的放大倍数K1，须经过较为复杂的参数调整过程，从而增加了***的使用难度。
2、该装置通过与振动台驱动线圈串接纯电阻，并构建模拟电路网络提取振动台的振动速度信号，热损耗较大且***较为复杂。
实用新型内容
为克服构建低频电磁振动台反馈控制***时，现有输出振动信号检测技术存在的成本高、热损耗大或***操作复杂等缺点，本实用新型提供了一种结构简单、操作方便的基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置。
本实用新型采用的技术方案是：
基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置，其特征在于：包括感应线圈、分压单元及信号修正单元，感应线圈缠绕于振动台动圈，分压单元与感应线圈并联，分压单元的输出电压经信号修正单元补偿频率响应后作为反馈控制的输入信号。
当振动台动圈上的驱动线圈通电时，振动台动圈输出振动信号，感应线圈两端产生感应电压。根据电磁感应定律，当感应线圈所在气隙磁场的磁感应强度保持不变的情况下，输出感应电压应该和振动速度成正比，然而由于感应线圈和驱动线圈之间存在互感现象，使得感应电压产生幅值变化和相移。信号修正单元将幅值变化和相移补偿后，使电压与速度成正比，将修正后的信号作为反馈控制的输入信号，提高反馈控制的精度。
进一步，所述感应线圈的直径远远小于驱动线圈的直径。从而增加了感应线圈的匝数及总长度，提高了感应线圈产生的感应电压的信噪比。
进一步，分压单元的输入阻抗接近无穷大。分压电阻接近无穷大，避免感应线圈内出现寄生电流，使驱动线圈内不耦合寄生电流，从而使流过感应线圈的感应电流尽可能接近0，避免了感应线圈的引入对驱动线圈中电流的干扰。
进一步，所述感应线圈与驱动线圈共同缠绕于振动台动圈的同一绕线槽，驱动线圈在内，感应线圈在外。
或者，振动台动圈上具有感应线圈绕线槽和驱动线圈绕线槽，感应线圈缠绕于感应线圈绕线槽内，驱动线圈缠绕于驱动线圈绕线槽。
本实用新型的工作原理为：
通常情况下，电磁振动台由磁路结构、支撑悬浮结构及动圈等组成，当向动圈上的驱动线圈施加正弦输入电压并在其中产生正弦电流时，在振动台磁路结构产生的均匀气隙磁场中，由于安培力的作用，振动台运动部件将产生正弦振动。本实用新型通过在振动台运动部件所在均匀磁场区域部分缠绕感应线圈检测振动台输出振动速度。为提高感应线圈产生感应电压的灵敏度，并考虑到振动台运动部件尺寸的限制，感应线圈的线径设计为远远小于驱动线圈的线径，从而增加了感应线圈的匝数及总长度。同时，由于感应线圈与驱动线圈之间存在互感现象，这导致感应线圈输出的电压并不能直接代表线圈的速度信号，需要通过信号修正单元对感应线圈输出电压的幅值和相位进行修正，以使感应线圈两端产生的感应电压与振动台运动部件输出的振动速度成正比，通过检测修正后的感应电压即可实现对振动台输出振动速度的检测。
此外，本实用新型设计了分压单元，用于将感应电压按比例调整为适用于后续信号修正单元可处理的信号幅值大小。所述的分压单元具有远远大于感应线圈阻抗的输入阻抗，从而使感应线圈中产生较小的感应电流，以避免该感应电流对驱动线圈中电流的影响，进而导致对振动台运动部件输出振动的干扰。
本实用新型提出的低频电磁振动台振动速度检测装置不使用昂贵的速度传感器检测速度，从而降低了成本；也不用与振动台驱动线圈串接纯电阻的方法得到速度的复杂电路***，避免了对***参数的复杂调整过程，进一步简化了***结构及振动速度的检测难度。
本实用新型的有益效果是：结构简单、操作方便、降低成本。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的感应线圈与驱动线圈同槽安装图。
图3为本实用新型的驱动线圈的电模型与机械模型的转化示意图。
图4为本实用新型的驱动线圈与感应线圈与并排安装图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本实用新型进行进一步说明，但并不将本实用新型局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本实用新型涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例一
参见图1、图2，基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置，包括感应线圈12、分压单元以及信号修正单元。所述感应线圈12与驱动线圈11共同缠绕于振动台运动部件1的同一绕线槽内，以使其处于均匀气隙磁场中，分压单元与感应线圈12并联，当振动台运动部件1输出振动信号时，感应线圈12两端产生感应电压，该感应电压经分压单元后，连接于后面的信号修正单元，经其中基于感应线圈逆模型的修正单元处理后，产生与振动台运动部件1的振动速度成正比的电压信号，从而实现对运动部件输出振动速度的检测。
本实用新型的工作原理为：
通常情况下，电磁振动台由磁路结构、支撑悬浮结构及运动部件等组成，当向缠绕于振动台运动部件1上的驱动线圈11施加正弦输入电压并产生正弦电流时，在振动台磁路结构产生的均匀气隙磁场的中，由于安培力的作用，振动台运动部件1产生正弦振动。本实用新型通过在振动台运动部件1处于均匀磁场区域部分上缠绕感应线圈12检测振动台输出振动速度。为提高感应线圈12产生的感应电压的信噪比，并考虑到振动台运动部件1尺寸的限制，感应线圈12的直径设计为远远小于驱动线圈11的直径，从而增加了感应线圈12的匝数及总长度，提高了感应线圈提取速度信号的灵敏度。进一步，感应线圈12两端的感应电压经过基于感应线圈逆模型的信号修正单元处理后与振动台运动部件1输出的振动速度成正比，通过检测信号修正单元输出的电压即可实现对振动台输出振动速度的检测。
此外，本实用新型设计了分压单元，用于将感应电压按比例调整为适用于后续信号修正单元可处理的信号幅值大小。所述的分压单元具有极大的输入阻抗，从而使流过感应线圈12的感应电流接近于0，避免了感应线圈12的引入对振动台运动部件输出振动的干扰。
本实用新型的检测原理如下：
对于常规低频电磁振动台，驱动线圈11(线圈长度为ld)可以简化为电阻Rd与电感Ld串联结构。当向驱动线圈11两端施加正弦输入电压ui，驱动线圈11上产生正弦电流id，在振动台磁路结构产生的均匀气隙磁场(磁感应强度为B)的作用下，驱动线圈11受到正弦安培力的作用产生正弦振动。由于驱动线圈11与振动台运动部件1固定安装，所以振动台运动部件1输出振动信号。考虑到电磁振动台是典型的机电耦合***，当振动台运动部件1输出振动时，驱动线圈11产生与振动速度(x为振动台运动部件的位移，为x的一阶导数)成正比的感应电动势
同理，感应线圈12(长度为ls)也可以简化为电阻Rs与电感Ls串联结构，考虑到感应线圈12与驱动线圈11同轴安装，当振动台运动部件1输出振动时，感应线圈12也产生与振动速度成正比的感应电动势
本实施例分压单元用于提取感应线圈12两端产生的感应电压，并将此电压信号按比例调整为适用于后续信号修正单元可处理的信号幅值大小，方便后续信号处理电路的构建。
根据稳态磁路耦合原理，可以假设感应线圈12与驱动线圈11通过互感M相互耦合。进一步，振动台运动部件1的振动过程可以简化为质量-弹簧-阻尼***单自由度振动，m、k、c分别为等效质量、等效刚度及等效阻尼，如图3所示，得到整体的机电耦合关系为
式中，us为感应线圈12两端产生的感应电压，is为流过感应线圈12的感应电流，t为某一时间瞬时，和分别为x的一阶导数和二阶导数。
所述的分压单元的阻抗接近无穷大，从而使流过感应线圈12的感应电流is的幅值尽可能接近0，可以认为is≈0，进一步，当振动频率f较低时，有dis/dt＝2πfis≈0，式(1)可以进一步简化为
基于(2)中第1和第3式可以计算得到振动台输入电压ui与输出振动速度之间的传递函数Gvi为
式中，X(s)、Ui(s)分别为x、ui的拉普拉斯变换。
此外，基于式(2)还可以求得输入电压ui与感应电压us之间的传递函数为
式中，Us(s)为us的拉普拉斯变换。比较式(3)与式(4)可得
令
为信号修正单元的传递函数，则根据(5)式可由感应线圈输出电压得到振动台输出速度信号。又由式(6)可见，该信号修正单元为一个二阶***，容易通过模拟电路或者数字信号处理单元实现。
本实用新型提出的低频电磁振动台振动速度检测装置不用与振动台驱动线圈串接纯电阻及构建复杂电路***，避免了对***参数的复杂调整过程，进一步简化了***结构及振动速度的检测难度。与此同时，本实用新型还降低了***的构建成本。
实施例二
参见图4，本实施例与实施例一的区别在于：所述的感应线圈12与驱动线圈11同轴安装，感应线圈12与驱动线圈11并排缠绕在振动台运动部件1的不同绕线槽内，但均处于均匀气隙磁场之中，并保证感应线圈12与驱动线圈11同轴，其余结构及原理与实施例一相同。
Claims (4)
1.基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置，其特征在于：包括感应线圈、分压单元及信号修正单元，感应线圈缠绕于振动台动圈，分压单元与感应线圈并联，分压单元的输出电压经信号修正单元补偿频率响应后作为反馈控制的输入信号。
2.根据权利要求1所述的基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置，其特征在于，所述感应线圈的直径远远小于驱动线圈的直径。
3.根据权利要求2所述的基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置，其特征在于，分压单元的输入阻抗接近无穷大。
4.根据权利要求3所述的基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置，其特征在于，所述感应线圈与驱动线圈共同缠绕于振动台动圈的同一绕线槽，驱动线圈在内，感应线圈在外，或者，振动台动圈上具有感应线圈绕线槽和驱动线圈绕线槽，感应线圈缠绕于感应线圈绕线槽内，驱动线圈缠绕于驱动线圈绕线槽。
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| CN201820106319.6U CN208109253U (zh) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置 |
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Cited By (2)
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| CN108344494A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-07-31 | 浙江大学 | 基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置 |
| CN108344494B (zh) * | 2018-01-22 | 2024-07-30 | 浙江大学 | 基于感应线圈的低频电磁振动台运动速度检测装置 |
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