用于將載荷施于材料的設(shè)備和方法
【專利說明】用于將載荷施于材料的設(shè)備和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 本公開涉及能夠?qū)⑤d荷（load)(例如，循環(huán)載荷（cyclical load))施于材料 以便例如確定材料的各種特性的系統(tǒng)。這些類型的系統(tǒng)由Bose公司的ElectroForce ，系統(tǒng)組售出。此類型系統(tǒng)的示例是Electr〇F〇rce，3200測(cè)試儀器。線性電磁電動(dòng)機(jī)被 用于將載荷施于材料。傳感器(例如，載荷單元)當(dāng)材料在載荷下時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的輸出，且提供 用于控制電動(dòng)機(jī)操作的反饋信號(hào)。由系統(tǒng)和/或被測(cè)試的材料引入傳感器的相對(duì)高頻共振 和相位延遲能夠?qū)е路答佇盘?hào)相反地影響電動(dòng)機(jī)的操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 以下提到的所有示例和特征能夠通過任何技術(shù)上可能的方式來(lái)組合。
[0003] 在一個(gè)方面，一種使用混合反饋信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)的方法包括提供具有預(yù)定波形的 輸入信號(hào)至系統(tǒng)以及通過傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出。傳感器的輸出信號(hào)在第一頻帶中被使 用，作為反饋信號(hào)的第一部分。模仿信號(hào)在第二頻帶中被創(chuàng)建，所述模仿信號(hào)當(dāng)與傳感器的 輸出信號(hào)在第二頻帶中相比較時(shí)，具有大體上減小的（i)共振、（ii)相位延遲以及（iii)噪 聲中的一個(gè)或更多。所述模仿信號(hào)在第二頻帶中被使用，作為反饋信號(hào)的第二部分。
[0004] 實(shí)施例可以包括以下特征的一個(gè)，或者其任何組合。反饋信號(hào)被利用來(lái)改變輸入 信號(hào)。第一頻帶比第二頻帶更低。第一頻帶的頂部大體上鄰近于第二頻帶的底部。傳感器 能夠測(cè)量載荷、位移（displacement)、張力（strain)、壓力（pressure)、扭矩（torque)、應(yīng) 力（stress)和旋轉(zhuǎn)（rotation)的至少一個(gè)。所述方法進(jìn)一步包括（a)將輸入信號(hào)與反饋 信號(hào)差分組合以獲得初始控制信號(hào)，（b)獲得反饋信號(hào)的第一或更高階導(dǎo)數(shù)（derivative)， (c)將初始控制信號(hào)與反饋信號(hào)的導(dǎo)數(shù)差分組合以獲得最終控制信號(hào)，以及（d)將最終控制 信號(hào)施于致動(dòng)器（actuator)，這導(dǎo)致該致動(dòng)器創(chuàng)建能夠被施于材料的載荷。
[0005] 在另一個(gè)方面，一種控制用于將載荷施于材料的系統(tǒng)的方法包括提供具有預(yù)定波 形的參考信號(hào)，以及將參考信號(hào)與反饋信號(hào)差分組合以獲得初始控制信號(hào)。反饋信號(hào)的第 一或更高階導(dǎo)數(shù)被獲得。初始控制信號(hào)與反饋信號(hào)的導(dǎo)數(shù)被差分組合以獲得最終控制信 號(hào)。最終控制信號(hào)施于致動(dòng)器，這導(dǎo)致該致動(dòng)器創(chuàng)建能夠被施于材料的載荷。當(dāng)載荷正被 施于材料時(shí)，傳感器用于測(cè)量系統(tǒng)的輸出。傳感器的輸出信號(hào)被傳遞通過低通濾波器以創(chuàng) 建低通信號(hào)。
[0006] 實(shí)施例可以包括以上和/或以下特征的一個(gè)，或者其任何組合。最終控制信號(hào)被 處理以獲得模仿信號(hào)，其與傳感器的輸出信號(hào)相比較，具有大體上減小的共振、大體上減小 的相位延遲和大體上減小的噪聲中的一個(gè)或更多。模仿信號(hào)被傳遞通過高通濾波器以獲得 高通信號(hào)。低通信號(hào)與高通信號(hào)被組合以創(chuàng)建反饋信號(hào)。低通濾波器與高通濾波器大體上 合成（sum to) -個(gè)。
[0007] 在仍有的另一個(gè)方面，一種用于將載荷施于材料的設(shè)備包括信號(hào)生成器，其能夠 創(chuàng)建具有預(yù)定波形的參考信號(hào)。第一信號(hào)組合器能夠?qū)⒖夹盘?hào)與反饋信號(hào)差分組合以獲 得初始控制信號(hào)。信號(hào)操縱器（signal manipulator)能夠獲得反饋信號(hào)的第一或更高階 導(dǎo)數(shù)。第二控制信號(hào)組合器能夠?qū)⒊跏伎刂菩盘?hào)與反饋信號(hào)的導(dǎo)數(shù)差分組合以獲得最終控 制信號(hào)。最終控制信號(hào)能夠被施于致動(dòng)器以導(dǎo)致致動(dòng)器創(chuàng)建能夠被施于材料的載荷。最終 控制信號(hào)被處理以獲得模仿信號(hào)，其與傳感器的輸出信號(hào)相比較，具有大體上減小的共振 和大體上減小的相位延遲中的一個(gè)或更多，所述傳感器用于當(dāng)載荷被施于材料時(shí)測(cè)量該設(shè) 備的輸出。
[0008] 實(shí)施例可以包括以上和/或以下特征的一個(gè)，或者其任何組合。模仿信號(hào)被傳遞 通過高通濾波器以獲得高通信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)被傳遞通過低通濾波器以創(chuàng)建低通信 號(hào)。低通信號(hào)與高通信號(hào)被組合以創(chuàng)建反饋信號(hào)。低通濾波器與高通濾波器大體上合成一 個(gè)。
[0009] 在仍有的另一個(gè)方面，一種控制用于將載荷施于材料的系統(tǒng)的方法包括將最終控 制信號(hào)施于致動(dòng)器，這導(dǎo)致該致動(dòng)器創(chuàng)建能夠被施于材料的載荷。當(dāng)載荷正被施于材料時(shí)， 傳感器被導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的輸出。輸出信號(hào)從傳感器被讀取。最終控制信號(hào)被處理以獲得模 仿信號(hào)，其與輸出信號(hào)相比較，具有大體上減小的共振和大體上減小的相位延遲中的一個(gè) 或更多。模仿信號(hào)被傳遞通過濾波器機(jī)構(gòu)以獲得高通信號(hào)。
[0010] 實(shí)施例可以包括以上和/或以下特征的一個(gè)，或者其任何組合。傳感器的輸出信 號(hào)被傳遞通過濾波器機(jī)構(gòu)以創(chuàng)建低通信號(hào)。濾波器機(jī)構(gòu)包括低通濾波器與高通濾波器，它 們合成一個(gè)。具有預(yù)定波形的參考信號(hào)被輸入到系統(tǒng)。參考信號(hào)與反饋信號(hào)差分組合以獲 得初始控制信號(hào)。傳感器測(cè)量材料的特性。
【附圖說明】
[0011] 圖1是用于將載荷施于材料的系統(tǒng)的透視圖； 圖2是在圖1系統(tǒng)中使用的信號(hào)處理布置的框圖； 圖3是對(duì)于圖1的系統(tǒng)的載荷單元的輸出的、相位和幅值相對(duì)于頻率的對(duì)數(shù)圖示；以及 圖4類似于圖3,但還包括反饋信號(hào)的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 以下描述討論具有線性電磁電動(dòng)機(jī)的用于將載荷施于材料的系統(tǒng)。傳感器(例如， 載荷單元）在載荷被施于材料時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的輸出，且提供用于控制電動(dòng)機(jī)操作的反饋信號(hào)。 由系統(tǒng)和/或被測(cè)試的材料引入傳感器的共振和相位延遲傾向于在某個(gè)頻帶中呈現(xiàn)，該頻 帶比載荷被打算施于材料所在的頻帶相對(duì)更高。傳感器的輸出被傳遞通過濾波器機(jī)構(gòu)以獲 得低通濾波的信號(hào)?？刂齐妱?dòng)機(jī)操作的最終信號(hào)被處理以計(jì)算模仿信號(hào)，其與相對(duì)更高頻 帶中的最終控制信號(hào)相比，具有大體上減小的共振和/或相位延遲。該模仿信號(hào)被傳遞通 過濾波器機(jī)構(gòu)以獲得高通濾波的信號(hào)，以及然后與來(lái)自傳感器的低通濾波的信號(hào)組合以提 供更新的反饋信號(hào)。結(jié)果，系統(tǒng)被轉(zhuǎn)換為第二(或者更高）階系統(tǒng)，而沒有相位延遲。
[0013] 參考圖1，用于將載荷施于材料樣品（未示出）的系統(tǒng)10包括較低的機(jī)體 (housing)12和較高的機(jī)體14。采用線性電-磁電動(dòng)機(jī)(未示出)形式的致動(dòng)器（actuator) 包含在較高的機(jī)體14中。材料被放置在較高的樣品鉗（grip)16和較低的樣品鉗18之間。 鉗之間的距離被調(diào)整以便固定（secure)鉗之間的材料。這通過以下步驟來(lái)完成：打開一對(duì) 夾具20,升高或者降低較低的鉗所固定到的臺(tái)22,以及然后關(guān)閉所述夾具20。取決于材料 的類型，不同類型的鉗能夠被用來(lái)固定材料。電動(dòng)機(jī)能夠移動(dòng)較高的鉗16 (例如，上和下） 以將載荷施于鉗之間被固定的材料。當(dāng)載荷正被施于材料時(shí)，較低的鉗18在靜止的位置被 固定。各種類型的載荷（比如壓縮（compression)、拉緊（tension)、扭矩、彎曲（bending)， 等等）能夠被施于材料，這取決于系統(tǒng)10的布置。
[0014] 當(dāng)載荷經(jīng)由樣品鉗16和18被施于材料時(shí)，傳感器24 (例如，載荷單元）測(cè)量系統(tǒng) 10的輸出（其能夠包括材料的特性)。各種類型的傳感器能夠被用于測(cè)量系統(tǒng)的許多不同的 輸出，比如載荷、位移、張力、應(yīng)力、速度、加速度、壓力、扭矩、旋轉(zhuǎn)等等。處理器26是系統(tǒng)10 的部分以及控制系統(tǒng)10的操作。處理器通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線28和30來(lái)連接至傳感器24 和系統(tǒng)10 (以控制電動(dòng)機(jī))。至系統(tǒng)10的電力通過AC主線（mains)提供。到系統(tǒng)10中的 所有或一些的功率可以由電源和變壓器來(lái)調(diào)節(jié)。
[0015] 轉(zhuǎn)至圖2,處理器26包括信號(hào)生成器32,信號(hào)生成器32能夠提供具有預(yù)定波形 (例如，具有已知頻率和振幅的正弦波）的參考(輸入）信號(hào)34至系統(tǒng)10。參考信號(hào)然后被 傳遞通過具有例如100 Hz的截止（cutoff)的低通濾波器36。從低通濾波器36輸出的參 考信號(hào)被傳遞至信號(hào)組合器38,在那里，它與反饋信號(hào)40差分組合。反饋信號(hào)40也被傳遞 至導(dǎo)數(shù)框42,在那里信號(hào)被操縱，以獲得反饋信號(hào)的第一或更高階導(dǎo)數(shù)。組合器38的采用 初始控制信號(hào)44形式的輸出在比例積分（PI)框46中被處理。出自PI框46的初始控制 信號(hào)與出自導(dǎo)數(shù)框42的反饋信號(hào)的導(dǎo)數(shù)在信號(hào)組合器48中被差分組合。
[0016] 組合器48的采用最終控制信號(hào)50形式的輸出被施于致動(dòng)器52 (在上面關(guān)于圖1 被提到過)。數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(未示出)將最終控制信號(hào)50從數(shù)字形式轉(zhuǎn)換為模擬形式(在 此信號(hào)被施于致動(dòng)器52之前)。如上所述，致動(dòng)器52創(chuàng)建載荷54,其經(jīng)由一對(duì)樣品鉗16、 18被施于材料樣品。當(dāng)樣品在載荷下時(shí)，系統(tǒng)10的特性或者輸出(例如，載荷)通過傳感器 24來(lái)測(cè)量。傳感器24輸出的信號(hào)也包括來(lái)自系統(tǒng)10和/或材料樣品的共振56 (其可以 具有關(guān)聯(lián)的相位延遲)，因?yàn)閭鞲衅鞅贿@些共振所振動(dòng)。傳感器24的輸出信號(hào)58由模擬到 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(未示出）從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以及然后被傳遞至濾波器機(jī)構(gòu)的低通濾 波器60以在第一頻帶中創(chuàng)建低通信號(hào)61。
[0017] 最終控制信號(hào)50也被傳遞至模仿框62,在其中信號(hào)被處理以獲得模仿信號(hào)64,其 相比輸出信號(hào)58,具有大體上減小的（a)共振、（b)噪聲以及（c