用于将载荷施于材料的设备和方法
【专利说明】用于将载荷施于材料的设备和方法
【背景技术】
[0001] 本公开涉及能够将载荷（load)(例如，循环载荷（cyclical load))施于材料 以便例如确定材料的各种特性的系统。这些类型的系统由Bose公司的ElectroForce ，系统组售出。此类型系统的示例是Electr〇F〇rce，3200测试仪器。线性电磁电动机被 用于将载荷施于材料。传感器(例如，载荷单元)当材料在载荷下时测量系统的输出，且提供 用于控制电动机操作的反馈信号。由系统和/或被测试的材料引入传感器的相对高频共振 和相位延迟能够导致反馈信号相反地影响电动机的操作。
【发明内容】
[0002] 以下提到的所有示例和特征能够通过任何技术上可能的方式来组合。
[0003] 在一个方面，一种使用混合反馈信号来控制系统的方法包括提供具有预定波形的 输入信号至系统以及通过传感器测量系统的输出。传感器的输出信号在第一频带中被使 用，作为反馈信号的第一部分。模仿信号在第二频带中被创建，所述模仿信号当与传感器的 输出信号在第二频带中相比较时，具有大体上减小的（i)共振、（ii)相位延迟以及（iii)噪 声中的一个或更多。所述模仿信号在第二频带中被使用，作为反馈信号的第二部分。
[0004] 实施例可以包括以下特征的一个，或者其任何组合。反馈信号被利用来改变输入 信号。第一频带比第二频带更低。第一频带的顶部大体上邻近于第二频带的底部。传感器 能够测量载荷、位移（displacement)、张力（strain)、压力（pressure)、扭矩（torque)、应 力（stress)和旋转（rotation)的至少一个。所述方法进一步包括（a)将输入信号与反馈 信号差分组合以获得初始控制信号，（b)获得反馈信号的第一或更高阶导数（derivative)， (c)将初始控制信号与反馈信号的导数差分组合以获得最终控制信号，以及（d)将最终控制 信号施于致动器（actuator)，这导致该致动器创建能够被施于材料的载荷。
[0005] 在另一个方面，一种控制用于将载荷施于材料的系统的方法包括提供具有预定波 形的参考信号，以及将参考信号与反馈信号差分组合以获得初始控制信号。反馈信号的第 一或更高阶导数被获得。初始控制信号与反馈信号的导数被差分组合以获得最终控制信 号。最终控制信号施于致动器，这导致该致动器创建能够被施于材料的载荷。当载荷正被 施于材料时，传感器用于测量系统的输出。传感器的输出信号被传递通过低通滤波器以创 建低通信号。
[0006] 实施例可以包括以上和/或以下特征的一个，或者其任何组合。最终控制信号被 处理以获得模仿信号，其与传感器的输出信号相比较，具有大体上减小的共振、大体上减小 的相位延迟和大体上减小的噪声中的一个或更多。模仿信号被传递通过高通滤波器以获得 高通信号。低通信号与高通信号被组合以创建反馈信号。低通滤波器与高通滤波器大体上 合成（sum to) -个。
[0007] 在仍有的另一个方面，一种用于将载荷施于材料的设备包括信号生成器，其能够 创建具有预定波形的参考信号。第一信号组合器能够将参考信号与反馈信号差分组合以获 得初始控制信号。信号操纵器（signal manipulator)能够获得反馈信号的第一或更高阶 导数。第二控制信号组合器能够将初始控制信号与反馈信号的导数差分组合以获得最终控 制信号。最终控制信号能够被施于致动器以导致致动器创建能够被施于材料的载荷。最终 控制信号被处理以获得模仿信号，其与传感器的输出信号相比较，具有大体上减小的共振 和大体上减小的相位延迟中的一个或更多，所述传感器用于当载荷被施于材料时测量该设 备的输出。
[0008] 实施例可以包括以上和/或以下特征的一个，或者其任何组合。模仿信号被传递 通过高通滤波器以获得高通信号。传感器的输出信号被传递通过低通滤波器以创建低通信 号。低通信号与高通信号被组合以创建反馈信号。低通滤波器与高通滤波器大体上合成一 个。
[0009] 在仍有的另一个方面，一种控制用于将载荷施于材料的系统的方法包括将最终控 制信号施于致动器，这导致该致动器创建能够被施于材料的载荷。当载荷正被施于材料时， 传感器被导致测量系统的输出。输出信号从传感器被读取。最终控制信号被处理以获得模 仿信号，其与输出信号相比较，具有大体上减小的共振和大体上减小的相位延迟中的一个 或更多。模仿信号被传递通过滤波器机构以获得高通信号。
[0010] 实施例可以包括以上和/或以下特征的一个，或者其任何组合。传感器的输出信 号被传递通过滤波器机构以创建低通信号。滤波器机构包括低通滤波器与高通滤波器，它 们合成一个。具有预定波形的参考信号被输入到系统。参考信号与反馈信号差分组合以获 得初始控制信号。传感器测量材料的特性。
【附图说明】
[0011] 图1是用于将载荷施于材料的系统的透视图； 图2是在图1系统中使用的信号处理布置的框图； 图3是对于图1的系统的载荷单元的输出的、相位和幅值相对于频率的对数图示；以及 图4类似于图3,但还包括反馈信号的图示。
【具体实施方式】
[0012] 以下描述讨论具有线性电磁电动机的用于将载荷施于材料的系统。传感器(例如， 载荷单元）在载荷被施于材料时测量系统的输出，且提供用于控制电动机操作的反馈信号。 由系统和/或被测试的材料引入传感器的共振和相位延迟倾向于在某个频带中呈现，该频 带比载荷被打算施于材料所在的频带相对更高。传感器的输出被传递通过滤波器机构以获 得低通滤波的信号。控制电动机操作的最终信号被处理以计算模仿信号，其与相对更高频 带中的最终控制信号相比，具有大体上减小的共振和/或相位延迟。该模仿信号被传递通 过滤波器机构以获得高通滤波的信号，以及然后与来自传感器的低通滤波的信号组合以提 供更新的反馈信号。结果，系统被转换为第二(或者更高）阶系统，而没有相位延迟。
[0013] 参考图1，用于将载荷施于材料样品（未示出）的系统10包括较低的机体 (housing)12和较高的机体14。采用线性电-磁电动机(未示出)形式的致动器（actuator) 包含在较高的机体14中。材料被放置在较高的样品钳（grip)16和较低的样品钳18之间。 钳之间的距离被调整以便固定（secure)钳之间的材料。这通过以下步骤来完成：打开一对 夹具20,升高或者降低较低的钳所固定到的台22,以及然后关闭所述夹具20。取决于材料 的类型，不同类型的钳能够被用来固定材料。电动机能够移动较高的钳16 (例如，上和下） 以将载荷施于钳之间被固定的材料。当载荷正被施于材料时，较低的钳18在静止的位置被 固定。各种类型的载荷（比如压缩（compression)、拉紧（tension)、扭矩、弯曲（bending)， 等等）能够被施于材料，这取决于系统10的布置。
[0014] 当载荷经由样品钳16和18被施于材料时，传感器24 (例如，载荷单元）测量系统 10的输出（其能够包括材料的特性)。各种类型的传感器能够被用于测量系统的许多不同的 输出，比如载荷、位移、张力、应力、速度、加速度、压力、扭矩、旋转等等。处理器26是系统10 的部分以及控制系统10的操作。处理器通过相应的数据总线28和30来连接至传感器24 和系统10 (以控制电动机)。至系统10的电力通过AC主线（mains)提供。到系统10中的 所有或一些的功率可以由电源和变压器来调节。
[0015] 转至图2,处理器26包括信号生成器32,信号生成器32能够提供具有预定波形 (例如，具有已知频率和振幅的正弦波）的参考(输入）信号34至系统10。参考信号然后被 传递通过具有例如100 Hz的截止（cutoff)的低通滤波器36。从低通滤波器36输出的参 考信号被传递至信号组合器38,在那里，它与反馈信号40差分组合。反馈信号40也被传递 至导数框42,在那里信号被操纵，以获得反馈信号的第一或更高阶导数。组合器38的采用 初始控制信号44形式的输出在比例积分（PI)框46中被处理。出自PI框46的初始控制 信号与出自导数框42的反馈信号的导数在信号组合器48中被差分组合。
[0016] 组合器48的采用最终控制信号50形式的输出被施于致动器52 (在上面关于图1 被提到过)。数字到模拟转换器(未示出)将最终控制信号50从数字形式转换为模拟形式(在 此信号被施于致动器52之前)。如上所述，致动器52创建载荷54,其经由一对样品钳16、 18被施于材料样品。当样品在载荷下时，系统10的特性或者输出(例如，载荷)通过传感器 24来测量。传感器24输出的信号也包括来自系统10和/或材料样品的共振56 (其可以 具有关联的相位延迟)，因为传感器被这些共振所振动。传感器24的输出信号58由模拟到 数字转换器(未示出）从模拟形式转换为数字形式，以及然后被传递至滤波器机构的低通滤 波器60以在第一频带中创建低通信号61。
[0017] 最终控制信号50也被传递至模仿框62,在其中信号被处理以获得模仿信号64,其 相比输出信号58,具有大体上减小的（a)共振、（b)噪声以及（c