CN101430237A - 一种振动试验中的多维力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动试验中的多维力测试系统，包括相互机械、电连接的上连接板、力传感器、下连接板、信号处理部件以及计算机。上连接板与待测试的试件机械连接，多个力传感器置于上连接板和下连接板之间，并与上连接板和下连接板机械连接，下连接板与振动台的基座机械连接。每个力传感器通过传感器信号连接线与信号处理部件电连接。在试验中，每个力传感器实时采集待测试的试件与上连接板之间的多维接触力信息，传送给信号处理部件，信号处理部件将力传感器的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，并将融合后的信息通过通讯连接线传送给计算机，供振动试验进行反馈控制使用。本发明为我国航天器振动试验提供有效的多维力信息测量设备。

Description

一种振动试验中的多维力测试系统

技术领域 本发明涉及航天器动力学环境试验领域，特别涉及卫星等航天器的一种振动试验中的多维力测试系统。

背景技术 航天器是一类十分特殊的产品，它具有许多其它产品所没有的特点，为了保证它的可靠性和具有所要求的工作性能与寿命，除了精心设计和制造外，通过大量的环境模拟试验来验证产品的设计和制造质量是主要的和经济有效的手段。为了保证航天器及其各分系统和组件能够承受地面运输、发射阶段和返回阶段中的动力学环境，需要进行充分的动力学环境模拟试验。

振动环境是普遍存在的最为重要的一种动力学环境，在动力学环境试验中占有特殊的地位，特别是在航天器的验证和鉴定过程中，振动试验起着至关重要的作用。振动环境会导致卫星等航天器结构的损坏，仪器设备不能正常工作或发生故障，因此，在卫星设计中对振动环境十分重视，有时需要采取专门的防振隔振措施，同时要进行振动试验进行设计检验和暴露产品制造中的质量缺陷。不仅对卫星组件(仪器、设备)做振动试验，卫星的振动试验也是十分重要的，振动试验是卫星研制中最重要和数量最大的试验项目之一。

各先进航天航空工业国家对振动环境试验方法相当重视，不断改进试验方法，并研制相应的试验设备，努力使振动环境试验获得更为合理的结果。在振动环境试验中，只要振动试验的某个或者某些点的某一动力学特性(加速度或者力等)的自功率谱密度与实际振动环境的自功率谱密度相同(包括峰值和谷值)，就能实现对实际振动环境的近似模拟，而与试验时振动输入激励方式和激励点位置无关。所以在振动环境试验设计中，控制点上动力学特性标准谱的制订非常重要，若标准谱定义过高，会产生“过试验”现象，可能造成产品在实际工作环境下能正常工作，却在振动环境试验中出现失效；若标准谱定义过低，会产生“欠试验”现象，产品虽然通过了振动环境试验，但在实际工作环境下却可能出现失效。典型的航天器振动试验通常是在试验装置靠近振动台和试验件界面处，在给定的加速度量级下进行。正弦振动时，激励振级必须达到指定量级，并将输入力谱控制在试验允许的偏差范围内。实际上，试验件共振频率处的机械反射阻抗较大，因此需用较大的力保持界面的加速度振级，正是这个由振动台刚性夹具提供的力，引发了严重的过试验问题。

为了解决过试验的问题，国外进行了大量研究工作。在试验方法上基本思路有三个：①阻尼模拟；②响应控制技术；③力限控制技术。阻尼模拟的方法很少采用，因为它需要附加的结构，因而也需要额外的费用。目前在航天器系统级试验中普遍采用响应控制技术。响应控制技术一般有两种方式：一种是限制关键位置的加速度响应，另一种是通过限制质心加速度响应以限制试验件受到的最大支反力。一般认为加速度响应控制比较复杂，试验条件不易确定。限制关键位置的加速度响应主要存在两个问题：一是响应控制量级的预示精度不理想，二是关键位置很难安装传感器。对试验件质心加速度响应的控制在概念上与力限是一致的，但它存在两个问题：一是试验件质心位置经常是没有物理结构，无法在质心位置安装传感器；二是质心位置仅对于一个刚体是固定的，当试验件共振或变形时，就不可能用加速度传感器测得质心的加速度。由于基于力限技术的振动试验是测量和限制力，这样就可以有效避免上述问题。

从上世纪90年代开始，力限控制试验方法逐渐在美国NASA和欧洲空间局得到应用，在我国航天器振动环境试验中的研究和应用刚开始，北京卫星环境工程研究所对此进行了初步的试验。

力限控制技术是解决振动试验中过试验问题的一个较好途径，用力限控制试验方法进行振动试验量级的响应控制和下凹，更接近于航天器实际发射情况下的受力，模拟发射时的运载环境，克服单轴加速度响应方法的缺陷，有效防止过试验和欠试验现象，为卫星等航天器结构设计提供合理依据，在航天器系统级振动试验和部组件振动试验中能够发挥较大的作用。力限控制试验方法考虑了卫星等航天器在振动试验中试件连接面处的加速度和受力两方面情况，是加速度和力双重控制方法，在力限控制中主要以加速度进行控制，当卫星共振时输入给卫星的力超过给定条件时，加速度试验条件就会自测量和控制技术是试验质量的关键，因此对力信息测量设备、力信号采集和动下凹，从而有效解决试验中过欠试验问题。在力限控制试验中，力信息的处理技术以及控制方法等提出了很高的要求。

经检索查新，其中专利号为CN1702248A的“一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座”的专利被认为是最接近的现有技术，此专利属于结构隔震控制与振动控制技术领域，适合建筑物及仪器、设备隔震减震，与振动试验中的多维力测试系统无关。

在现有技术中有欧洲空间局研制的用于航天器测试的力测量装置FMD(Force Measurement Device)，发布于2001年2月欧洲空间局第105期公告的文章“一种新的力测量装置”中进行了介绍，其中力测量装置包括2个支撑环、8个压电型三维力传感器和1个信号处理单元。在两个刚性支撑环之间安装8个三轴压电晶体力传感器，下面的支撑环安装在试验设备上，上面的支撑环安装在试件连接器上。上支撑环是按有1194mm界面高度的阿里安4卫星试验而设计的。信号处理单元用来处理三维力传感器的信息。

现有技术中的力测量装置存在着不足之处，其一，力测量装置使用2个圆环来连接8个三维力传感器，圆环直径比较大，不易加工，并且在安装过程中容易发生形变，影响测量精度；其二，力测量装置中的压电型三维力传感器，在使用前需要施加预紧力，在力测量装置中使用8个压电型三维力传感器，很难保证8个压电型三维力传感器的预紧力一致。

发明内容 本发明的目的是：避免上述现有技术中力测量装置的不足之处，提供一种振动试验中的多维力测试系统。该系统是能够实时同步获取卫星等航天器在振动试验中连接面处的多维力信息的测试系统，为航天器振动试验提供更多的数据，为振动控制提供更加充分的力信息，为我国的航天器振动试验提供有效的力信息测量设备。

本发明的技术方案是：一种振动试验中的多维力测试系统，包括相互机械连接的上连接板、力传感器、下连接板、信号处理部件，特别是：

上连接板置有多组试件安装孔与待测试的试件机械连接；

力传感器是膜片结构的多个力传感器，力传感器通过传感器上安装孔与上连接板的上连接板安装孔机械连接；力传感器通过传感器下安装孔与下连接板的下连接板安装孔机械连接；

力传感器与上连接板通过上连接板中心定位销进行中心定位；力传感器与下连接板通过下连接板中心定位销进行中心定位；力传感器与下连接板通过下连接板方位定位销进行方向定位；力传感器通过传感器信号连接线与信号处理部件电连接；

下连接板置有多组基座安装孔与振动台的基座机械连接；

信号处理部件通过电源连接线与外部电源电连接，信号处理部件有模块且将每个力传感器的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，并将融合后的信息通过通讯连接线传送给计算机，供振动试验中的多维力测试系统进行反馈控制使用。

作为对现有技术的进一步改进：力传感器是膜片结构力传感器，或十字梁结构力传感器；力传感器是压阻型力传感器，或压电型力传感器。

力传感器是三维力传感器，或四维力传感器，或五维力传感器，或六维力传感器；多个力传感器是6个，或4个，或8个。

传感器上安装孔和下连接板安装孔是螺纹孔，上连接板安装孔和传感器下安装孔是沉孔，螺纹孔和沉孔的个数分别是4个，或6个，或8个。

上连接板置有多组试件安装孔与待测试的试件机械连接，其中多组试件安装孔为6组螺纹孔，每组的个数是6个；下连接板置有多组基座安装孔与振动台的基座机械连接；其中多组基座安装孔为6组沉孔，每组的个数是6个。

信号处理部件内部有模块并将每个力传感器的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，其中模块包括电源模块、传感器信号放大模块、传感器信号处理模块、信息融合模块以及通讯模块。

信号处理部件采用CAN总线或USB总线与计算机进行通讯。计算机是笔记本计算机，或台式计算机，或工业控制用计算机。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

其一，振动试验中的多维力测试系统用于卫星等航天器的振动测试试验中，采用上连接板和下连接板来安装力传感器，加工方便，在安装过程中不容易发生形变；

其二，在振动试验中的多维力测试系统中的力传感器是压阻式力传感器，使用前不需要施加预紧力，避免了多个力传感器的预紧力要一致的问题；

其三，力传感器与上连接板、下连接板之间通过中心定位销和方位定位销进行中心定位和方向定位，从结构上保证各个力传感器的坐标系与振动试验中的多维力测试系统试验坐标系的一致性，减小测量误差；

其四，振动试验中的多维力测试系统中的信号处理系统采用CAN总线或者USB总线或者其他类型的总线与计算机进行通讯，实时性好，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。

附图说明 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明中上连接板、力传感器和下连接板之间连接的剖面图。

图3为本发明中上连接板的俯视图。

图4为本发明中下连接板的俯视图。

图5为本发明中信号处理部件的原理图。

图6为本发明中上连接板、力传感器和下连接板的安装示意图。

图7为本发明在航天器振动试验中的安装位置示意图。

具体实施方式

图1是本发明的总体结构示意图。其中：1是上连接板；2是力传感器；3是下连接板；4是传感器信号连接线；5是信号处理部件；6是电源连接线；7是通讯连接线；8是计算机。

在振动试验中的多维力测试系统中，上连接板1通过传感器上安装孔12与力传感器2机械连接，力传感器2通过下连结板安装孔14与下连接板3机械连接，力传感器2通过力传感器信号连接线4与信号处理部件5电连接，信号处理部件5通过电源连接线6与外部电源连接，通过通讯连接线7与计算机8电连接。

图2为本发明中上连接板1、力传感器2和下连接板3之间连接的剖面图。上连接板1通过上连接板安装孔11与每个力传感器2的传感器上安装孔12机械连接，每个力传感器2通过下连接板安装孔14与下连接板3机械连接；

力传感器2上的传感器上安装孔12是螺纹孔，传感器下安装孔15是沉孔；力传感器2与上连接板1通过上连接板中心定位销13进行中心定位，力传感器2与下连接板3通过下连接板中心定位销17进行中心定位，力传感器2与下连接板3通过下连接板方位定位销16进行方向定位，力传感器2的中心定位和方向定位从结构上保证各个力传感器2的坐标系与振动试验中的多维力测试系统试验坐标系的一致性，减小了测量误差。

图3为本发明中上连接板的俯视图。上连接板1通过上连接板安装孔11与每个力传感器2机械连接，上连接板安装孔11是沉孔；上连接板1通过试件安装孔18与待试验的试件9机械连接，试件安装孔18是螺纹孔。在实际振动试验中，根据需要对上连接板安装孔11和试件安装孔18数目和结构进行调整。上连接板1的机械尺寸、力传感器2的安装位置以及安装孔的位置、大小等根据实际需要进行确定。

图4为本发明中下连接板的俯视图。下连接板3通过下连接板安装孔14与每个力传感器2机械连接，下连接板安装孔14是螺纹孔；下连接板3通过基座安装孔19与试验台的基座10机械连接，下连接板基座安装孔19是沉孔。在实际振动试验中，根据需要对下连接板安装孔14和基座安装孔19的数目和结构进行调整。下连接板3的机械尺寸、力传感器2的安装位置以及安装孔的位置、大小等根据实际需要进行确定。

图5为本发明中信号处理部件的原理图。信号处理部件5包括电源模块20、传感器信号放大模块21、传感器信号处理模块22、信息融合模块23以及通讯模块24。

信号处理部件5采用CAN总线或者USB总线或者其他类型的总线与计算机8进行通讯。信号处理部件5对每个力传感器2的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，并将融合后的信息通过通讯连接线7实时传送给计算机8，供振动试验进行反馈控制使用。

图6为本发明中上连接板、力传感器和下连接板的安装示意图。先将6个力传感器2单独标定、测试，然后将力传感器2通过下连接板安装孔14安装在下连接板3上，每个力传感器2通过上连接板中心定位销13和下连接板方位定位销16进行中心定位和方向定位，最后将上连接板1通过上连接板安装孔11与6个力传感器2连接在一起，并通过上连接板中心定位销13进行定位，从而将上连接板1、力传感器2和下连接板3安装成刚性连接的一个整体。在设计中，要保证力传感器2、上连接板1和下连接板3具有足够的刚度、平行度和表面粗糙度，以提高测量精度，减小误差。

图7为本发明在航天器振动试验中的安装位置示意图。将安装成整体的上连接板1、力传感器2和下连接板3放置在振动台的基座10上，按照试验坐标系的定义，调整其位置，使各个力传感器2的子坐标系与试验坐标系保持一致。图7中定义的坐标系是试验坐标系。使用沉头螺钉通过基座安装孔19将下连接板3固定在试验台的基座10上。然后将待测试的试件9安放在上连接板1上，使用螺钉通过试件安装孔18将待测试的试件9固定在上连接板1上。将每个力传感器2通过力传感器信号连接线4与信号处理部件5电连接，信号处理部件5通过电源连接线6与外部电源连接，通过通讯连接线7与计算机8电连接。最后，检查各项连接是否正常，如正常，即可对系统通电，进行振动试验，测量和记录待测试的试件的受力情况。

实施例：

将每个力传感器2单独标定和测试，检测是否满足性能指标，将性能指标满足要求的6个力传感器2通过下连接板安装孔14安装在下连接板3上，每个力传感器2通过下连接板中心定位销17和下连接板方位定位销16进行中心定位和方向定位，将上连接板1通过上连接板安装孔11与每个力传感器2连接在一起，并通过上连接板中心定位销13进行定位。然后将安装成一体的上连接板1、力传感器2和下连接板3放置在振动台的基座10上，按照试验坐标系的定义，调整其位置，使各个力传感器2的子坐标系与试验坐标系保持一致，使用沉头螺钉通过基座安装孔19将下连接板3固定在试验台的基座10上。将待测试的试件9安放在上连接板1上，使用螺钉通过试件安装孔18将待测试的试件9固定在上连接板1上。将每个力传感器2通过力传感器信号连接线4与信号处理部件5电连接，信号处理部件5通过电源连接线6与外部电源电连接，通过通讯连接线7与计算机8电连接。最后，检查各项连接是否正常，如正常，即可对振动试验中的多维力测试系统通电，进行试验。

在进行振动试验时，按照试验方案，对振动台施加特定的激励，使待测试的试件9在三维空间中沿X轴、Y轴或者Z轴进行振动。在试验中，力传感器2实时采集待测试的试件9与上连接板1之间的接触力信息，信号处理部件5对每个力传感器2的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，并将融合后的信息通过通讯连接线7传送给计算机8，供试验进行反馈控制使用。每个力传感器2获取的是基于各自子坐标系的多维力信息，信号处理部件5中的信息融合模块23将所有力传感器2获取的信息进行计算，最后得出基于试验坐标系的卫星等航天器在振动试验中待测试的试件9连接面处的综合的三维力和三维力矩，信号处理部件5把此信息传送给计算机8，计算机8利用此信息，调整振动的幅度和频率，来进行有效的航天器振动环境模拟试验，对航天器进行设计检验，以及暴露产品制造中的质量缺陷。

在航天器振动环境模拟试验中，本发明中的上连接板1和下连接板3的机械尺寸、力传感器2的安装位置以及安装孔的位置、大小等根据实际需要进行调整，力传感器2的数目根据卫星等航天器的质量以及质心高度等参数来进行选择。在对直径不大于600mm、质量不大于1000Kg的航天器进行振动环境试验时，其振动试验中的多维力测试系统中的力传感器2选择4个，来测试航天器在振动试验中试件连接面处的力信息。在对直径大于1000mm、质量大于2000Kg的航天器进行振动环境试验时，其振动试验中的多维力测试系统中的力传感器2需要选择8个，从而实时测试航天器在振动试验中试件连接面处的力信息。

Claims (8)

1、一种振动试验中的多维力测试系统，包括相互机械连接、电连接的上连接板(1)、力传感器(2)、下连接板(3)、信号处理部件(5)，其特征在于：

所述的上连接板(1)置有多组试件安装孔(18)与待测试的试件(9)机械连接；

所述的力传感器(2)是膜片结构的多个力传感器(2)，所述的力传感器(2)通过传感器上安装孔(12)与上连接板(1)的上连接板安装孔(11)机械连接；所述的力传感器(2)通过传感器下安装孔(15)与下连接板(3)的下连接板安装孔(14)机械连接；

所述的力传感器(2)与所述的上连接板(1)通过上连接板中心定位销(13)进行中心定位；所述的力传感器(2)与所述的下连接板(3)通过下连接板中心定位销(17)进行中心定位；所述的力传感器(2)与下连接板(3)通过下连接板方位定位销(16)进行方向定位；所述的力传感器(2)通过传感器信号连接线(4)与信号处理部件(5)电连接；

所述的下连接板(3)置有多组基座安装孔(19)与振动台的基座(10)机械连接；

所述的信号处理部件(5)通过电源连接线(6)与外部电源电连接，所述的信号处理部件(5)内部有模块且将每个力传感器(2)的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，并将融合后的信息通过通讯连接线(7)传送给计算机(8)，供振动试验进行反馈控制使用。

2、根据权利要求1所述的一种振动试验中的多维力测试系统，其特征是：所述的力传感器(2)是膜片结构力传感器，或十字梁结构力传感器；所述的力传感器(2)是压阻型力传感器，或压电型力传感器。

3、根据权利要求1所述的一种振动试验中的多维力测试系统，其特征是：所述的力传感器(2)是三维力传感器，或四维力传感器，或五维力传感器，或六维力传感器；所述的多个力传感器(2)是6个，或4个，或8个。

4、根据权利要求1所述的一种振动试验中的多维力测试系统，其特征是：所述的传感器上安装孔(12)和下连接板安装孔(14)是螺纹孔，所述的上连接板安装孔(11)和传感器下安装孔(15)是沉孔，所述的螺纹孔和沉孔的个数分别是4个，或6个，或8个。

5、根据权利要求1所述的一种振动试验中的多维力测试系统，其特征是：所述的上连接板(1)置有多组试件安装孔(18)与待测试的试件(9)机械连接，其中所述的多组试件安装孔(18)为6组螺纹孔，每组的个数是6个；所述的下连接板(3)置有多组基座安装孔(19)与振动台的基座(10)机械连接；其中所述的多组基座安装孔(19)为6组沉孔，每组的个数是6个。

6、根据权利要求1所述的一种振动试验中的多维力测试系统，其特征是：所述的信号处理部件(5)内部有模块且将每个力传感器(2)的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，其中模块包括电源模块(20)、传感器信号放大模块(21)、传感器信号处理模块(22)、信息融合模块(23)以及通讯模块(24)。

7、根据权利要求1所述的一种振动试验中的多维力测试系统，其特征是：所述的信号处理部件(5)采用CAN总线或USB总线与计算机(8)进行通讯。

8、根据权利要求1所述的一种振动试验中的多维力测试系统，其特征是：所述的计算机(8)是笔记本计算机，或台式计算机，或工业控制用计算机。

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