专利名称：小幅直线运动的位移测量方法及其位移测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于高频率小幅度的往复直线运动的位移测量技术领域，具体的涉 及一种用于力学环境实验设备一振动试验台在工作振动时的小幅直线运动的位 移测量方法以及该小幅直线运动的位移测量装置。
背景技术：
振动试验台是提供围绕平衡位置或平均位置等进行的一种往复运动的设 备，其往复直线运动的幅度范围很小，最大只有数厘米。目前所使用的测量其_ 驱动线圈进行直线运动位移的方式有两种， 一种是通过线性位移传感器直接测 量获得，例如采用光栅位移传感器、线性电阻尺、电涡流位移传感器、激光位 移传感器、超声波位移传感器等位移测量装置。如图1，目前最常用的位移测量装置是通过一个楔型结构将往复的直线位移转换为距离信号进行测量，在驱动线圈l上固定设置一楔型结构3，在振动试验 台的磁缸座2上对应设置一电涡流位移传感器4，在驱动线圈1发生往复位移的 振动时，电涡流位移传感器4可以测定楔型结构3的斜面距离变化，从而得到 驱动线圈的对应直线位移数值。该测量方式存在成本较高、测量结果不稳定的 问题，电涡流位移传感器很容易受到温度、电磁场等外部环境的干扰。并且， 由于驱动线圈和磁缸座之间的间隙有限，楔型结构的斜面角度变化较小，调节 非常困难，同时当驱动线圈一旦因为维护或修理进行拆卸后，必须重新对整个 位移测量装置的电路进行调整，使用非常不便。再者，楔型结构安装在驱动线 圈上， 一方面会增加驱动线圈的质量，另一方面人为的导致驱动线圈的不对称 结构，从而影响和降低振动试验台的整体性能。利用旋转编码器将直线运动转换为曲线旋转运动，并根据测定的旋转角度 来测量位移是一种非常成熟的技术，其测量设备的精度高，检测方法比较简单， 一般通过在待测量装置上加装一个将直线运动转换为旋转运动的装置，就可以 采用旋转编码器进行测量，旋转编码器和上述方法已经应用于多种机械运动的直线位移的测量。但是对于振动台的驱动线圈的往复位移测量，不允许在驱动 线圈上加装或者连接运动转换装置，这是因为驱动线圈作为振动台的振动输出 组件，最理想的状态是接近于零的自身重量，并且不要连接任何影响振动重心 对称和高频振动组件。如果将旋转编码器通过转换装置直接连接到驱动线圈上， 将无法得到精确的测量值，另一方面，该连接直接影响驱动线圈的振动输出稳 定性和输出效能，既不能满足振动试验需要，更不能得到精确的位移测量值。发明内容本发明的目的在于提供一种利用驱动线圈固有的悬挂支撑机构，无需在驱 动线圈上加装任何装置，能将驱动线圈的往复直线位移转换成往复旋转运动进 行测量并输出数字信号结果的小幅直线运动的位移测量方法。该方法在提高测 量稳定性的同时，利用了驱动线圈所固有的部件，可以根据不同的要求改变测 量的精度，成本低、可靠性高，特别容易实现数字控制。本发明的另一目的在于，提供一种利用驱动线圈固有的悬挂支撑机构，无 需在驱动线圈上任何装置就能够对驱动线圈进行精确位移测量的小幅直线运动 的位移测量装置，该装置的结构简单、设计合理，可靠性能高，并可以根据不 同要求改变测量精度。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下一种小幅直线运动的位移测量方法，用于往复运动的驱动线圈的位移测量， 其特征在于所述位移测量方法包括采用固定设置的旋转编码器，将旋转编码器 的转角连接器连接设置驱动线圈的悬挂支撑装置，由驱动线圈位移所导致的该 悬挂支撑装置的位移产生转角连接器的往复旋转运动，旋转编码器检测转角连 接器输入的角度变化值并输出数字信号，得到相应位移值。具体的讲，所述悬挂支撑装置包括一弹性支撑件，弹性支撑件的一端固定 设置，另一端连接驱动线圈，所述转角连接器连接设置悬挂支撑装置的弹性支 撑件。所述悬挂支撑装置包括一通过枢轴连接的旋转件，旋转件的另一端连接设 置驱动线圈，转角连接器连接设置该枢轴或旋转件，由旋转件或者枢轴输出旋 转角度。所述驱动线圈的悬挂支撑装置为摇臂悬挂机构，所述摇臂悬挂机构包括橡 胶扭簧和摇臂，橡胶扭簧的两端分别连接摇臂，两摇臂分别与驱动线圈和固定体连接，橡胶扭簧上设置与旋转编码器的转角连接器连接的角度输出点。所述驱动线圈的悬挂支撑装置为滚臂悬挂机构，所述滚臂悬挂机构包括一 扇形块，扇形块的扇形角端与固定体枢接，扇形块的弧面上固定有柔性片，柔 性片的另一端与驱动线圈固定，所述扇形块的扇形角端通过一枢轴与固定体连 接，所述枢轴作为与旋转编码器的转角连接器连接的角度输出点。所述驱动线圈的悬挂支撑装置为板簧悬挂机构，所述板簧悬挂机构包括板 簧，板簧的两端分别与固定体和驱动线圈固定，所述板簧上设置与旋转编码器 的转角连接器连接的角度输出点。一种小幅直线运动的位移测量装置，用于往复运动的驱动线圈的位移测量， 其特征在于所述位移测量装置包括旋转编码器和驱动线圈的悬挂支撑装置，旋 转编码器固定设置，驱动线圈的悬挂支撑装置的变形件或旋转件连接设置旋转 编码器的转角连接器，由转角连接器将悬挂支撑装置的变化以旋转角度的形式 输入到旋转编码器。具体的讲，所述驱动线圈的支撑悬挂装置为摇臂悬挂机构，所述摇臂悬挂 机构包括橡胶扭簧和摇臂，橡胶扭簧的两端分别连接摇臂，两摇臂分别与驱动 线圈和固定体连接，橡胶扭簧上设置与旋转编码器的转角连接器连接的角度输 出点，旋转编码器固定设置在磁缸座上，角度输出点设置在橡胶扭簧的中部。所述旋转编码器固定设置在磁缸座上，所述驱动线圈的支撑悬挂装置为滚 臂悬挂机构，所述滚臂悬挂机构包括一扇形块，扇形块的扇形角端与固定体枢 接，扇形块的弧面上固定有柔性片，柔性片的另一端与驱动线圈固定，扇形块 的扇形角端通过一枢轴与固定体连接，所述枢轴与旋转编码器的转角连接器连 接作为角度输出点。所述驱动线圈的支撑悬挂装置为板簧悬挂机构，板簧悬挂机构包括板簧， 板簧的两端分别与固定体和驱动线圈固定，板簧为水平平行设置的复数片，板 簧的一端固定连接驱动线圈，板簧的另一端固定在一支撑架上，所述一板簧的 中部作为角度输出点，旋转编码器的转角连接器与该角度输出点连接。该小幅直线运动的位移测量方法和位移测量装置采用旋转编码器作为测量 元件，包括增量型旋转编码器和绝对值旋转编码器。增量型旋转编码器包括一 个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，由光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、 B、 C、 D，每个正弦波相差90度相位差，将 C、 D信号反向，叠加在A、 B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、 B两相相差90度，可通过比较A相在前还是 B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参 考位。绝对值旋转编码器的转角连接器的转动，提供给增量型旋转编码器一定 数量的脉冲。周期性的测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来测量移动的速 度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代表了转动角度或行程的 参数。绝对值旋转编码器为每一个转角连接器的位置提供一个独一无二的编码 数字值。旋转编码器的转角连接器又称做联轴器，其作为将转动部件的旋转角 度信息传送给旋转编码器的连接器，能够实时和准确的将待测定信息传递给旋 转编码器。由于驱动线圈在振动试验台中必须要通过一固有悬挂支撑装置进行支撑固 定，常用的悬挂支撑装置除了常见的板弹簧支撑、橡胶弹簧支撑外，还有摇臂 悬挂机构、滚臂悬挂机构等具有支撑和悬挂功能的构件。无论采用哪一种悬挂 支撑装置，其共同的特点是悬挂支撑装置的一端连接到驱动线圈上，另一端连 接磁缸座等固定体上，驱动线圈再进行振动时的位移变化必然将导致悬挂支撑 装置的某一弹性支撑件产生一定的弹性形变，或旋转件产生一个角度的变化， 发明人正是在悬挂支持装置上设置转换装置通过对该弹性形变和角度的测量从 而得到了对应驱动线圈的位移数值。这样就能实现不在驱动线圈上加设任何测 量装置就能测量到驱动线圈位移值的目的，最大限度的保证了驱动线圈和振动 试验台的振动输出性能。对于不同的悬挂支撑装置，旋转编码器的转角连接器所连接的角度输出点 不同。对于通过一枢轴与磁缸座等固定体连接并可绕一枢轴进行转动的悬挂支 撑装置来讲，以该枢轴作为转角连接器的角度输出点不仅能够保证旋转编码器 的测量稳定，还能够有效保证测量结果的准确度。例如具有可旋转扇形块的滚 臂悬挂机构，可以其扇形块的扇形角连接枢轴作为连接转角连接器的角度输出 点。对于具有弹性构件的板簧悬挂机构和摇臂悬挂机构等装置来讲，板簧悬挂 机构的板簧、摇臂悬挂机构的橡胶扭簧在驱动线圈进行往复直线运动时，板簧 和橡胶扭簧会发生变形或倾斜，由于该弹性支撑件的变形使得与该弹性支撑件 连接的旋转编码器的转角连接器产生一定角度的往复旋转，旋转编码起就能将 测量到的角度变化转换为直线位移结果。 一般以弹性支撑件的中部位置作为连 接转角连接器的角度输出点，这样可以最大限度的保证测量稳定性。本发明的有益效果在于，该小幅直线运动的位移测量方法和位移测量装置利用振动台所固有的驱动线圈悬挂支撑装置，不需要在驱动线圈上加装任何装 置就能通过旋转编码器输出的转动信号得到对应的位移值，并不会对驱动线圈 的力学结构产生任何影响，并且旋转编码器输出的信号且为数字信号，特别容 易实现数字控制。该位移测量方法和位移测量装置可根据不同要求改变测量精 度，结构简单，成本低、可靠性高，可配合适用于多种驱动线圈的悬挂支撑结 构来测量驱动线圈的位移值。
图1是现有常用的驱动线圈的位移测量装置的结构示意图； 图2是本发明实施例1的位移测量方法和装置结构示意图； 图3是本发明实施例2的位移测量方法和装置结构示意图； 图4是本发明实施例3的位移测量方法和装置结构示意图；图5是本发明实施例4的位移测量方法和装置结构示意图。
具体实施方式
实施例1 如图2所示，该小幅直线运动的位移测量方法和位移测量装置 用于往复运动的驱动线圈的位移测量，驱动线圈1通过悬挂支撑装置5实现悬 挂和支撑，悬挂支撑装置5的两端分别连接驱动线圈1和磁缸座2，采用旋转编 码器8作为测量元件，旋转编码器8固定设置在磁缸座2上。通过在驱动线圈 的悬挂支撑装置上选择角度输出点6，在该角度输出点连接设置旋转编码器的转 角连接器7，旋转编码器8通过转角连接器6测量旋转角度，这样可以转换得到 数字化输出的驱动线圈的位移值。该装置利用固有的驱动线圈悬挂支撑装置，无需在驱动线圈上加设任何组 件，通过与悬挂支撑装置的机械连接将快速、高频的驱动线圈往复小幅直线运 动转换为旋转编码器可识别的往复旋转运动，通过编码器输出的数字信号得到 对应的驱动线圈位移值，通过改变角度输出点6的位置可以改变测量的精度， 满足不同测量情况的需要，经过试验表明，该位移测量装置结构简单，成本低、 可靠性高，可配合适用于多种驱动线圈的悬挂支撑结构测量驱动线圈的位移值。实施例2如图3所示，该小幅直线运动的位移测量方法是用于高频往复 运动的驱动线圈的位移测量，驱动线圈1通过摇臂悬挂机构实现悬挂和支撑， 摇臂悬挂机构由橡胶扭簧51和两个摇臂52组成，橡胶扭簧51的两端分别连 接摇臂52，两摇臂分别与驱动线圈1和磁缸座2连接，橡胶扭簧51的中部位置设置与旋转编码器的转角连接器连接的角度输出点6。当驱动线圈1的位置发生变化时，由于橡胶扭簧51为弹性构件，可以扭曲，驱动线圈1与磁缸座2发生错位时两个摇臂产生倾斜，由于摇臂是刚性结构，摇臂同驱动线圈和磁缸座的 接触面为弧面，两个摇臂的角度将随驱动线圈的位置变化而产生变化，橡胶扭簧也会随之发生往复旋转运动，通过在橡胶扭簧的中部设置角度输出点6并连 接设置转角连接器，可以实现旋转编码器对该旋转角度的测量并转换为位移。通过实验测定，该测量方法和测量装置比较稳定，通过改变角度输出点6 的位置可以实现不同精度的测量结果，测量成本和维护成本低。该装置利用固 有的驱动线圈悬挂支撑装置，无需在驱动线圈上加设任何组件，也无需对现有 的摇臂悬挂机构进行较大改变，最大限度的保证了驱动线圈的振动性能。实施例3 如图4所示，该小幅直线运动的位移测量方法和测量装置是用 于高频往复运动的驱动线圈的位移测量，驱动线圈1通过滚臂悬挂机构实现悬 挂和支撑，滚臂悬挂机构由一扇形块53和柔性片54组成，扇形块53的扇形角 端与磁缸体2通过枢轴枢接，扇形块的弧面上固定有柔性片54，柔性片的另一 端与驱动线圈固定l。扇形块的扇形角端通过一与固定体连接，枢轴作为与旋转 编码器的转角连接器连接的角度输出点6。在进行驱动线圈的位移测量时，驱动线圈的上下位移运动直接导致扇形块 围绕枢轴发生角度变化，通过将转角连接器连接设置作为角度输出点6的枢轴， 旋转编码器固定连接设置该枢轴就可以实现精准和稳定的测量。该装置利用固 有的驱动线圈悬挂支撑装置，无需在驱动线圈上加设任何组件，也无需对现有 的摇臂悬挂机构进行较大改变，最大限度的保证了驱动线圈的振动性能。实施例4 如图5所示，该小幅直线运动的位移测量方法和位移测量装置 是用于高频往复运动的驱动线圈的位移测量，驱动线圈1通过板簧悬挂机构实 现悬挂和支撑，板簧悬挂机构由支撑架56和两片水平平行设置的板簧55组成， 两板簧的一端固定连接驱动线圈1，板簧的另一端固定在支撑架56上，支撑架 56与磁缸座2固定设置，上板簧的中部作为角度输出点6，旋转编码器的转角 连接器与该角度输出点6连接。进行测量时，当驱动线圈发生上下位移时，板 簧随之发生变形，从而使角度输出点6相对于支撑架发生偏转，将旋转编码器 安装在支撑架上，可以得到该偏转角度，进而得到驱动线圈的位移值。该装置 利用固有的驱动线圈悬挂支撑装置，无需在驱动线圈上加设任何组件，也无需 对现有的摇臂悬挂机构进行较大改变，最大限度的保证了驱动线圈的振动性能。
权利要求
1.一种小幅直线运动的位移测量方法，用于往复运动的驱动线圈的位移测量，其特征在于所述位移测量方法包括采用固定设置的旋转编码器，将旋转编码器的转角连接器连接设置驱动线圈的悬挂支撑装置，由驱动线圈位移所导致的该悬挂支撑装置的位移产生转角连接器的往复旋转运动，旋转编码器检测转角连接器输入的角度变化值并输出数字信号，得到相应位移值。
2. 根据权利要求1所述的小幅直线运动的位移测量方法，其特征在于所述悬挂支撑装置包括一弹性支撑件，弹性支撑件的一端固定设置，另一端连接 驱动线圈，所述转角连接器连接设置悬挂支撑装置的弹性支撑件。
3. 根据权利要求1所述的小幅直线运动的位移测量方法，其特征在于所述 悬挂支撑装置包括一通过枢轴连接的旋转件，旋转件的另一端连接设置驱动线 圈，转角连接器连接设置该枢轴或旋转件，由旋转件或者枢轴输出旋转角度。
4. 根据权利要求1所述的小幅直线运动的位移测量方法，其特征在于所述 驱动线圈的悬挂支撑装置为摇臂悬挂机构，所述摇臂悬挂机构包括橡胶扭簧和 摇臂，橡胶扭簧的两端分别连接摇臂，两摇臂分别与驱动线圈和固定体连接， 橡胶扭簧上设置与旋转编码器的转角连接器连接的角度输出点。
5. 根据权利要求l所述的小幅直线运动的位移测量方法，其特征在于所述 驱动线圈的悬挂支撑装置为滚臂悬挂机构，所述滚臂悬挂机构包括一扇形块， 扇形块的扇形角端与固定体枢接，扇形块的弧面上固定有柔性片，柔性片的另 一端与驱动线圈固定，所述扇形块的扇形角端通过一枢轴与固定体连接，所述 枢轴作为与旋转编码器的转角连接器连接的角度输出点。
6. 根据权利要求1所述的小幅直线运动的位移测量方法，其特征在于所述 驱动线圈的悬挂支撑装置为板簧悬挂机构，所述板簧悬挂机构包括板簧，板簧 的两端分别与固定体和驱动线圈固定，所述板簧上设置与旋转编码器的转角连 接器连接的角度输出点。
7. —种小幅直线运动的位移测量装置，用于往复运动的驱动线圈的位移测 量，其特征在于所述位移测量装置包括旋转编码器和驱动线圈的悬挂支撑装置， 旋转编码器固定设置，驱动线圈的悬挂支撑装置的变形件或旋转件连接设置旋 转编码器的转角连接器，由转角连接器将悬挂支撑装置的变化以旋转角度的形式输入到旋转编码器。
8. 根据权利要求7所述的小幅直线运动的位移测量装置，其特征在于所述 驱动线圈的支撑悬挂装置为摇臂悬挂机构，所述摇臂悬挂机构包括橡胶扭簧和 摇臂，橡胶扭簧的两端分别连接摇臂，两摇臂分别与驱动线圈和固定体连接， 橡胶扭簧上设置与旋转编码器的转角连接器连接的角度输出点，旋转编码器固 定设置在磁缸座上，角度输出点设置在橡胶扭簧的中部。
9. 根据权利要求7所述的小幅直线运动的位移测量装置，其特征在于所述旋转编码器固定设置在磁缸座上，所述驱动线圈的支撑悬挂装置为滚臂悬挂机 构，所述滚臂悬挂机构包括一扇形块，扇形块的扇形角端与固定体枢接，扇形 块的弧面上固定有柔性片，柔性片的另一端与驱动线圈固定，扇形块的扇形角 端通过一枢轴与固定体连接，所述枢轴与旋转编码器的转角连接器连接作为角 度输出点。
10. 根据权利要求7所述的小幅直线运动的位移测量装置，其特征在于所 述驱动线圈的支撑悬挂装置为板簧悬挂机构，板簧悬挂机构包括板簧，板簧的 两端分别与固定体和驱动线圈固定，板簧为水平平行设置的复数片，板簧的一 端固定连接驱动线圈，板簧的另'一端固定在一支撑架上，所述一板簧的中部作 为角度输出点，旋转编码器的转角连接器与该角度输出点连接。
全文摘要
小幅直线运动的位移测量方法及其位移测量装置，该方法包括采用固定设置的旋转编码器，将旋转编码器的转角连接器连接设置驱动线圈的悬挂支撑装置，由驱动线圈位移所导致的该悬挂支撑装置的位移产生转角连接器的往复旋转运动，旋转编码器检测转角连接器输入的角度变化值并输出数字信号，得到相应位移值。该装置将驱动线圈的悬挂支撑装置的变形件或旋转件连接设置旋转编码器的转角连接器，由转角连接器将悬挂支撑装置的变化以旋转角度的形式输入到旋转编码器。该方法和装置利用振动台所固有的驱动线圈悬挂支撑装置，不需要在驱动线圈上加装任何装置就能通过旋转编码器输出的转动信号得到对应的位移值。
文档编号G01M7/00GK101236125SQ20081000801
公开日2008年8月6日 申请日期2008年3月4日 优先权日2008年3月4日
发明者吴国雄, 磊 瞿 申请人:苏州东菱振动试验仪器有限公司