CN102353443B - 一种刚度可调的弹性扰振测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种刚度可调的弹性扰振测试系统，包括水平固定于试验台上底板，安装在底板上的扰动部件安装台和压电传感器，底板上设有四个对称安装的弹性支承机构，安装底座和直线导轨分别固定在底板的相应位置上，片簧与安装底座固联成一体，滑块套装在直线轨上，调节螺栓穿过安装底座与滑块连接，调节滑块在直线导轨上的位置，簧片通过加固板和滑块固定。本发明的刚度可调的弹性扰振测试系统可以测试扰动部件在不同安装刚度下的扰振特性，进而研究测试台的刚度变化对扰动特性的影响。运用片簧调节刚度，可避免板的模态密集度高而难以研究的缺陷，提高测量及研究的可靠性。本发明结构简单，操作方便，易于实现模态频率的调节，且调节范围较大。

Description

一种刚度可调的弹性扰振测试系统

技术领域

本发明涉及一种弹性扰振测试系统，适用于多种不同安装刚度绕振部件进行扰动力测试。

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，通常将上述三种系统称为扰动源。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。

大多数扰动源安装在柔性结构部件上，它们和卫星星体之间很有可能产生一定程度的耦合作用，这些扰动会激起卫星的模态，卫星的振动又会反过来作用于扰动源，产生更大的扰动，因此研究扰动源与安装基础的耦合扰动分析及其在卫星结构中的传递规律，进而研究活动部件的扰动如何影响到卫星上相机的成像质量，对加强航天器的安全设计和提高卫星的成像稳定性有着非常重要的工程意义。由于测试条件的限制，不可能大量进行扰动源在卫星星体结构上的扰动特性测试和研究，因此需要在弹性安装测试台模拟卫星星体上扰动源的测试，并且可以根据条件改变测试台的刚度，进而研究扰动源与不同刚度安装基础的耦合扰动特性分析，得出其中的扰动耦合及传递规律，再将其用于卫星的真实安装基础去预测扰动源对在轨卫星结构的扰动影响。由于航天器扰动源具有扰动幅值小，扰动频带宽的特点，并且其柔性安装基础的模态密集程度很高，要想在具有相对较强的噪声干扰下测量并研究扰动源与安装基础的扰动耦合特性是非常困难的，所以设计模态密度相对较低的安装基础进行扰动耦合特性研究是非常必要的。目前，国内外尚未见有关此类刚度可调的弹性扰振测试系统的文献报导。

发明内容

本发明针对上述现在技术存在的不足，提出了一种刚度可调的弹性扰振测试系统，解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的刚度可调的弹性扰振测试系统包括底板、四个弹性支承机构、扰动部件安装台、信号线、数据采集和处理系统以及计算机；刚度可调的弹性支承机构由安装底座、滑块、直线导轨、片簧、加固板和调节螺栓；底板水平固定于试验台上；安装底座和直线导轨分别固定于底板的相应位置上；片簧与安装底座固联成一体；滑块套装在直线轨上并可自由滑动；调节螺栓穿过安装底座与滑块连接，通过旋转调节螺栓可调节滑块在直线导轨上的位置；加固板可通过与滑块固联来压紧片簧，并将其固定在直线导轨上；调节螺栓上的三个螺母分别压紧滑块和安装底座；四个弹性支承机构对称安装于底板上。扰动部件安装台，包括：底座、负载盘、四个横向压电传感器、四个纵向压电传感器、侧向定位板以及八个紧固螺栓；四个纵向压电传感器位于底座上表面和负载盘下表面之间，通过四个紧固螺栓压紧，测量Z方向的扰动力和X、Y方向的扰动力矩；侧向定位板固定在底座的上表面；四个紧固螺栓穿过侧向定位板压紧四个横向压电传感器并与负载盘固联在一起，测量X、Y方向的扰动力和Z方向的扰动力矩；八个压电传感器通过信号线连接到数据采集处理系统上；扰动部件安装台与弹性支承机构的四个片簧固联在一起，并将扰动部件安装在扰动部件安装台上；测试台上的四个纵向压电传感器和四个横向压电传感器将扰动部件产生的扰动力转换成电压信号，可以通过信号线将扰动信号传输到数据采集和处理系统，将其转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，进而通过计算机准确分析出扰动源的振动特性；通过上述方法改变滑块的位置可以达到改变片簧支撑刚度的目的，进而研究扰动源在不同安装刚度条件下的扰振特性及扰动源与安装基础的耦合扰动规律。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明中的弹性支承结构采用片簧结构，由于片簧的模态密集程度低，很容易进行片簧频率特性与扰动部件频率特性之间的耦合特性分析，而不采用弹性板结构，这样可避免因弹性板结构的模态密集程度很高而导致与扰动源的耦合特性分析非常困难的弊端；

(2)本发明可以通过导轨上的标尺很方便的定位滑块的位置，并且滑块可以在导轨上自由滑动到导轨范围内的任意位置，避免了以往测试结构只可以调节到某些特定的位置的缺陷，此发明结构调节方便，调节范围大；

(3)本发明可以通过调节螺栓自由的调节滑块，不需要每次都调节片簧与安装底座的安装位置及与扰动部件安装台的安装点，这样装卸和调节方便，也避免人工调节滑块的位置导致的不便利和位置的不准确性；

(4)本发明结构简单，易于操作，并且可以很容的更换片簧，并且可以根据需要在每个方向上增加片簧的数目，以增大测试台的刚度可调节范围，扩大了使用范围，提高了测试台的精确性和适应性。

附图说明

图1为本发明刚度可调的弹性扰振测试系统的结构示意图；

图2为本发明刚度可调的弹性扰振测试系统弹性支承机构的结构示意图；

图3为刚度可调的弹性扰振测试系统扰动部件安装台的结构示意图。

图中：1-底板，2-安装底座，3-滑块，4-直线导轨，5-片簧，6-加固板，7-调节螺栓，8-扰动部件安装台，8-1-安装台底座，8-2-负载盘，8-3-横向压电传感器，8-4-纵向压电传感器，8-5-侧向定位板，8-6-紧固螺栓，9-信号线，10-数据采集处理系统，11-计算机，12-螺母，13-螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明刚度可调的弹性扰振测试系统做进一步的说明。

由底板、弹性支承机构、扰动部件安装台、信号线、数据采集和处理系统以及计算机组成；刚度可调的弹性支承机构包括安装底座、片簧、直线导轨、滑块、加固板以及调节螺栓；其中安装底座和直线导轨水平固定在底板上；片簧与安装底座固联在一起；滑块套装在直线导轨上；调节螺栓穿过安装底座与滑块连接；调节螺栓可调节滑块在直线导轨上的位置，以实现弹性支承机构的刚度调节；扰动部件安装台与片簧固联并将扰动部件安装于其上部；通过安装台上的八个压电传感器，包括四个横向压电传感器和四个纵向压电传感器，可将扰动力信号转换为电信号传输给数据采集和处理系统，由计算机显示和分析扰动测试结果；该测量系统可以测试扰动部件在不同安装刚度下的扰振特性，进而研究测试台的刚度变化对扰动特性的影响。运用片簧调节刚度，可避免板的模态密集度高而难以研究的缺陷，提高测量及研究的可靠性。本发明结构简单，操作方便，易于实现模态频率的调节，且调节范围较大。

如图1所示，一种刚度可调的弹性扰振测试系统包括：底板1、四个弹性支承机构、扰动部件安装台8、信号线9、数据采集和处理系统10以及计算机11；

如图2所示，刚度可调的弹性支承机构，其特征在于包括：安装底座2、滑块3、直线导轨4、片簧5、加固板6和调节螺栓7，可以实现扰振测试系统的刚度调节；其中底板1水平固定安装在试验台上；安装底座2和直线导轨4分别通过螺栓固定于底板1的相应位置上；片簧5通过螺栓与安装底座2固联成一体；滑块3沿滑槽套装在直线轨4上，滑块可以在直线导轨4上自由滑动；调节螺栓7穿过安装底座2的孔与滑块3上的螺纹孔连接；通过旋转调节螺栓7带动滑块3在直线导轨4上运动，并根据标刻在直线导轨4上的标尺进行定位，当滑块调节到需要的位置后，加固板6压紧片簧并通过螺栓与滑块3固联，螺栓下端顶紧直线导轨4，两个螺母12按图2所示方向相向拧紧，夹紧滑块，以提高安装刚度；螺母13按图2所示方向旋转并压紧安装底座2，以避免调节螺栓与安装底座碰撞而产生的干扰频率对扰动特性的影响；四个弹性支承机构对称固定于底板1上组成刚度可调的弹性测试台；

如图3所示，扰动部件安装台8，其特征在于包括：底座8-1、负载盘8-2、四个横向压电传感器8-3、四个纵向压电传感器8-4、四个侧向定位板8-5以及八个紧固螺栓8-6；四个纵向压电传感器8-4位于底座8-1上表面和负载盘8-2下表面之间，通过紧固螺栓8-6压紧，测量Z方向的扰动力和X、Y方向的扰动力矩；四个侧向定位板8-5分别通过螺栓固定在底座8-1的上表面；四个紧固螺栓8-6分别穿过四个侧向定位板8-5压紧横向压电传感器8-3并与负载盘固联在一起，四个横向压电传感器8-3的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，以保证能测量X、Y方向的扰动力和Z方向的扰动力矩；在底座8-1上接有地线，规定其为压电传感器的负极，每个压电传感器上都加有导电铜片作为压电传感器的正极；八个压电传感器通过信号线9连接到数据采集处理系统10上；

扰动部件安装台8通过螺栓对称固联在片簧5上，将扰动源安装在扰动部件安装台8上，测试台上的四个纵向压电传感器和四个横向压电传感器将扰动源产生的扰动力转换成电压信号，可以通过信号线9将扰动信号传输到数据采集和处理系统10，并转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，进而通过计算机11准确分析出扰动源的振动特性；按照不同的实验要求改变滑块的位置从而可以达到改变弹性支撑刚度的目的，进而研究扰动源在不同安装刚度条件下的扰振特性及扰动源与安装基础的耦合扰动规律。

此刚度可调的弹性扰振测试系统的工作过程：按照上述实施方法将整个弹性测试系统安装好后，将扰动部件安装在扰动部件安装台的上表面，利用扰动部件控制器启动扰动部件，扰动部件旋转产生振动，测试台上的四个纵向压电传感器和四个横向压电传感器将扰动部件产生的扰动力转换成电压信号，并通过信号线9将扰动信号传输到数据采集和处理系统10，进而将其转化为三个扰动力信号和三个扰动力矩信号，进而通过计算机11准确分析出扰动源的振动特性。上述过程为扰动源在特定的安装基础上的扰动特性分析，可通过改变滑块在直线导轨上的位置调整弹性支承机构的支撑刚度，可得到扰动部件在不同安装刚度条件下的扰振特性及扰动部件与安装基础的耦合扰动规律，进而达到能够通过扰动源的地面试验结果预示其在轨运行的扰动影响。

各传感器安装好后，运行微小振动源，使其产生振动，从而使四个纵向压电传感器、四个横向压电传感器输出的电压信号通过数据采集和处理系统10转化为X、Y、Z三个方向的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10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。

扰动部件安装台8的测试原理为：其中通过数据采集处理系统10得到的是压电力传感器的电压信号，压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器，其只能用于动态测量，每个通道的电压信号输入到数据采集系统10，处理过程中利用中心等效频响函数矩阵求逆法求出测试系统的标定矩阵H(ω)，再通过公式W_6×8(ω)T_8×n(ω)＝F_6×n(ω)得到等效中心处的扰动力，式中W为系统频响函数矩阵的逆；T为八个力传感器的响应信号；F即等效载荷，扰动力。

测试系统标定的基本原理为频响函数矩阵求逆法，它假设是系统为线性的，系统的响应完全由待测的载荷产生，且载荷的作用点已知。

一般情况下，真实系统特别是连续结构，其自由度数N很大，不可能测得所有自由度上的响应用来求解结构受到的载荷。通常情况下，由于待确定的载荷数P一般不会很大，所以希望用尽量少的响应数据来确定待测定的载荷，也就是通过结构的部分响应来测定载荷。假设待定的载荷数为P，响应的测点数L，两者均小于系统的总自由度数N，结构频响函数可以表示为：

X(ω)_L×1＝H(ω)_L×PF(ω)_P×1    (1)

若式(1)中待定的载荷数P与响应的测点数L相等，即L＝P，则频响函数矩阵H(ω)为方阵，因此载荷谱向量F(ω)可由下式求得：

F(ω)＝H^-1(ω)X(ω)              (2)

若式(1)中待定的载荷数P与响应的测点数L不相等，通常是L≥P，则频响函数矩阵H(ω)就不再是方阵，因此必须对频响函数求广义逆，这样，载荷识别的公式为：

F(ω)＝[H^H(ω)H(ω)]^-1H^H(ω)X(ω)        (3)

式中，上标H表示矩阵的共轭转置。

将上述标定方法定义为中心等效载荷频响函数矩阵求逆法，该方法首先将标定载荷转换到安装盘形心，即：

F_6×n(ω)＝C_6×nF′_n×n(ω)        (4)

上式中，矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；F表示等效到形心的载荷，维数为6×n；F′表示实际加载的载荷，是一个对角阵，矩阵中的F′_ii等于第ii次加载的载荷值；C表示实际加载的载荷矩阵与等效载荷矩阵之间的转换矩阵，维数为6×n。

等效载荷与力传感器信号之间的关系为：

W_6×8(ω)T_8×n(ω)＝F_6×n(ω)        (5)

其中矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；W为系统频响函数矩阵的逆；T为八个力传感器的响应信号，维数为8×n；F即为式(4)中得到的等效载荷。由式(5)中可知，当响应矩阵T存在逆时，有：

W_6×8(ω)＝F_6×n(ω)T^-1 _8×n(ω)                     (6)

考虑到响应信号的通道只有8个，为了提高测量精度，加载点的数目应大于响应通道数，即n＞8，这时响应矩阵T不再是一个方阵，而是一个行满秩的矩阵，应用广义逆理论，有：

W_6×8(ω)＝F_6×n(ω)T^H(ω)[T(ω)T^H(ω)]^-1           (7)

将(4)式代入(7)，有：

W_6×8(ω)＝C_6×nF′_n×n(ω)T^T(ω)[T(ω)T^T(ω)]^-1    (8)

试验中将式(8)求得的矩阵W(ω)和试验测得的T(ω)分别表示式(2)中的频响函数矩阵H(ω)的广义逆和响应X(ω)，就可以确定系统的等效外载荷，实现中心等效标定即将传感器得到的电压信号转换为实际需要的力信号，即

F_6×1(ω)＝W_6×8(ω)T_8×1(ω)

总之，这种刚度可调的弹性扰振测试系统，安装及刚度调节很方便，测试的频率调节范围大，可以在不同刚度下进行扰动力测试，增加了使用范围。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种刚度可调的弹性扰振测试系统，包括水平固定于试验台上的底板（1），安装在底板（1）上的扰动部件安装台（8）和压电传感器，信号线（9）连接压电传感器与数据和采集处理系统（10），计算机（11）连接数据和采集处理系统（10），其特征在于底板（1）上设有四个对称安装的弹性支承机构，该弹性支承机构包括安装底座（2）、滑块（3）、直线导轨（4）、片簧（5）、加固板（6）和调节螺栓（7），安装底座（2）和直线导轨（4）分别固定在底板（1）的相应位置上，片簧（5）与安装底座（2）固联成一体，滑块（3）套装在直线导轨（4）上，调节螺栓（7）穿过安装底座（2）与滑块（3）连接，调节滑块（3）在直线导轨（4）上的位置，片簧（5）通过加固板（6）和滑块（3）固定；扰动部件安装台（8）与四个弹性支承机构中的四个片簧（5）固联在一起，并将扰动部件安装在扰动部件安装台（8）上。

2.根据权利要求1所述的刚度可调的弹性扰振测试系统，其特征是压电传感器包括4个纵向传感器（8-4）和4个横向传感器（8-3）。

3.根据权利要求1所述的刚度可调的弹性扰振测试系统，其特征是直线导轨（4）上刻有标尺，用于控制滑块（3）的移动距离。

4.根据权利要求1所述的刚度可调的弹性扰振测试系统，其特征是片簧（5）的厚度根据弹性支承机构的调节刚度确定。

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