CN101592518B - 一种高精度微振动测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种高精度微振动测量系统，由底座、负载盘、八个压电力传感器(其中四个沿竖直方向安装、另外四个沿水平方向安装)以及数据采集和处理系统组成；竖向压力传感器位于负载盘和底座上表面之间，通过螺栓压紧连接；侧向压力传感器位于负载盘四周，通过螺栓和侧向定位板与底座连接。将八个传感器进行合理布置，可以测出扰动源的三个动态力和三个动态弯矩。扰动源既可以装在系统内部，也可以装在系统外部，根据具体需求进行布置。各压电传感器通过导线与数据采集和处理系统连接；该测量系统可以精确测量微小振动源的扰动力，并且测量的可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度微振动测量系统，可用于对航天器内部微小扰动载荷在六个自由度上的振动信号进行动态测量。
背景技术
目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对指向精度和稳定度均提出了很高的要求。另外，在现代航天器姿态控制系统中，反作用轮、单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制系统中的重要元件，它们在提供必要的控制动力的同时，也会引起一些有害振动(为简单起见，下面将上述三种系统统称为扰动源)。这些扰动主要由飞轮不平衡、轴承扰动、电机扰动、电机驱动误差等引起的，其中飞轮不平衡是导致飞轮振动的最主要原因，这些扰动力和扰动力矩会降低体太空中精密性仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰动的动态特性，对于分析并消除扰动从而提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。
由于航天器扰动源的扰动很小，个别有效载荷如动量轮在空间三个方向只能产生几十毫牛顿甚至几毫牛顿的微弱扰动，要想在具有相对强烈干扰背景噪音的地面实验室中测量此类扰动十分困难，而其对应传感器的精度要求非常高。
目前，国内外尚未见有关此类微小振动测量系统的文献报导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度微振动测量系统，测量并分析航天器运行过程中，扰动源在空间六个自由度上的动态特性，为提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计提供可靠的测试数据。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高精度微振动测量系统，包括底座、负载盘、四个沿竖直方向安装的压电传感器、四个沿水平方向安装的压电传感器、四个侧向定位板、八个螺栓以及数据采集和处理系统；振动源安装在负载盘的中心处，四个沿竖直方向安装的压电传感器位于底座上表面和负载盘下表面之间，通过四个螺栓压紧，测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；侧向定位板通过螺钉固定在底座的上表面；四个沿水平方向安装的压电传感器通过四个螺栓和螺母固定在侧向定位板上，四个沿水平方向安装的压电传感器的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，以保证其能测量绕Z轴的振动力矩，同时四个螺栓拧紧在负载盘的侧面，四个沿水平方向安装的压电传感器的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩；四个沿竖直方向安装的压电传感器、四个沿水平方向安装的压电传感器输出通过信号传输线与数据采集和处理系统相连；当微小振动源产生振动时，四个沿竖直方向安装的压电传感器、四个沿水平方向安装的压电传感器产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础可以准确分析出微小振动源的振动特性。
所述的四个沿竖直方向安装的压电传感器、四个沿水平方向安装的压电传感器为压电陶瓷元件。
所述的负载盘的形状为内圆外方。
所述的四个沿竖直方向安装的压电传感器对称地分布在负载盘下表面上，且位于负载盘的边缘。
所述的四个沿水平方向安装的压电传感器分布在负载盘周边，且两两对角线对称安装。
所述的底座的上部框架的形状与负载盘相同，用以与负载盘连接；下部分为槽钢，用以与地基连接。
所述的四个沿竖直方向安装的压电传感器、四个沿水平方向安装的压电传感器的固定螺栓必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高压电传感器的测量精度。
所述的测量系统内部有一个空腔，可以将扰动源安装在空腔内部，也可以将扰动源安装在测量系统外部，可以根据不同扰动源及不同测量方式进行布置。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明通过8个普通压电传感器的合理布置，从而使得六个自由度的微扰动信号可以利用现有的单向压电力传感器来测量，克服了缺少高精度三向传感器的问题，使得测量精度大大提高。
(2)本发明测量装置和被测量试件分离，不需要在被测试件上安装附加设备和传感器，不影响被测试件的动态特性，不损伤被测试件结构，试验完毕后试件还可以正常使用。
(3)本发明通过合理调节螺栓的预紧力，实现了信号的放大并可以进行具有较大质量扰动源的实际运行条件下的精确测量，提高了测量的可靠性。
(4)本发明的扰动源可以置于测量系统内部或外部，提高了测量系统的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1中安装局部放大示意图；
图3为单脉冲激励下测量得到的信号；
图4为单脉冲激励下标定变换后得到的载荷值。
具体实施方式
如图1所示，本发明底座1、负载盘2、四个沿竖直方向安装的压电传感器3、四个沿水平方向安装的压电传感器4、四个侧向定位板5、八个螺栓6以及数据采集和处理系统7；四个沿竖直方向安装的压电传感器3位于底座上表面和负载盘下表面之间，通过四个螺栓6压紧，测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；四个侧向定位板5通过螺钉固定在底座1的上表面；四个沿水平方向安装的压电传感器4通过四个螺栓6和螺母固定在侧向定位板5上，四个沿水平方向安装的压电传感器4的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，以保证其能测量绕Z轴的振动力矩，同时四个螺栓6拧紧在负载盘2的侧面，四个沿水平方向安装的压电传感器4的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩；四个沿竖直方向安装的压电传感器3、四个沿水平方向安装的压电传感器4输出通过信号传输线与数据采集和处理系统7相连。
在实施例1中底座1为钢框底座，负载盘2的形状为内圆外方形，也是钢质材料，振动源安装在负载盘2的中心处。四个沿竖直方向安装的压电传感器3对称地分布在负载盘2下表面，且位于负载盘2的四个角附近，可以测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩。四个沿水平方向安装的压电传感器4分布在正方形负载盘2侧面的四周，为正方形的对角线对称，可以测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩。
钢框底座1的上部为方形钢质框架，用以与负载盘2连接；下部分为槽钢，用以与地基连接。整个结构要保证其刚度满足动态测试要求。
将微小振动测量系统安装在地基上，将微小振动源试件安装在负载盘2的中心上，检查四个沿竖直方向安装的压电传感器3、四个沿水平方向安装的压电传感器4的信号是否正常，之后运行微小振动源，使其产生振动，从而使四个沿竖直方向安装的压电传感器3、四个沿水平方向安装的压电传感器4，该电压信号通过数据采集和处理系统7转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础可以准确分析出微小振动源的振动特性。由于通过数据采集处理系统得到的是压电力传感器的电压信号，要将电压信号转换为力信号，还需要对传感器进行标定，得到相应的灵敏度系数，将其与电压信号相乘后可以得到有效载荷的力信号。
数据采集和处理系统7由数据采集箱和计算机组成，数据采集箱将传感器得到的电压信号转化为数字信号，并通过数据线输入到计算机中，计算机将数字信号进行分析和运算，最终得到微小振动力的信号。
图3为单脉冲激励下测量得到的信号。由图3可以看到，在单脉冲激励下，各传感器的响应信号为典型的宽频信号，说明本发明的测量是有效的。图4为单脉冲激励下标定变换后得到的载荷值，由图4看出是将图3中八个传感器的电压信号转换为三个力信号和三个力矩信号。
Claims (6)
1.一种高精度微振动测量系统，其特征在于包括：底座(1)、负载盘(2)、四个沿竖直方向安装的压电传感器(3)、四个沿水平方向安装的压电传感器(4)、四个侧向定位板(5)、八个螺栓(6)以及数据采集和处理系统(7)；四个沿竖直方向安装的压电传感器(3)位于底座上表面和负载盘下表面之间，通过所述八个螺栓(6)中的四个螺栓压紧，测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；四个侧向定位板(5)通过螺钉固定在底座(1)的上表面；四个沿水平方向安装的压电传感器(4)通过所述八个螺栓中的另四个螺栓(6)和螺母分别固定在四个相应的侧向定位板(5)上，以保证其能测量绕Z轴的振动力矩，同时所述八个螺栓中的另四个螺栓拧紧在负载盘(2)的侧面；四个沿水平方向安装的压电传感器(4)的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩；四个沿竖直方向安装的压电传感器(3)、四个沿水平方向安装的压电传感器(4)输出通过信号传输线与数据采集和处理系统(7)相连；当微小振动源产生振动时，四个沿竖直方向安装的压电传感器(3)、四个沿水平方向安装的压电传感器(4)产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统(7)转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础可以准确分析出微小振动源的振动特性。
2.根据权利要求1所述的高精度微振动测量系统，其特征在于：所述的四个沿竖直方向安装的压电传感器(3)、四个沿水平方向安装的压电传感器(4)为压电陶瓷元件。
3.根据权利要求1所述的高精度微振动测量系统，其特征在于：所述的负载盘(2)的形状为内圆外方。
4.根据权利要求1所述的高精度微振动测量系统，其特征在于：所述的四个沿竖直方向安装的压电传感器(3)对称地分布在负载盘(2)下表面上，且位于负载盘(2)的边缘。
5.根据权利要求1所述的高精度微振动测量系统，其特征在于：所述的四个沿水平方向安装的压电传感器(4)分布在负载盘(2)周边，且两两关于对角线对称安装。
6.根据权利要求1所述的高精度微振动测量系统，其特征在于：所述的底座(1)的上部框架的形状与负载盘(2)相同，用以与负载盘(2)连接；所述的底座(1)的下部分为槽钢，用以与地基连接。
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