振动台自反馈信号提取装置及应用该装置的振动台的制作方法
【专利摘要】本发明涉及振动台自反馈信号提取装置及应用该装置的振动台，其中，振动台自反馈信号提取装置包括信号提取电路、差分电路、放大电路和直流电源电路。所述信号提取电路内部通过接入振动台激振器而与振动台激振器共同构成一桥式电路；通过桥式电路提取振动台激振器产生的反感应电动势信号，输出至差分电路。差分电路对反感应电动势信号进行差分处理得到差分信号，并输出差分信号至所述放大电路；放大电路对差分信号进行放大处理得到相应的反馈信号，并将该反馈信号输入振动台的伺服控制器，推动振动台振动，增大了振动台在低频段的阻尼。由此本发明解决了振动台行程较大时一些反馈用的传感器造价昂贵，后续电路设计、调试、安装及维护复杂等问题。
【专利说明】
振动台自反馈信号提取装置及应用该装置的振动台
技术领域
[0001] 本发明设及振动台自反馈信号提取技术领域，特别设及一种通过对振动台的激振 器在振动时产生的反感应电动势处理后得到的信号用作振动台反馈的振动台自反馈信号 提取装置及应用该装置的振动台。
【背景技术】
[0002] 在测振仪器的实验室校准过程中，需要振动台产生良好的正弦波W作为传感器的 校准信号。目前振动与冲击传感器的校准方法一般是振动比较法校准，通过激光干设的方 法或利用标准传感器获得振动台台面的位移、速度或加速度信号作为被校传感器的输入信 号，测量得到被校传感器的输出信号，再计算得到被校传感器输出信号的幅频特性和相频 特性。
[0003] 然而，实际上振动台在低频段产生的正弦信号失真度较大，为了改善振动台的低 频运动信号，人们尝试了各种方法，例如，改善弹性元件的材料或改良磁路设计等。但是，上 述方法都没有从根本上解决问题，因此，现有技术引入了一种能够有效的改善振动台低频 运动信号失真度的技术一-闭环伺服反馈技术。闭环伺服反馈技术按照反馈信号的不同分 为加速度反馈、速度反馈和位移反馈，但是运些反馈都是通过各种各样的传感器来提取振 动台台面的振动信号，W达到降低系统低频失真度的目的。故现有闭环伺服反馈技术必然 存在W下缺陷：
[0004] (1)由于传感器的行程有限，随着大行程振动台的发展，导致通过传感器提取反馈 信号的方法存在很大的局限性；
[0005] (2)由于安装了传感器后就必然使得整个系统实际模型产生变化，传感器的非线 性会使得振动台系统的结构复杂化;并且，如果传感器的安装方式不恰当，则会导致振动台 发生局部共振，不利于降低振动台的低频失真度；
[0006] (3)对于低频大行程振动台，尽管可W使用磁致伸缩传感器进行复合反馈控制，并 在一定程度上简化振动台系统的结构，但其成本相对较高，且其后续电路设计、调试、安装 使用和维护复杂。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺点和不足，提供一种振动台自反馈信 号提取装置，解决现有技术中振动台行程较大时一些反馈用的传感器造价昂贵，后续电路 设计、调试、安装及维护复杂等问题;本发明的另一目的是提供一种应用所述振动台自反馈 信号提取装置的振动台。
[000引为解决上述问题，本发明提供了一种振动台自反馈信号提取装置，其包括信号提 取电路、差分电路、放大电路和直流电源电路；
[0009]所述信号提取电路用于提取振动台激振器产生的反感应电动势信号，其内部通过 接入振动台激振器而与振动台激振器共同构成一桥式电路;所述桥式电路的输入端用于接 入振动台伺服控制器的激振信号端，其输出端与所述差分电路输入端相连，并输出所述反 感应电动势信号至所述差分电路；
[0010] 所述差分电路对所述反感应电动势信号进行差分处理得到一差分信号，其输出端 与放大电路输入端相连，并输出所述差分信号至所述放大电路；
[0011] 所述放大电路对所述差分信号进行放大处理得到相应的反馈信号；
[0012] 所述直流电源电路为信号提取电路、差分电路及放大电路提供工作电源。
[0013] 优选地，所述信号提取电路包括3个电阻、激振器接线端、激振信号接线端和反感 应电动势输出端；
[0014] 所述3个电阻通过激振器接线端接入振动台激振器后，与振动台激振器共同组成 惠斯通电桥；
[0015] 所述激振信号接线端为所述惠斯通电桥的输入端，其用于接入振动台伺服控制器 的激振信号，W控制振动台激振器工作实现对振动台振动的控制；
[0016] 所述反感应电动势输出端为所述惠斯通电桥的输出端，其与所述差分电路输入端 相连，并输出由所述惠斯通电桥提取得到的振动台激振器的反感应电动势信号。
[0017] 优选地，所述3个电阻中的其中一电阻为调零电阻;所述调零电阻用于调整所述惠 斯通电桥的平衡。
[0018] 优选地，所述差分电路包括第一差分器、第二差分器、第一电阻、第二电阻、第Ξ电 阻和第四电阻；
[0019] 所述第一差分器的正输入端子和所述第二差分器的正输入端子形成差分电路的 输入端，并与桥式电路的输出端相接；
[0020] 所述第一电阻一端与所述第一差分器的负输入端子连接，另一端接地；
[0021] 所述第二电阻一端与所述第一差分器的负输入端子连接，另一端与所述第一差分 器输出端连接；
[0022] 所述第Ξ电阻一端与所述第一差分器输出端连接，另一端与所述第二差分器的负 输入端子连接；
[0023] 所述第四电阻一端与所述第二差分器的负输入端子连接，另一端与所述第二差分 器的输出端连接；
[0024] 所述第二差分器的输出端与所述放大电路连接。
[0025] 优选地，所述放大电路包括可变电阻、定值电阻和放大器;所述可变电阻一端与所 述放大器的输出端连接，另一端与所述放大器的负输入端子连接;所述定值电阻一端与所 述放大器的负输入端子连接，另一端接地;所述放大器的正输入端子与所述差分电路的输 出端连接，其输出端输出增益后的反馈信号。
[00%] 可选地，所述直流电源电路由220V、50Hz的交流电源供电，且其输出± 5V的直流电 源为信号提取电路、差分电路及放大电路供电。
[0027] 优选地，所述信号提取电路、差分电路和放大电路共地，并分别或共同封装在一塑 料外壳内。
[0028] 通过上述技术方案，本发明振动台自反馈信号提取装置产生了 W下有益的技术效 果：
[0029] 1)克服了在振动台行程较大时，因传感器的行程范围有限而限制振动台行程的问 题；
[0030] 2)实现了反馈信号大小可调，从而使得振动台系统在低频段的阻尼可调；
[0031] 3)解决了实用复合反馈造成的成本高，设备设计、调试、安装实用和维护复杂等问 题。
[0032] 为达到本发明的另一目的，本发明还提供了一种振动台，其包括激振器、伺服控制 器、及上述任一项所述的振动台自反馈信号提取装置；
[0033] 所述振动台自反馈信号提取装置的信号提取电路内部接入所述激振器，并与所述 激振器共同构成桥式电路，W提取所述激振器产生的反感应电动势信号;且所述桥式电路 的输入端与所述伺服控制器的激振信号端连接，其输出端与所述差分电路输入端相连，并 输出提取到的激振器的反感应电动势信号至所述差分电路；
[0034] 所述振动台自反馈信号提取装置的差分电路对所述反感应电动势信号进行差分 处理得到一差分信号，其输出端与放大电路输入端相连，并输出所述差分信号至所述振动 台自反馈信号提取装置的放大电路；
[0035] 所述放大电路对所述差分信号进行放大处理得到相应的反馈信号，并将反馈信号 反馈至所述伺服控制器的反馈信号输入端口，由伺服控制器产生输出至激振器控制振动运 动。
[0036] 由于本发明的振动台自反馈信号提取装置具有W上有益技术效果，则应用该振动 台自反馈信号提取装置的振动台也具有W上有益技术效果。
[0037] 为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
【附图说明】
[0038] 图1是本发明振动台自反馈信号提取装置的结构示意图；
[0039] 图2是本发明振动台自反馈信号提取装置中信号提取电路P10端接入激振器后的 结构示意图；
[0040] 图3是本发明振动台自反馈信号提取装置中差分电路的结构示意图；
[0041] 图4是本发明振动台自反馈信号提取装置中放大电路的结构示意图；
[0042] 图5是本发明振动台自反馈信号提取装置安装在振动台系统后的电路结构示意 图；
[0043] 图6是图5中的电路的信号传输流程示意图。
【具体实施方式】
[0044] 请参阅图1，本发明振动台自反馈信号提取装置包括信号提取电路1、差分电路2、 放大电路3和直流电源电路。所述信号提取电路1用于提取振动台激振器产生的反感应电动 势信号，其内部通过接入振动台激振器而与振动台激振器共同构成一桥式电路Γ，如图2所 示，图2中的Ro表示激振器线圈的电阻。形成的桥式电路Γ的输入端Ini用于接入振动台伺 服控制器的激振信号端，其输出端P1与所述差分电路2输入端In2相连，并输出所述反感应 电动势信号至所述差分电路2。所述差分电路2对所述反感应电动势信号进行差分处理得到 一差分信号，其输出端P2与放大电路3输入端In3相连，并输出所述差分信号至所述放大电 路3。所述放大电路3对所述差分信号进行放大处理得到相应的反馈信号。所述直流电源电 路为信号提取电路1、差分电路2及放大电路3提供工作电源。
[0045] 由此，当本发明振动台自反馈信号提取装置与振动台的激振器和伺服控制器接线 完成后，即可通过本发明振动台自反馈信号提取装置的上述各个电路实现将激振器线圈的 反感应电动势信号提取，并经差分处理和放大处理后反馈至振动台伺服控制器的反馈信号 输入端口，从而由伺服控制器输出信号控制激振器工作，推动振动台运动，增大振动台在低 频段的阻尼，解决了提取反馈信号用的传感器造价昂贵及后续电路设计复杂等问题。
[0046] 请同时参阅图2,在一个优选的实施例中，所述信号提取电路1包括:3个电阻(R/， R2/，?ν )、激振器接线端P10、激振信号接线端Ini和反感应电动势输出端P1。所述3个电阻通 过激振器接线端P10接入振动台激振器后，与振动台激振器共同组成惠斯通电桥，也即，激 振器线圈的电阻R0及所述3个电阻(R/，R2/，R3/ )-起组成惠斯通电桥，也即上述的桥式电 路Γ。所述激振信号接线端Ini为所述惠斯通电桥的输入端，其用于接入振动台伺服控制器 的激振信号，W控制振动台激振器工作实现对振动台振动的控制。所述反感应电动势输出 端P1为所述惠斯通电桥的输出端，其与所述差分电路2输入端In2相连，并输出由所述惠斯 通电桥提取得到的振动台激振器的反感应电动势信号。
[0047] 为保证惠斯通电桥的平衡，作为一种更优的技术方案，所述信号提取电路1中的3 个电阻中的其中一个电阻为调零电阻。所述调零电阻用于调整所述惠斯通电桥的平衡。
[0048] 请同时参阅图3,在一个优选的实施例中，所述差分电路2包括第一差分器N1、第二 差分器N2、第一电阻R" 1、第二电阻R" 2、第Ξ电阻R" 3和第四电阻R" 4。所述第一差分器N1的正 输入端子和所述第二差分器N2的正输入端子形成差分电路2的输入端，并与桥式电路Γ的 输出端相接。所述第一电阻R"i-端与所述第一差分器N1的负输入端子连接，另一端接地。 所述第二电阻R"2-端与所述第一差分器N1的负输入端子连接，另一端与所述第一差分器 N1输出端连接。所述第Ξ电阻R"3-端与所述第一差分器N1输出端连接，另一端与所述第二 差分器N2的负输入端子连接。所述第四电阻R"4-端与所述第二差分器N2的负输入端子连 接，另一端与所述第二差分器N2的输出端连接。所述第二差分器N2的输出端P2与所述放大 电路3输入端In3连接。由此通过差分电路2对所述惠斯通电桥提取到的反感应电动势信号 进行差分处理后，也即，通过差分电路2对由所述惠斯通电桥输出的两路信号做减法处理， 得到相应的差分信号并将差分信号从第二差分器N2的输出端输出到放大电路3。在本实施 例中，所述差分信号为精确度更高的激振器线圈的反感应电动势信号，也即，通过差分电路 2对惠斯通电桥提取到的反感应电动势信号进行处理，能够得到精确度更好的激振器线圈 的反感应电动势信号。
[0049] 请同时参阅图4,在一个优选的实施例中，所述放大电路3包括可变电阻化、定值电 阻R和放大器N3。所述可变电阻化一端与所述放大器N3的输出端连接，另一端与所述放大器 N3的负输入端子连接。所述定值电阻R-端与所述放大器N3的负输入端子连接，另一端接 地。所述放大器N3的正输入端子In3与所述差分电路2的输出端P2连接，其输出端P3输出增 益后的反馈信号。由此通过调节可变电阻Rt的阻值实现对放大电路3的放大器N3放大倍数 的调整，也即，实现了对从振动台激振器线圈中提取到的反感应电动势信号的放大倍数的 调整。并且，在将本装置接入到振动台系统后，所述放大电路3放大器N3的输出端P3是与振 动台伺服控制器的反馈信号输入端口连接的。
[0化0] 可选地，所述直流电源电路由220V、50Hz的交流电源供电，且其输出± 5V的直流电 源为信号提取电路1、差分电路2及放大电路3供电。在本实施例中，差分电路2和放大电路3 采用相同的电源供电。
[0051] 优选地，所述信号提取电路1、差分电路2和放大电路3共地，并分别或共同封装在 一塑料外壳内。
[0052] W下，结合振动台系统传递公式来阐述本装置的原理及优点：
[0053] 不加反馈时，振动台系统的传递函数为：
[0化4]
[0055]请同时参阅图5和图6,在振动台上接入本发明的振动台自反馈信号提取装置后， 振动台系统的传递函数为：
[0069] 上述各个参数的意义如下：
[0070] X--振动台可动部分运动位移；
[0071] e--信号源电压输出信号；
[0072] Go一一激振器机电禪合系数，磁场强度与漆包线绕线长度的乘积；
[0073] Μ一一振动台可动部分质量；
[0074] Lo一一激振器线圈等效电感；
[00巧]R日一一激振器线圈欧姆电阻；
[0076] Kf--放大器N3放大倍数；
[0077] k一一弹性元件刚度；
[007引 B-阻尼系数；
[0079] Ri，化，C一一伺服控制器中的元件参数；
[0080] Ri'，R2'，R3'--信号提取电路1中的参数；
[0081 ] Rout--放大器N3输出电阻；
[0082] S--拉普拉斯算子。
[0083] 因此，比较式（1)与式(2)可知，式(2)中增加了阻尼，并利用放大倍数K和Kf及机电 禪合系数Go,可W调整反馈带来的阻尼大小，使得由弹性元件带来的不利因素如非线性失 真、结构复杂性的增加等得到抑制。
[0084] 综上所述，本发明的振动台自反馈信号提取装置产生了 W下技术效果：
[0085] 1)克服了在振动台行程较大时，因传感器的行程范围有限而限制振动台行程的问 题；
[0086] 2)实现了反馈信号大小可调，从而使得振动台系统在低频段的阻尼可调；
[0087] 3)解决了使用复合反馈造成的成本高，设备设计，调试，安装使用和维护复杂等问 题。
[0088] 另外，本发明还提供了一种应用了上述振动台自反馈信号提取装置的振动台，该 振动台包括激振器、伺服控制器和振动台自反馈信号提取装置。
[0089] 所述振动台自反馈信号提取装置的信号提取电路1内部接入所述激振器，并与所 述激振器共同构成桥式电路r，w提取所述激振器产生的反感应电动势信号;且所述桥式 电路Γ的输入端与所述伺服控制器的激振信号端连接，其输出端与所述差分电路2输入端 相连，并输出提取到的激振器的反感应电动势信号至所述差分电路2。
[0090] 所述振动台自反馈信号提取装置的差分电路2对所述反感应电动势信号进行差分 处理得到一差分信号，其输出端与放大电路3输入端相连，并输出所述差分信号至所述振动 台自反馈信号提取装置的放大电路3。
[0091] 所述放大电路3对所述差分信号进行放大处理得到相应的反馈信号，并将反馈信 号反馈至所述伺服控制器的反馈信号输入端口，由所述伺服控制器产生输出至激振器控制 振动运动。
[0092] 由于在本实施例提供的振动台除激振器、伺服控制器和反馈提取结构外的其它结 构与现有技术振动台的结构相同，故不再寶述。
[0093] 相对于现有技术，本发明振动台自反馈信号提取装置及应用该装置的振动台克服 了在振动台行程较大时，因传感器的行程范围有限而限制振动台行程的问题;实现了反馈 信号大小可调，从而使得振动台系统在低频段的阻尼可调;解决了实用复合反馈造成的成 本高，设备设计、调试、安装实用和维护复杂等问题。
[0094]本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明 的精神和范围，倘若运些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发 明也意图包含运些改动和变形。
【主权项】
1. 一种振动台自反馈信号提取装置，其特征在于:包括信号提取电路、差分电路、放大 电路和直流电源电路； 所述信号提取电路用于提取振动台激振器产生的反感应电动势信号，其内部通过接入 振动台激振器而与振动台激振器共同构成一桥式电路;所述桥式电路的输入端用于接入振 动台伺服控制器的激振信号端，其输出端与所述差分电路输入端相连，并输出所述反感应 电动势信号至所述差分电路； 所述差分电路对所述反感应电动势信号进行差分处理得到一差分信号，其输出端与放 大电路输入端相连，并输出所述差分信号至所述放大电路； 所述放大电路对所述差分信号进行放大处理得到相应的反馈信号； 所述直流电源电路为信号提取电路、差分电路及放大电路提供工作电源。2. 根据权利要求1所述的振动台自反馈信号提取装置，其特征在于:所述信号提取电路 包括3个电阻、激振器接线端、激振信号接线端和反感应电动势输出端； 所述3个电阻通过激振器接线端接入振动台激振器后，与振动台激振器共同组成惠斯 通电桥； 所述激振信号接线端为所述惠斯通电桥的输入端，其用于接入振动台伺服控制器的激 振信号，以控制振动台激振器工作实现对振动台振动的控制； 所述反感应电动势输出端为所述惠斯通电桥的输出端，其与所述差分电路输入端相 连，并输出由所述惠斯通电桥提取得到的振动台激振器的反感应电动势信号。3. 根据权利要求2所述的振动台自反馈信号提取装置，其特征在于:所述3个电阻中的 其中一电阻为调零电阻;所述调零电阻用于调整所述惠斯通电桥的平衡。4. 根据权利要求1所述的振动台自反馈信号提取装置，其特征在于:所述差分电路包括 第一差分器、第二差分器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻； 所述第一差分器的正输入端子和所述第二差分器的正输入端子形成差分电路的输入 端，并与桥式电路的输出端相接； 所述第一电阻一端与所述第一差分器的负输入端子连接，另一端接地； 所述第二电阻一端与所述第一差分器的负输入端子连接，另一端与所述第一差分器输 出端连接； 所述第三电阻一端与所述第一差分器输出端连接，另一端与所述第二差分器的负输入 端子连接； 所述第四电阻一端与所述第二差分器的负输入端子连接，另一端与所述第二差分器的 输出端连接； 所述第二差分器的输出端与所述放大电路连接。5. 根据权利要求1所述的振动台自反馈信号提取装置，其特征在于:所述放大电路包括 可变电阻、定值电阻和放大器； 所述可变电阻一端与所述放大器的输出端连接，另一端与所述放大器的负输入端子连 接； 所述定值电阻一端与所述放大器的负输入端子连接，另一端接地； 所述放大器的正输入端子与所述差分电路的输出端连接，其输出端输出增益后的反馈 信号。6. 根据权利要求1所述的振动台自反馈信号提取装置，其特征在于:所述直流电源电路 由220V、50Hz的交流电源供电，且其输出± 5V的直流电源为信号提取电路、差分电路及放大 电路供电。7. 根据权利要求1所述的振动台自反馈信号提取装置，其特征在于：所述信号提取电 路、差分电路和放大电路共地，并分别或共同封装在一塑料外壳内。8. -种振动台，包括激振器和伺服控制器，其特征在于:还包括权利要求1~7任一项所 述的振动台自反馈信号提取装置； 所述振动台自反馈信号提取装置的信号提取电路内部接入所述激振器，并与所述激振 器共同构成桥式电路，以提取所述激振器产生的反感应电动势信号;且所述桥式电路的输 入端与所述伺服控制器的激振信号端连接，其输出端与所述差分电路输入端相连，并输出 提取到的激振器的反感应电动势信号至所述差分电路； 所述振动台自反馈信号提取装置的差分电路对所述反感应电动势信号进行差分处理 得到一差分信号，其输出端与放大电路输入端相连，并输出所述差分信号至所述振动台自 反馈信号提取装置的放大电路； 所述放大电路对所述差分信号进行放大处理得到相应的反馈信号，并将反馈信号反馈 至所述伺服控制器的反馈信号输入端口，由伺服控制器产生输出至激振器控制振动运动。
【文档编号】H02P25/02GK106059439SQ201610574432
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】匙庆磊, 陈红江
【申请人】中国地震局工程力学研究所, 湖南省计量检测研究院, 匙庆磊, 陈红江