技术领域

本发明涉及一种具有基于直线光栅尺反馈控制 装置的振动台系统。

技术背景

随着科学技术的发展， 人们对测振传感器的测量范围不断提出新的要 求。 在航空航天、 武器制导、 地震预报、 超精加工、 石油勘探等领域， 下限频率低 于 0.05Hz的测振传感器已经开始应用， 这些传感器的出现对超低频计量校准系 统提出了更高的要求。

按国家计量检定规程 （JJG 134-2003， JJG 233-2008 ) 的规定， 振动传感器 在出厂或使用一段周期后 （一般为一年）， 均需经过计量部门的正式校准。 振动 传感器一般是用标准振动装置进行校准， 它是通过标准振动台产生标准的水平 向或垂直向正弦振动， 用 "绝对法"或 "相对法"标定传感器的各项性能指标。 标准振动台输出波形的精度将决定传感器的校 准水平。

在低频段， 尤其是超低频段， 振动台输出的速度、 加速度信号幅值很小， 信噪比很差， 且在等电压输入情况下， 振动台在低频段表现出位移特性， 一般 常用位移传感器作为低频段对振动台的测量和 反馈控制的器件。 然而， 一般的 位移传感器精度较低， 而测量精度较高的接触式位移传感器对振动台 运动产生 摩擦牵拉， 不适合用于计量用标准振动台控制。

发明内容

为克服现有技术的位移传感器精度低或位移传 感器对振动台产生摩擦牵拉 造成振动台运行精度低的缺点， 本发明提供了一种运行精度高的具有基于直线 具有基于直线光栅尺反馈控制装置的振动台系 统， 包括振动台， 信号发生 器和功率放大器；

其特征在于： 所述的振动台系统还包括将振动台运动部件的 位移转换为相 位差为 90° 的 A/B脉冲信号的直线光栅尺， 将光栅尺输出的脉冲信号转换为具 有标准形状和电平的标准脉冲信号的滤波整形 电平转换模块， 将标准脉冲信号 细分、 并判断被测量系统的运动方向的细分辨向模块 ， 将细分后的脉冲信号转 换为电压与当前位移成正比的模拟信号的模拟 转换模块；

所述的信号发生器输出的标准信号与模拟转换 模块输出的模拟信号均输入 一减法器中， 所述的标准信号作为被减数， 所述的模拟信号作为减数；

所述的减法器的输出信号输入所述的功率放大 器中， 所述的功率放大器输 出的驱动信号输入所述的振动台中。

进一步， 所述的减法器与所述的功率放大器之间设有 PID控制器， 所述的 模拟转换模块与所述的减法器之间设有比例放 大器。

进一步， 所述的细分辨向模块判断被测量系统的运动方 向的方法为： 当 A 相超前 B相时， 则认为振动台运动部件沿正向运行； 当 B相超前 A相时， 则认 为振动台运动部件沿反向运行；

进一步， 对于振动台运动部件沿运动方向尺寸大于振动 台行程的短行程振 动台， 光栅尺标尺安装于所述的振动台的运动部件上 ， 光栅尺读数头安装于所 述的振动台的固定部件上。

对于振动台运动部件沿运动方向尺寸小于振动 台行程的长行程振动台， 光 栅尺标尺安装于所述的振动台的固定部件上， 光栅尺读数头安装于所述的振动 台的运动部件上。

进一步， 所述的光栅尺标尺的一侧设有为振动台位移检 测提供测量基准的 零位块。

进一步， 所述的光栅尺标尺的另一侧设有保证振动台不 会超出安全行程的 第一、 第二限位块。

本发明技术构思的工作原理是:直线光栅尺输� �信号为相位差为 90° 的 A/B 脉冲， 先对直线光栅尺输出 A/B脉冲进行滤波整形和电平转换， 使其转换为具 有标准形状和电平的脉冲信号， 接着对该标准脉冲信号进行四倍频和辨向， 然 后通过脉冲可逆计数加 D/A转换法等方法转化为模拟信号， 该模拟信号的电压 值和测量的位移成正比。 模拟信号经比例放大器放大后， 与信号发生器输出的 标准信号进行求差运算得到偏差， 再经 PID控制器， 输出控制信号注入功率放 大器， 从而驱动振动台进行纠偏运动， 实现振动台位移对输入信号源的跟踪。 当信号发生器输出具有极小失真度的正弦信号 时， 振动台也将输出具有极小失 真度的位移信号， 从而达到提高振动台输出波形精度的目的。

本发明充分利用直线光栅尺测量精度高、 无接触测量、 输出信号处理方法 灵活多样等优点， 通过将直线光栅尺输出的 A/B脉冲信号转化为反映振动台位 移变化的模拟信号， 将直线光栅尺用于振动台的反馈控制系统中， 使振动台的 运动波形得到极大改善， 尤其在低频段效果显著。

本发明充分利用直线光栅尺测量精度高、 非接触测量等优点， 通过对直线 光栅尺输出信号进行处理， 使其用于振动台反馈控制系统， 提高振动台的运行 精度， 且具有所用技术成熟， 可行性强； 所用直线光栅尺便于安装等优点。 附图说明

图 1为基于直线光栅尺的振动台反馈控制装置组� �框图。

图 2为光栅尺脉冲信号模拟转换模块组成框图。

图 3为长行程水平振动台动读数头式光栅尺安装� �构图。 图 4为图 3光栅尺安装结构局部放大图。

图 5为短行程垂直振动台动标尺式光栅尺安装结� �图。

图 6为图 5光栅尺安装结构局部剖视放大图。

具体实施方式

实施例一

参照图 1-4

具有基于直线光栅尺反馈控制装置的振动台系 统， 包括振动台， 信号发生 器和功率放大器；

所述的振动台系统还包括将振动台运动部件的 位移转换为相位差为 90° 的 A/B脉冲信号的直线光栅尺，将光栅尺输出的脉 冲信号转换为具有标准形状和电 平的标准脉冲信号的滤波整形电平转换模块， 将标准脉冲信号细分、 并判断被 测量系统的运动方向的细分辨向模块， 和将细分后的脉冲信号转换为电压与当 前位移成正比的模拟信号的模拟转换模块；

所述的信号发生器输出的标准信号与模拟转换 模块输出的模拟信号均输入 一减法器中， 所述的标准信号作为被减数， 所述的模拟信号作为减数；

所述的减法器的输出信号输入所述的功率放大 器中， 所述的功率放大器输 出的驱动信号输入所述的振动台中。

所述的减法器与所述的功率放大器之间设有 PID控制器， 所述的模拟转换 模块与所述的减法器之间设有比例放大器。

所述的细分辨向模块判断被测量系统的运动方 向的方法为： 当 A相超前 B 相时， 则认为振动台运动部件正向运行； 当 B相超前 A相时， 则认为振动台运 动部件反向运行；

对于振动台运动部件沿运动方向尺寸小于振动 台行程的长行程振动台， 光 栅尺标尺安装于所述的振动台的固定部件上， 光栅尺读数头安装于所述的振动 台的运动部件上。

所述的光栅尺标尺的一侧设有为振动台位移检 测提供测量基准的零位块。 所述的光栅尺标尺的另一侧设有保证振动台不 会超出安全行程的第一限位 块和第二限位块。

本发明的工作过程如如图 1所示。 直线光栅尺输出信号为相位差为 90° 的 A/B脉冲，首先经滤波整形和电平转换模块，转 换为具有标准形状和电平的脉冲 信号， 接着对该标准脉冲信号进行四倍频和辨向， 然后经模拟转换模块转化为 模拟信号， 该模拟信号的电压值和测量的位移成正比。 模拟信号经比例放大器 放大后， 与信号发生器输出的标准信号进行求差运算得 到偏差， 再经 PID控制 器， 输出控制信号注入功率放大器， 从而驱动振动台进行纠偏运动， 实现振动 台位移对输入信号源的跟踪。 当信号发生器输出具有极小失真度的正弦信号 时， 振动台也将输出具有极小失真度的位移信号， 从而达到提高振动台输出波形精 度的目的。

本发明将直线光栅尺输出的 A/B脉冲信号转化为反映振动台位移变化的模 拟信号， 将直线光栅尺用于振动台位移反馈控制系统中 ， 提高振动台的运行精 度。

本发明的工作原理是： 振动台运动时，光栅尺产生相位差为 90°的 A/B脉冲 信号， 该信号经滤波整形、 电平转换后转换为标准脉冲信号， 接着进入细分辨 向模块： 当 A相超前 B相时， 表示振动台运动部件正向运行， 辨向信号为高电 平； 反之， 当 A相落后 B相时， 表示振动台运动部件反向运行， 辨向信号为低 电平； 同时， A/B信号相位差 90° ， 可对其进行四倍频， 进一步提高光栅尺信 号的分辨率。 辨向信号和倍频后信号输出给后续可逆计数器 ， 再经后续数模转 换模块转换为模拟信号， 具体过程为： 如图 2所示， 首先在光栅尺的零位处， 启动 16位可逆计数器复位， 复位后的输出数字量保证通过后续 16位 D/A转换 模块后输出为 0V,本实施例中的 D/A转换模块输入 FFFF (十六进制)，对应模拟 信号 10V, 而输入 0000(十六进制)， 对应模拟信号 -10V, 故可逆计数器输出复 位数字量设为 8000(十六进制)；系统开始运行时， 当光栅尺辨向信号为高电平时 (表示振动台运动部件正向运动）， 计数器进行加 1计数； 反之， 则进行减 1计 数。 由 D/A转换模块输出的模拟信号经低通滤波器滤去 高频噪声后输出， 该模 拟信号与位移信号呈比例对应关系。

直线光栅尺脉冲信号模拟转换后， 经比例放大后， 转换为具有适当大小的 位移反馈信号， 与信号发生器输出的标准信号进行求差运算得 到偏差，再经 PID 控制器， 输出控制信号注入功率放大器， 从而驱动振动台进行纠偏运动， 实现 振动台位移对输入信号源的跟踪。

图 3中， 对于长行程振动台 1， 光栅尺读数头 4直接与运动部件 2连接， 而 光栅尺标尺的安装面要求平整，光栅尺标尺 6则固定在振动台台体或滑台导轨 8， 振动台台体和滑台导轨均属于振动台的固定部 件。第二限位块 7、第一限位块 3、 零位 5则分别固定在标尺 6两侧的相应位置。 安装时应保证光栅尺读数头 4感 应部分在振动台行程内均位于标尺 6的正上方； 标尺 6要求严格与运动部件 2 的运行轨迹平行； 第二限位块 7、 第一限位块 3、 零位 5位于适当位置， 以保证 可被读数头 4感应， 且感应时， 刚好处于左、 右极限位置或零位。 此外， 读数 头 4还可通过支架与运动部件 2连接， 此时要求该支架需具有足够强度， 在运 行过程中不出现晃动等现象， 同时要求支架可在一定范围内调节读数头 4的安 装方位， 以进行微调， 提高光栅尺的测量性能； 同时， 在设计安装结构时， 需 注意光栅尺在振动台运行过程中的防护， 防止发生碰撞或污损读数头等。 图 4 为动读数头式安装结构局部放大图。 本图仅示意光栅尺的安装方式， 具体需根 据各振动台具体结构设计。

实施例二

参照图 5-6

本实施例与实施例一的区别在于： 对于振动台运动部件沿运动方向尺寸大 于振动台行程的短行程振动台， 光栅尺标尺安装于所述的振动台的运动部件上 ， 光栅尺读数头安装于所述的振动台的固定部件 上。 其余相同。

由于光栅尺标尺的安装面要求平整， 故需在运动部件 12上的适当位置加工 安装面。 而光栅尺读数头 15则由安装支架 11固定在垂直振动台的导轨支座 10 上，而导轨支座 10被固定在垂直台台体 9上，导轨支架属于振动台的固定部件， 从而保证读数头的稳定。 第一限位块 13、 第二限位块 16、 零位固定于标尺 14 两侧的相应位置。 同样， 安装支架 11除具有足够刚度外， 还要求可以在小范围 内调节读数头的安装方位， 以提高光栅尺的测量性能。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思 的实现形式的列举， 本发明 的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述 的具体形式， 本发明的保护范围 也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够 想到的等同技术手段。