CN101639400B - 一种帆板铰链动态刚度测量装置及测量方法 - Google Patents

一种帆板铰链动态刚度测量装置及测量方法 Download PDF

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刘一武
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杨嘉陵
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Abstract

本发明公开一种帆板铰链动态刚度测量系统及测量方法,数据采集仪通过数据线将采集到的激力电信号、应变的电信号以及动态位移值进行处理,将输入的模拟电信号转化成数字电信号输出,传入数据采集与处理的计算机;计算机根据应变与力矩的关系即可得到帆板铰链上施加的动态力矩的大小,最终得到帆板铰链在该动态力距作用下而产生动态变形对应的动态弯曲角;根据动态力矩、动态弯曲角和动刚度的关系,通过计算机处理即可得到帆板铰链的动刚度曲线,实现对动刚度的测量。本发明结构简单、使用便捷、操作方便、调节范围广。

Description

一种帆板铰链动态刚度测量装置及测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于刚度测量领域,具体来说是一种帆板铰链动态刚度测量装置及测量方 法,用于帆板铰链的动态刚度测量。
背景技术
[0002] 帆板铰链是连接帆板与帆板之间的重要机构,以前人们设计和使用帆板系统时, 对铰链只考虑其静态刚度参数,随着铰链使用的深入,人们发现这种处理存在诸多的弊端, 原因有如下几点:
[0003] (1)由于铰链为机构件,因此铰链内部存在一定的间隙,而它的静态力学性能参数 不能够反映间隙的力学特性;
[0004] (2)由于铰链为机构件,因此铰链内部存在干摩擦,同时干摩擦具有强非线性特 性,它会随着铰链状态的不同而发生变法,而它的静态力学性能参数不能够反映干摩擦的 力学特性。帆板铰链在应用的实践表明,由于铰链在工作时,其受到的外界激励为动态力, 因此铰链的特性受到它的动态刚度支配而不是静态刚度(静载荷下抵抗变形的能力),测 量得到帆板铰链的动态刚度(动载荷下抵抗变形的能力)具有重要的实际工程意义。目前, 国内还没有对帆板铰链进行动态刚度测量的有效、简单、易于操作的测量系统。
发明内容
[0005] 本发明为了克服现有技术中的不足,为帆板铰链的动态刚度测量提供一种帆板铰 链动态刚度测量装置及测量方法,为帆板铰链的强度设计和安全使用提供可靠的测试数 据。
[0006] 本发明一种帆板铰链动态刚度测量装置,包括激光测振头、激光测振仪、电阻应变 仪、数据采集仪、计算机、力锤、应变片、帆板铰链、安装平台、支架、配重块、附加梁、激光测 振反光贴片、激光测振头支架;
[0007] 安装平台上有一支座,支座上开有两组水平通孔,用于与帆板铰链下端连接,帆板 铰链上端与附加梁连接;附加梁与安装平台的安装平面垂直。
[0008] 附加梁顶部两侧对称安装配重块,帆板铰链竖直中心线上延长线上,距帆板铰链 上端2〜3厘米处的附加梁上粘贴四个应变片,应变片通过数据线与电阻应变仪连接;
[0009] 在所述支座上的两组通孔水平连接线的中心贴有激光测振反光贴片,位于支座上 通孔的水平连接线上;帆板铰链上端的外壁中心处贴有激光测振反光贴片,激光测振反光 贴片中心与帆板铰链上端螺栓孔中心处于同一水平线上。
[0010] 支架上安装有激光测振头支架、激光测振仪、电阻应变仪、数据采集仪、计算机;
[0011] 激光测振仪、电阻应变仪、力锤、计算机与数据采集仪、以及激光测振头与激光测 振仪间均由数据线连接。所述激光测振头支架用来支撑和调节激光测振头空间位置。
[0012] 所述激光测振头通过分光镜产生两束等强的激光束,一束为信号光束,另一束为 参考光束;所述的信号光束通过透镜聚焦入射到被测物体帆板铰链表面的激光测振反光贴片,激光测振反光贴片反射或散射回来的信号光束和参考光束在激光测振头内的光敏元件 上产生干涉现象,同时光敏元件上由干涉现象得到的电信号被传送到激光测振仪。
[0013] 所述激光测振仪对激光测振头内的光敏元件得到的电信号解码处理,得到帆板铰 链上端和下端的动态位移值,最后将动态位移值通过数据线传送到数据采集仪;
[0014] 所述电阻应变仪与附加梁上的4个应变片和数据采集仪相连,当附加梁下端的应 变片产生由应变引起电阻变化时,电阻变化以电信号的形式通过数据线传输到电阻应变 仪,电阻应变仪将电信号转换成模拟电信号通过数据线发送给数据采集仪;所述数据采集 仪通过数据线将采集到的激力电信号、应变的电信号以及动态位移值的模拟进行处理,将 输入的模拟电信号转化成数字电信号输出,传入数据采集与处理的计算机;
[0015] 所述计算机对数字电信号的应变、以及应变与力矩的关系进行处理,得到帆板铰 链上的动态力矩的大小,通过此动态力矩的大小与由激光测振仪测得的动态位移值直接得 出帆板铰链的动态变形角度,从而得到帆板铰链在该动态力矩作用下而产生动态变形对应 的动态弯曲角。根据动态力矩、动态弯曲角和动态刚度的关系f = kx,f为动态力矩,k为 动态刚度,X为动态弯曲角,通过计算机处理得到帆板铰链的动态刚度曲线。
[0016] 本发明的优点在于:
[0017] 1、本发明中帆板铰链的动态变形的弯曲角度直接由激光测振仪实时测得的动态 位移值得出;帆板铰链的动态变力矩直接由电阻应变仪实时测得的动态应变值得出,因此 本发明实现了对于帆板铰链的动态刚度的测量;
[0018] 2、本发明中帆板铰链承受的动态力矩的频率通过改变附加梁上安装的配重块质 量进行调节,调节范围广,操作方便;
[0019] 3、本发明在测量时通过粘贴在附加梁下端的应变片直接测量得到附加梁下端的 应变,因此不需要考虑附加梁对动态力矩的传递影响;
[0020] 4、本发明中激光测振头同时测取附加梁上端和下端的位移,可得到附加梁对于安 装平台的相对位移,消除了噪声对测量结果的影响;
[0021] 5、本发明有结构简单、使用便捷。
附图说明
[0022] 图1为本发明装置整体示意图;
[0023] 图2为本发明安装平台结构示意图;
[0024] 图3为本发明帆板铰链与安装平台、附加梁安装正面示意图。
[0025] 图中:
[0026] 1-激光测振头、2-激光测振仪、3-电阻应变仪、4-数据采集仪、5-计算机、6_力 锤、7-应变片、8-帆板铰链、9-安装平台、10-支架、11-配重块、12-附加梁、13-激光测振反 光贴片、14-激光测振头支架、901-支座、902-通孔、801-螺栓孔
具体实施方式
[0027] 本发明帆板铰链动态刚度测量系统,如图1所示,包括激光测振头1、激光测振仪 2、电阻应变仪3、数据采集仪4、计算机5、力锤6、应变片7、帆板铰链8、安装平台9、支架10、 配重块11、附加梁12、激光测振反光贴片13、激光测振头支架14。[0028] 如图2所示,安装平台9为一水平安装用平台,安装平台9上方有一支座901,支座 901上开有两组水平通孔902,用来安装帆板铰链8。在所述支座901上的两组通孔902水 平连接线的中心贴有激光测振反光贴片13。
[0029] 如图3所示,所述的帆板铰链8下端与支座901通过铰链螺栓固定连接,帆板铰链 8上端与附加梁12的下端通过铰链螺栓固定连接,安装之后保证附加梁12与安装平台9的
安装平面垂直。
[0030] 在所述帆板铰链8竖直中心线上延长线上,距帆板铰链8上端2〜3厘米处的附 加梁12上粘贴四个应变片7,应变片7通过数据线与电阻应变仪3连接。
[0031 ] 在附加梁12顶部两侧对称安装配重块11,通过改变配重块11质量,可对帆板铰链 8承受的动态力矩的固有频率进行调节。在两个帆板铰链8上端的外壁中心处贴有激光测 振反光贴片13,激光测振反光贴片13中心与帆板铰链8上端螺栓孔801中心处于同一水平 线上。
[0032] 激光测振头支架14、激光测振仪2、电阻应变仪3、数据采集仪4、计算机5固定在 支架10上。其中激光测振头支架14用来支撑和调节激光测振头1空间位置,使得激光测 振头1射出的激光对准激光测振反光贴片13,保证射出的激光具有良好的反射性,以达到 良好的测量效果。所述的激光测振头1通过分光镜产生两束等强的激光束,一束为信号光 束,另一束为参考光束。所述的信号光束通过透镜聚焦入射到被测物体帆板铰链8表面的 激光测振反光贴片13,激光测振反光贴片13反射或散射回来的信号光束和参考光束在激 光测振头1内的光敏元件上产生干涉现象,同时光敏元件上由干涉现象得到的电信号被传 送到激光测振仪2。
[0033] 激光测振仪2 —端与激光测振头1连接,另一端与数据采集仪4相连,激光测振仪 2对激光测振头1内的光敏元件得到的电信号解码处理,可得到帆板铰链8上端和下端的动 态位移值,最后将动态位移值通过数据线传送到数据采集仪4。
[0034] 电阻应变仪3 —端与附加梁12上的4个应变片7相连,另一端与数据采集仪4相 连,当附加梁12下端的应变片7产生由应变引起电阻变化时,电阻变化以电信号的形式通 过数据线传输到电阻应变仪3,电阻应变仪3将电信号转换成模拟电信号通过数据线发送 给数据采集仪4。
[0035] 力锤6用来敲击附加梁12上端的配重块11,使附加梁12产生振动,同时力锤6上 的力传感器测量激力,并将由力传感器测量得到的激力电信号通过数据线传送到数据采集 仪4。
[0036] 数据采集仪4 一端与激光测振仪2、电阻应变仪3和力锤6连接,另一端与计算机 5连接。数据采集仪4通过数据线将采集到的激力电信号、应变的电信号以及动态位移值进 行处理,将输入的模拟电信号转化成输出的数字电信号,传入数据采集与处理的计算机5。
[0037] 计算机5对数字电信号的应变、以及应变与力矩的关系进行处理,得到帆板铰链8 上的动态力矩的大小,通过此动态力矩的大小与由激光测振仪2测得的动态位移值直接得 出帆板铰链8的动态变形角度,从而得到帆板铰链8在该动态力矩作用下而产生动态变形 对应的动态弯曲角。根据动态力矩、动态弯曲角和动态刚度的关系f = kx,f为动态力矩, k为动态刚度,χ为动态弯曲角,通过计算机5处理即可得到帆板铰链8的动态刚度曲线,实 现对动态刚度的测量。[0038] 本发明还提供一种基于上述的帆板铰链动态刚度测量装置的测量方法,具体步骤 如下:
[0039] 步骤1 :力锤6敲击附加梁12上端的配重块11,使附加梁12产生振动;
[0040] 力锤6上的力传感器将测量得到的激力电信号通过数据线传送到数据采集仪4 ;
[0041] 步骤2 :附加梁12下端的应变片7将附加梁12的动态应变的大小,并将应变的电 信号通过数据线传送电阻应变仪3。电阻应变仪3将电信号转换成模拟电信号,并将应变电 信号传输给数据采集仪4 ;
[0042] 步骤3 :激光测振头1将激光测振反光贴片13反射或散射回来的信号光束和参考 光束在激光测振头1内的光敏元件上产生干涉现象,同时光敏元件上由干涉现象产生电信 号,并将该电信号传送到激光测振仪2。
[0043] 激光测振仪2对接收到的电信号进行解码处理,得到帆板铰链8上端和下端的动 态位移值,最后将动态位移值通过数据线传送到数据采集仪4 ;
[0044] 步骤4 :数据采集仪4通过数据线将采集到的激力电信号、应变的电信号以及动态 位移值进行处理,将输入的模拟电信号转化成数字电信号输出,传入数据采集与处理的计 算机5;
[0045] 步骤5 :计算机5对数字电信号的应变、以及应变与力矩的关系进行处理,得到帆 板铰链8上的动态力矩的大小,通过此动态力矩的大小与由激光测振仪2测得的动态位移 值直接得出帆板铰链8的动态变形角度,从而得到帆板铰链8在该动态力矩作用下而产生 动态变形对应的动态弯曲角。根据动态力矩、动态弯曲角和动态刚度的关系f = kx,通过计 算机5处理即可得到帆板铰链8的动态刚度曲线,实现对动态刚度的测量。

Claims (3)

  1. 一种帆板铰链动态刚度测量装置,其特征在于:包括激光测振头、激光测振仪、电阻应变仪、数据采集仪、计算机、力锤、应变片、帆板铰链、安装平台、支架、配重块、附加梁、激光测振反光贴片、激光测振头支架;安装平台上有一支座,支座上开有两组水平通孔,用来与帆板铰链下端连接,帆板铰链上端与附加梁连接;附加梁顶部两侧对称安装配重块,帆板铰链竖直中心线上延长线上,距帆板铰链上端2~3厘米处的附加梁上粘贴四个应变片,应变片通过数据线与电阻应变仪连接;在所述支座上的两组通孔水平连接线的中心贴有一个激光测振反光贴片;帆板铰链上端的外壁中心处贴有两个激光测振反光贴片,且每个激光测振反光贴片中心与帆板铰链上端螺栓孔中心处于同一水平线上;支架上安装有激光测振头支架、激光测振仪、电阻应变仪、数据采集仪、计算机;激光测振仪、电阻应变仪、力锤、计算机与数据采集仪、以及激光测振头与激光测振仪间均由数据线连接;所述激光测振头支架用来支撑和调节激光测振头空间位置;所述激光测振头通过分光镜产生两束等强的激光束,一束为信号光束,另一束为参考光束;所述的信号光束通过透镜聚焦入射到被测物体帆板铰链表面的激光测振反光贴片,激光测振反光贴片反射或散射回来的信号光束和参考光束在激光测振头内的光敏元件上产生干涉现象,同时光敏元件上由干涉现象得到的电信号被传送到激光测振仪;所述激光测振仪对激光测振头内的光敏元件得到的电信号解码处理,得到帆板铰链上端和下端的动态位移值,最后将动态位移值通过数据线传送到数据采集仪;所述电阻应变仪与应变片和数据采集仪相连,当附加梁下端的应变片产生由应变引起电阻变化时,电阻变化以电信号的形式通过数据线传输到电阻应变仪,电阻应变仪将电信号转换成模拟电信号通过数据线发送给数据采集仪;所述力锤用来敲击附加梁上端的配重块,使附加梁产生振动,同时力锤上的力传感器测量激力,并将由力传感器测量得到的激力电信号通过数据线传送到数据采集仪;所述数据采集仪通过数据线将采集到的激力电信号、应变的电信号以及动态位移值的模拟信号进行处理,将模拟电信号转化成数字电信号输出,传入计算机;所述计算机对数字电信号的应变、以及应变与力矩的关系进行处理,得到帆板铰链上的动态力矩的大小,通过此动态力矩的大小与由激光测振仪测得的动态位移值直接得出帆板铰链的动态变形角度,从而得到帆板铰链在该动态力矩作用下而产生动态变形对应的动态弯曲角;根据动态力矩、动态弯曲角和动态刚度的关系f=kx,f为动态力矩,k为动态刚度,x为动态弯曲角,得到帆板铰链的动态刚度曲线。
  2. 2.如权利要求1所述一种帆板铰链动态刚度测量系统,其特征在于:所述附加梁与安 装平台的安装平面垂直。
  3. 3. 一种基于权利要求1所述的帆板铰链动态刚度测量装置的测量方法,其特征在于: 具体步骤如下:步骤1 :力锤敲击附加梁上端的配重块,使附加梁产生振动; 力锤上的力传感器将测量得到的激力电信号通过数据线传送到数据采集仪; 步骤2 :附加梁上的应变片将附加梁的动态应变的大小,以应变的电信号的形式通过数据线传送电阻应变仪;电阻应变仪将电信号转换成模拟电信号,并将该模拟信号传输给 数据采集仪;步骤3 :激光测振头将激光测振反光贴片反射或散射回来的信号光束和参考光束在激 光测振头内的光敏元件上产生干涉现象,同时光敏元件产生电信号,并将该电信号传送到 激光测振仪;激光测振仪对接收到的电信号进行解码处理,得到帆板铰链上端和下端的动态位移 值,最后将动态位移值通过数据线传送到数据采集仪;步骤4:数据采集仪通过数据线将采集到的激力电信号、应变的电信号以及动态位移 值的模拟信号进行处理,将输入的模拟电信号转化成数字电信号输出,传入计算机;步骤5 :计算机对数字电信号的应变、以及应变与力矩的关系进行处理,得到帆板铰链 上的动态力矩的大小,通过此动态力矩的大小与由激光测振仪测得的动态位移值直接得出 帆板铰链的动态变形角度,从而得到帆板铰链在该动态力矩作用下而产生动态变形对应的 动态弯曲角;根据动态力矩、动态弯曲角和动态刚度的关系f = kx,f为动态力矩,k为动态 刚度,χ为动态弯曲角,通过计算机处理得到帆板铰链的动态刚度曲线,实现对动态刚度的 测量。
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