低频振动位移反馈控制技术的研究

　　0　引言

　　振动传感器广泛应用于航空航天、机械电力、桥梁建筑、水利建设、地质探测等领域的工程测量和机械监控、故障诊断、地震监测以及大专院校、科研院所的高精尖技术研究中。随着科学技术的发展,一些高新科技领域对低频振动测量的频率下限和准确度提出了更高的检定/校准测量能力的需求。在低频振动基标准装置中,产生检定/校准所需正弦振幅的振动台是整个测量系统的核心,所以标准振动台能否提供一个优质无谐波失真的激励信号,将直接关系到低频振动传感器检定/校准结果的准确性和可靠性。本文在分析电动低频振动台(垂直向)的结构特性和引起台面输出波形失真原因的基础上,提出了利用负反馈控制技术可以减小振动台输出波形的失真度,并介绍了位移反馈控制系统硬件的构建和软件的实现,以及实验验证的结果。

　　1　电动振动台的结构及失真度分析

　　1.1　电动振动台的结构

　　电动振动台的激励系统一般包括信号源、功率放大器和振动台等。信号源产生频率一定的标准正弦信号,经过功率放大器放大后,推动振动台做相应的振动。利用传感器对已知激励信号的响应实现对其的校准。作为测量系统核心部分的电动振动台是根据电磁感应原理设计的,它由恒定磁场和位于磁场中通过一定交变电流的线圈所产生的电磁力来驱动。其结构简图见图1。

　　电动振动台的结构一般分为两个部分:一是不动部分,如永磁铁、磁极极芯和导向装置等;二是运动部分,主要包括线圈、动圈骨架、支撑弹簧和工作台台面等。动圈位于两磁极极芯的工作气隙中,当线圈中通有交变电流时,由于洛仑兹力的作用从而产生往复振动。

　　1.2　电动振动台输出波形失真分析

　　设振动台运动的位移为x=Asin(ωt+φ)。式中:A为振幅;ω=2πf为角频率。则振动台加速度为a=-Aω2sin(ωt+φ)=-A(2πf)2sin(2πft+φ)。由此可以看出,随着校准频率的降低,加速度幅度以频率的平方倍降低,加速度信号的信噪比将随之变得越来越差。提高信噪比的方法:一是解决低频振动台研制中的结构设计和加工工艺中的关键技术问题,降低振动台激励系统各环节中的背景噪声,采用信噪比高、失真度低、漂移小、稳定性好的功率放大器,最大限度地减小输出的本体噪声;二是增大振动台的振幅。由一般电动振动台的结构可以看出,电动振动台是一个惯性非线性系统,增大振幅必定引入更多、更强的非线性因素,从而加剧振动台输出波形的谐波失真,最终对校准精度产生影响。为了提高低频振动时的信噪比,在振动台低频大位移振动时,可以考虑采用反馈控制技术来抑制振动台非线性因素的影响,减小振动台输出波形的失真度。