一种电磁式线—角振动激励装置的制作方法

一种电磁式线
—
角振动激励装置
技术领域
1.本发明涉及线振动角振动激励，具体涉及一种电磁式线—角振动激励装置。


背景技术：

2.mems惯性传感器广泛应用于航空航天、轨道交通、智能汽车和桥梁监测等诸多领域，为确保其量值的准确可靠，需要对其动态特性进行校准，振动校准装置是实现mems惯性传感器灵敏度、线性度、动态特性测量和校准的重要组成部件，而振动激励装置是mems惯性传感器校准系统的振动源，其输出振动量和波形失真度很大程度上决定了mems惯性传感器的校准精度。
3.《微机电(mems)线加速度计校准规范(jjf 1427
‑
2013)》和《微机电(mems)陀螺仪校准规范(jjf
‑
1535
‑
2015)》分别规定了微机电线加速度计和微机电陀螺仪的校准项目和校准方法，微机电线加速度计和微机电陀螺仪的频率响应特性测试分别采用线振动激振器和角振动激振器进行不同频率和幅值的正弦运动激励，传感器输出信号与标准振动量信号比较后获得mems惯性传感器敏感轴方向的频率响应特性。对于近年来出现的mems惯性测量单元动态特性校准需求，现有的校准规范对此没有给出校准方法和校准装置，而传统单轴向振动校准技术只能复现理想环境下的一维直线振动或角振动，无法复现出线振动
‑
角振动耦合的空间运动，严重制约了我国mems惯性测量单元传感器技术的发展。因此，研制一种可同步输出线振动
‑
角振动的激励装置具有重要的科学价值和工程意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种电磁式线—角振动激励装置，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。
5.为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
6.一种电磁式线
‑
角振动激励装置，包括运动部件、磁路组件、线圈组件、复位组件。
7.所述运动部件有盖无底的筒形，在所述运动部件顶部设置工作台；
8.所述磁路组件包括底座、支承座、外磁环、内磁芯、第一永磁体、第二永磁体；
9.所述外磁环固定在底座上，所述内磁芯插入所述外磁环内，所述内磁芯与所述外磁环同心，所述内磁芯固定在所述支撑座上，
10.在所述内磁芯周向四等分位置、所述第一永磁体和所述第二永磁体交替设置；
11.在所述内磁芯轴向上，所述第二永磁体与所述内磁芯的上下两端面齐平，所述第一永磁体位于两个所述第二永磁体中间；
12.所述第一永磁体、与所述内磁芯、所述外磁环及气隙形成角振动闭合磁回路，
13.所述第二永磁体、与所述内磁芯、所述外磁环及气隙形成线振动闭合磁回路；
14.所述线圈组件缠绕在所述运动部件表面；
15.所述运动部件插入所述外磁环和所述内磁芯之间，让所述线圈组件通入正弦交变电流，使所述运动部件输出正弦变化的线
‑
角振动；
16.所述复位组件使所述运动部件相对于所述磁路组件保持平衡。
17.在本发明中永磁体和线圈之间形成磁场，通过线圈通电让运动部件受力发生线—角振动，复位组件始终保证线圈与对应的永磁体处于正确的位置。
18.进一步的：线圈组件包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈包括第一圆周部和第一轴向部两部分。
19.所述第二线圈包括第二圆周部和第二轴向部两部分。第一线圈和第二线圈串联连接；第一线圈和第二线圈的绕线方向相反，其中第一轴向部与第二轴向部首尾相邻，第一圆周部和第二圆周部径向对称。
20.第一永磁体和第二永磁体吸附在内磁芯上，径向磁化；基于安培定律，结合运动部件产生角振动和线振动的需要，为形成角振动气隙磁场和线振动气隙磁场。
21.当线圈组件通入正弦交变电流时，且线圈组件的轴向部(第一轴向部和第二轴向部)位于角振动运动气隙磁场内，运动部件可输出正弦变化的角振动。
22.当线圈组件通入正弦交变电流时，且线圈组件的圆周部(第一圆周部和第二圆周部)位于线振动气隙磁场内，运动部件可输出正弦变化的线振动。
23.进一步的：所述复位组件包括支架、弹性绳；所述支架固定在外磁环上端面，所述弹性绳的一端固定在所述支架上，所述弹性绳的另一端固定在所述运动部件上。
24.进一步的：所述复位组件为若干个，在所述运动部件周向等分设置。
25.进一步的：所述弹性绳的两端固定在活节螺栓上，所述活节螺栓螺旋连接在运动部件上，所述弹性绳的中间套在支架上。
26.进一步的：在所述外磁环上端内侧面和下端内侧面分别开设径向节流孔，所述节流孔沿圆周方向均匀分布，所述节流孔与所述运动部件的外壁相对。
27.由于运动部件和外磁环之间距离小，在运动部件的实际运动过程中，运动部件与外磁环之间极易发生碰撞或是摩擦，将造成输出结果不准确或是无法获得输出结果。
28.因此在运动部件的上下两端分别设置节流孔，外接压缩气流；让运动部件和外磁环之间形成一个气膜，气膜压力和气膜厚度的相互变化从而起到径向支撑作用，当运动部件线振动
‑
角振动时，径向气浮支撑部件起到润滑作用，极大减小运动部件的摩擦力，降低输出运动量波形失真度。
29.进一步的：在所述运动部件的外表面设置凹槽，所述线圈组件嵌入凹槽内。
30.本发明的技术效果是：
31.本发明中当线圈组件通入正弦交变电流时，通电线圈与磁路组件的气隙磁场相互耦合，运动部件受到安培力的作用而产生正弦型扭转力矩或上下作用力，从而驱动运动部件发生线振动和角振动，当电磁式线
‑
角振动激励装置结构确定后，运动部件输出的运动量与通入线圈组件的电流成正比。
附图说明
32.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.在附图中：
34.图1是本发明的整体结构示意图。
35.图2是本发明的运动部件结构示意图。
36.图3是本发明的线圈组件结构示意图。
37.图4是本发明的磁路部件结构示意图。
38.图5是本发明的角振动闭合磁回路结构示意图。
39.图6是本发明的线振动闭合磁回路结构示意图。
40.图7是本发明的径向气浮支撑部件结构示意图(省略线圈)。
41.图8是图7的局部放大示意图。
42.其中，上述附图包括以下附图标记：
43.mems惯性测量单元传感器1，运动部件2，工作台面21，上环面22；
44.线圈组件23，第一线圈231，第一圆周部2311，第一轴向部2312；
45.第二线圈232，第二圆周部2321，第二轴向部2322；
46.凹槽24；下环面25；
47.立杆31，横杆32，弹性绳33，活节螺栓34；
48.外磁环41，内磁芯42，第一永磁体43，第二永磁体44；
49.底座51，支承座52；
50.节流孔61，外磁环局部环面62，运动部件局部环面63。
具体实施方式
51.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。
52.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
53.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
54.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
55.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和
“
在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
56.如图1—图8所示，一种电磁式线
‑
角振动激励装置，包括运动部件2、磁路组件、线圈组件、复位组件。
57.所述运动部件有盖无底的筒形，在所述运动部件顶部设置工作台21。mems惯性测量单元传感器1安装于运动部件的工作台面上21。
58.如图4，所述磁路组件包括底座51、支承座52、外磁环41、内磁芯42、第一永磁体43、第二永磁体44。
59.所述外磁环41固定在底座51上，所述内磁芯42插入所述外磁环41内，所述内磁芯42与所述外磁环41同心，所述内磁芯42固定在所述支撑座52上。
60.在所述内磁芯42周向四等分位置、所述第一永磁体43和所述第二永磁体44交替设置；在所述内磁芯42轴向上，所述第二永磁体44与所述内磁芯42的上下两端面齐平，所述第一永磁体43位于两个所述第二永磁体44中间。
61.所述第一永磁体43、与所述内磁芯42、所述外磁环41及气隙形成角振动闭合磁回路，
62.所述第二永磁体44、与所述内磁芯42、所述外磁环41及气隙形成线振动闭合磁回路；
63.如图2、图3所示，所述线圈组件绕在所述运动部件外。在所述运动部件的外表面设置凹槽24，所述线圈组件嵌入凹槽内。线圈组件与运动部件外壁保持齐平。
64.线圈组件23包括第一线圈231和第二线圈232。
65.所述第一线圈231包括第一圆周部2311和第一轴向部2312两部分。
66.所述第二线圈232包括第二圆周部2321和第二轴向部2322两部分。
67.第一线圈231和第二线圈232串联连接；第一线圈231和第二线圈232的绕线方向相反，其中第一轴向部2312与第二轴向部2322首尾相邻，第一圆周部2311和第二圆周部2321径向对称。
68.所述运动部件插2入所述外磁环41和所述内磁芯42之间，让所述线圈组件23通入正弦交变电流，使所述运动部件2输出正弦变化的线
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角振动。
69.所述复位组件使所述运动部件相对于所述磁路组件保持平衡。
70.第一永磁体43和第二永磁体44吸附在内磁芯42上，径向磁化；基于安培定律，结合运动部件产生角振动和线振动的需要，为形成角振动气隙磁场和线振动气隙磁场。
71.当线圈组件23通入正弦交变电流时，且线圈组件23的轴向部(第一轴向部2312和第二轴向部2322)位于角振动运动气隙磁场内，运动部件可输出正弦变化的角振动。
72.当线圈组件23通入正弦交变电流时，且线圈组件23的圆周部(第一圆周部2311和第二圆周部2321)位于线振动气隙磁场内，运动部件可输出正弦变化的线振动。
73.如图5和如图6所示的两个独立角振动气隙磁场和线振动气隙磁场分别与线圈组件轴向部和圆周部相互作用，根据安培定律，运动部件能够同时产生角振动
‑
线振动复合的空间运动。
74.如图5所示，线圈组件的轴向部(第一轴向部2312和第二轴向部2322)位于角振动气隙磁场内，该气隙磁场磁路包括外磁环41、内磁芯42、第一永磁体组43及气隙。
75.此处线圈组件的电流方向是轴向方向，左侧第一线圈231的轴向部电流和右侧第二线圈232的轴向部电流方向相反，位于左侧的第一永磁体43大径处为n极和小径处为s极，位于右侧的第一永磁体43大径处为s极和小径处为n极，第一永磁体43位于线圈组件轴向部的中间位置，当线圈组件通入正弦交变电流时，此时角振动气隙磁场的磁感应强度与电流方向垂直，根据左手定则，线圈组件轴向部(第一轴向部2312和第二轴向部2322)受到安培力的作用，对于左侧第一轴向部2312和右侧第二轴向部2322受力方向相反，从而引起运动部件角振动。
76.如图6所示，线圈组件的圆周部(第一圆周部2311和第二圆周部2321)位于线振动气隙磁场内，该气隙磁场磁路包括外磁环41、内磁芯42、第二永磁体44及气隙。
77.此处线圈组件的电流方向是圆周方向，左侧第一圆周部2311和右侧第二圆周部2321电流方向相反，位于左侧的第二永磁体44大径处为n极和小径处为s极，位于右侧的第二永磁体44大径处为s极和小径处为n极，第二永磁体44位于线圈组件圆周部(第一圆周部2311和第二圆周部2321)的中间位置，当线圈组件通入正弦交变电流时，此时线振动气隙磁场的磁感应强度与电流方向垂直，根据左手定则，线圈组件圆周部(第一圆周部2311和第二圆周部2321)受到安培力的作用，对于左侧第一圆周部2311和右侧第二圆周部2321受力方向相同，从而引起运动部件线振动。
78.在某些实施例中：所述复位组件包括支架、弹性绳33；所述支架固定在外磁环上端面，所述弹性绳33的一端固定在所述支架上，所述弹性绳的另一端固定在所述运动部件上。
79.在这里支架包括立杆31和横杆32，立杆固定在外磁环41上端面，横杆固定在立杆顶部；弹性绳(在这里采用乳胶管或橡胶管)套在横杆32上。
80.弹性绳的两活动端固定在活节螺栓上，活节螺栓螺旋连接在运动部件上(优选是上端面)，通过活节螺栓的高度调节弹性绳的预紧力。
81.进一步的：所述复位组件为若干个，在所述运动部件2周向等分设置。
82.进一步的：所述弹性绳33的两端固定在活节螺栓上，所述活节螺栓螺旋连接在运动部件上，所述弹性绳33的中间套在支架上。
83.通过活节螺栓34来调节弹性绳33的松紧状态，让弹性绳的预紧力与运动部件的重力相平衡，当运动部件发生上下线振动或旋转角振动时，处于张紧状态下的弹性绳33新增变形量能够给运动部件提供线振动和角振动的恢复力，重新处于平衡位置。而在这里采用三角式拓扑结构解决复合振动平衡位置恢复问题，不仅能克服运动部件自身重力，而且还能提供运动部件线振动和角振动时的弹性恢复力。
84.进一步的：在所述外磁环41上端内侧面和下端内侧面(局部环面62)分别开设径向节流孔61，所述节流孔61沿圆周方向均匀分布，所述节流孔61与所述运动部件2的外壁相对。节流孔61通过外磁环41上的盲孔与外接高压气源连接。
85.在运动部件的局部环面63(如图2所示，在运动部件2的上下两端部的环面，分别为上环面22、下环面25)和外磁环局部环面62之间在节流孔61气流作用下形成气膜层，气膜压力和气膜厚度的相互变化从而起到径向支撑作用，当运动部件发生线振动
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角振动时，径向气浮支撑部件起到润滑作用，极大减小运动部件的摩擦力，降低输出运动量波形失真度。
86.本发明采用新型磁路拓扑结构解决复合振动解耦问题，能提供运动部件线振动
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角振动的气隙磁场，实现运动部件线振动
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角振动同步输出；在这里复位组件采用三角式乳
胶管拓扑结构解决复合振动平衡位置恢复问题，不仅能克服运动部件自身重力，而且还能提供运动部件线振动和角振动时的弹性恢复力。同时各部分采用模块化结构设计，结构简单，安装方便。
87.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。