CN103499387A - 一种微振动信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种微振动信号处理方法，对采集的微振动信号进行处理得到扰振力和误差分析。首先将标定盘固装在六分量八传感器扰振力测试台上，用标准力锤敲击标定盘上16个标定点，每次敲击时，采集力锤和8传感器电压时域信号以及六分量扰振力测试台频响函数。通过标定过程得到标定矩阵和标定误差。其次，在六分量八传感器扰振力测试台上的活动部件对测试台有微小扰动时，通过数采系统采集时域数据，通过快速傅里叶变换得到频域结果，通过标定矩阵得到扰振力频域信号，通过反傅里叶变换得到扰振力时域数据。

Description

一种微振动信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种微振动信号处理方法，可用于对航天器微小扰动载荷在8个传感器上的振动信号进行动态测量，通过相关理论对微振动信号处理得到扰振力。 

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微振动信号处理的文献报导。 

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，提供一种微振动信号处理方法，通过标定得到试验测试系统的频响函数，有频响函数得到试验测试系统的标定矩阵，在航天器活动部件对该测试系统有微小扰动时，通过标定矩阵得到等效到试验测试台某一点的扰振力。 

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种微振动信号处理方法，所述的电压信号测量是在八传感器六分量刚性测力台上进行，步骤如下： 

（1）将标定盘安装在八传感器六分量刚性测力台上，用螺栓将其拧紧；标定盘是一个正方形铝盘，所述标定盘四个侧面上各自均布有3个敲击点，上表面上布有4个敲击 点，下表面与八传感器六分量刚性测力台连接； 

（2）用力锤依次敲击标定盘上的16个敲击点，并采集力锤的时域信号、敲击每个点时测力台的输出电压信号以及频响函数； 

（3）计算锤击力0分量误差、非0分量误差以及标定矩阵； 

（4）拆下标定盘； 

（5）将微振动信号源安装在八传感器六分量刚性台上，用螺栓拧紧； 

（6）扰动源通电开始工作； 

（7）通过八传感器六分量测力台采集扰动源工作时传感器的电压时域信号； 

（8）将电压时域信号进行傅里叶变换得到电压的频域信号； 

（9）将电压频域信号与标定矩阵相乘得到扰动源扰动力的频域信号； 

（10）将扰动力的频域信号反傅里叶变换可以得到扰动力的时域信号，即完成对微振动信号的处理。 

所述八传感器六分量刚性测力台包括八个单向压电传感器，其中四个压电传感器沿水平方向布置，保证能够测试沿水平方向的两个扰动力和绕垂直方向的扰动力矩；另外四个压电传感器沿垂直方向布置，保证能够测试沿垂直方向的扰动力和绕水平方向的两个扰动力矩。 

步骤（3）中所述计算锤击力0分量误差、非0分量误差以及标定矩阵具体为： 

通过公式

计算锤击力0分量误差

通过公式

计算非0分量误差标定矩阵为W_6×8(ω)=C_6×nF′_n×n(ω)T^T(ω)[T(ω)T^T(ω)]^-1，其中，各锤击点对中心标定点的实测等效载荷分量包含0项和非0项，分别用

表示，对应的反算值用

表示，i=1～6， 

矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；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；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；T为八个力传感器的响应信号，维数为8×n。 

本发明与现有技术相比具有以下优点： 

（1）本发明测量误差检验采用瞬态检验方法。稳态检验使用激振器采用扫频方式，激振器上有标准力的传感器，振动测试台的输出力和传感器测得的力比较从而得到测量误差。稳态检验对所关心的频率区间检验精度较高，缺点是稳态检验时间长，并且由于激振器体积和质量比较大，安装难度高从而引入了检验力之外的力的分量，工程应用中 困难很大，而瞬态检验工程实现简单，精度满足要求。 

（2）本发明应用模态分析理论中的载荷识别技术即频响函数矩阵求逆法来得到电压信号与力信号之间的标定系数，实现整体标定，从而求出扰动载荷。这是一种整体标定的方法，这就减少了由于多个传感器在组成整体使用时其标定误差的累积问题；同时，每次标定时无需重新拆装测试系统，很大程度上降低了工作量，使用方便。 

附图说明

图1为本发明标定点位置示意图； 

图2为标定力锤示意图； 

图3为本发明方法流程图。 

具体实施方式

如图3所示，本发明提供了一种微振动信号处理方法，所述的电压信号测量是在八传感器六分量刚性测力台上进行，其特征在于步骤如下： 

（1）将标定盘安装在八传感器六分量刚性测力台上，用螺栓将其拧紧；标定盘是一个正方形铝盘，如图1所示，标定盘四个侧面上各自均布有3个敲击点，上表面上布有4个敲击点，下表面与八传感器六分量刚性测力台连接；八传感器六分量刚性测力台是由八个单向压电传感器组成，其中四个压电传感器沿水平方向布置，保证能够测试沿水平方向的两个扰动力和绕垂直方向的扰动力矩；另外四个压电传感器沿垂直方向布置，保证能够测试沿垂直方向的扰动力和绕水平方向的两个扰动力矩。 

（2）用力锤依次敲击标定盘上的16个敲击点，并采集力锤的时域信号、敲击每个点时测力台的输出电压信号以及频响函数；力锤的示意图如图2所示， 

（3）计算锤击力0分量误差、非0分量误差以及标定矩阵； 

（4）拆下标定盘； 

（5）将微振动信号源安装在八传感器六分量刚性台上，用螺栓拧紧； 

（6）扰动源通电开始工作； 

（7）通过八传感器六分量测力台采集扰动源工作时传感器的电压时域信号； 

（8）将电压时域信号进行傅里叶变换得到电压的频域信号； 

（9）将电压频域信号与标定矩阵相乘得到扰动源扰动力的频域信号； 

（10）将扰动力的频域信号反傅里叶变换可以得到扰动力的时域信号，即完成对微振动信号的处理。 

首先应该求得相应的标定矩阵W(ω)，整体标定矩阵实际上是八个压电力传感器的响 应信号与作用在等效中心点的载荷之间的频响函数矩阵。在本方法中，等效中心为八分量传感器装置的负载盘上表面的中心点，在此中心点直接施加三个平动力和三个力矩有困难，本文在假设负载盘为刚体的基础上，安装一个刚度很高的标定台，并选择如图所示的16个加载点。根据空间力系平衡理论可知，利用选择的16个加载点能等效出作用在负载盘几何中心的三个平动力和三个力矩；图1中O点为负载盘上表面的中心点，表1列出了图中各参数的值。 

表1标定点位置参数 

Lx/m	Ly/m	Lz/m
			0.042	0.042	0.04

试验中通过16个标定力F₁～F₁₆得到系统的标定矩阵W(ω)，试验中的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即式（3.2.5）中的矩阵C的表达式为： 

C₁=[0 1 0 -Lz 0 -Lx]^T

C₂=[0 1 0 -Lz 0 0]^T

C₃=[0 1 0 -Lz 0 Lx]^T

C₄=[-1 0 0 0 -Lz -Ly]^T

C₅=[-1 0 0 0 -Lz 0]^T

C₆=[-1 0 0 0 -Lz Ly]^T

C₇=[0 -1 0 Lz 0 -Lx]^T

C₈=[0 -1 0 Lz 0 0]^T

C₉=[0 -1 0 Lz 0 Lx]^T

C₁₀=[1 0 0 0 Lz -Ly]^T

C₁₁=[1 0 0 0Lz 0]^T

C₁₂=[1 0 0 0 Lz Ly]^T

C₁₃=[0 0 -1 Ly -Lx 0]^T

C₁₄=[0 0 -1 Ly Lx 0]^T

C₁₅=[0 0 -1 -Ly Lx 0]^T

C₁₆=[0 0 -1 -Ly -Lx 0]^T

上式中的C_i表示第i次加载的载荷与中心等效载荷之间的转换矩阵。 

其次，根据模态分析理论，对于N自由度线性系统有： 

X(ω)=H(ω)F(ω)     (1) 

上式中，X(ω)为响应谱向量（电压信号），维数为N×1；H(ω)为频响函数矩阵，维数为N×N；F(ω)为载荷谱向量，维数为N×1。 

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不会很大，所以希望用尽量少的响应数据来确定待识别的载荷，也就是通过结构的部分响应来识别载荷。假设待定的载荷数为P，响应的测点数为L，两者均小于系统的总自由度数N，因此： 

X(ω)_L×1=H(ω)_L×PF(ω)_P×1     (2) 

由上式可知只要确定频响函数矩阵以及响应向量的频谱，就可以求解载谱，进而用傅立叶逆变换得到载荷的时域信号，即模态分析理论中的载荷识别频响函数矩阵求逆法。若式(2)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，此时载荷谱向量F(ω)可由下式求得： 

F(ω)=H^-1(ω)X(ω)     (3) 

若待定的载荷数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，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)     (4) 

式中，上标H表示矩阵的共轭转置。通常动响应X(ω)比较容易得到，而频响函数矩阵H(ω)的确定则不是容易的，因为H(ω)矩阵中各元素反映的是各个离散的激励点和响应点之间的关系，响应点对于各个不同的激励点及激励点对于各个不同的响应点之间的频响函数是互不相同的，也就是说，上式中的H(ω)和F(ω)是紧密联系在一起的，如果不知道载荷向量F(ω)中各分量F_j(ω)的作用位置，也就无法确定H(ω)中的各元素。因此，频响函数矩阵求逆法只能用于识别已知作用位置的动态载荷，对于作用位置未知或随时间变化的情况则不能用这种方法识别。 

对于有些扰动源（如动量轮），其扰动力作用点不能够准确确定。这时在应用前面所述的频响函数矩阵求逆法时会遇到两个问题：1)如何定义扰动力作用点；2)由于对于定义的扰动力作用点往往无法直接施加载荷，如何对该作用点进行传递矩阵标定。 

针对上述两个问题，本发明的解决方法为： 

1)加工一个相对刚硬的扰动源安装盘，安装盘本身固有频率大于检测频率3倍以 上，这时可认为安装盘相对系统其它部分为刚体； 

2)将所有扰动力等效为作用点在安装盘中的六个外力载荷，即三个平动力、两个弯矩和一个扭矩； 

3)设安装盘上的标定力激励点与其中心点O之间为刚性连接，直接对该盘的不同作用点和不同方向施加标定力进行标定。 

根据上述描述，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)     (5) 

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)     (6) 

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(3.2.5)中得到的等效载荷。由式(6)中可知，当响应矩阵T存在逆时，有： 

W_6×8(ω)=F_6×n(ω)T^-1 _n×8(ω)     (7) 

考虑到响应信号的通道只有8个，为了提高测试精度，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     (8) 

将(5)式代入(8)，有： 

W_6×8(ω)=C_6×nF′_n×n(ω)T^T(ω)[T(ω)T^T(ω)]^-1     （9) 

试验中将式(9)求得的矩阵W(ω)和试验测得的T(ω)分别表示式(4)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)     (10) 

测量误差检验，采用力锤瞬态检验方法。 

测量误差的检验方法为脉冲载荷检验，利用F1,F5,F13的实测载荷与通过响应和标定矩阵反求出的载荷进行比较，验证标定矩阵的精确性。（已备测量动量轮时使用） 

各锤击点对中心标定点的实测等效载荷分量包含0项和非0项，分别用

表 示，对应反算值用

表示，i=1～6，分别对应Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz。锤击力0分量和非0分量的误差分别用

表示，误差计算公式为： 

$e_i^0={\tilde{F}}_i^0/F_j^1,e_i^1=|{\tilde{F}}_i^1-F_i^1|/F_i^1---\left(\mathrm{3.2.12}\right)$

Claims (3)

1.一种微振动信号处理方法，所述的电压信号测量是在八传感器六分量刚性测力台上进行，其特征在于步骤如下：

（1）将标定盘安装在八传感器六分量刚性测力台上，用螺栓将其拧紧；标定盘是一个正方形铝盘，所述标定盘四个侧面上各自均布有3个敲击点，上表面上布有4个敲击点，下表面与八传感器六分量刚性测力台连接；

（2）用力锤依次敲击标定盘上的16个敲击点，并采集力锤的时域信号、敲击每个点时测力台的输出电压信号以及频响函数；

（3）计算锤击力0分量误差、非0分量误差以及标定矩阵；

（4）拆下标定盘；

（5）将微振动信号源安装在八传感器六分量刚性台上，用螺栓拧紧；

（6）扰动源通电开始工作；

（7）通过八传感器六分量测力台采集扰动源工作时传感器的电压时域信号；

（8）将电压时域信号进行傅里叶变换得到电压的频域信号；

（9）将电压频域信号与标定矩阵相乘得到扰动源扰动力的频域信号；

（10）将扰动力的频域信号反傅里叶变换可以得到扰动力的时域信号，即完成对微振动信号的处理。

2.根据权利要求1所述的一种微振动信号处理方法，其特征在于：所述八传感器六分量刚性测力台包括八个单向压电传感器，其中四个压电传感器沿水平方向布置，保证能够测试沿水平方向的两个扰动力和绕垂直方向的扰动力矩；另外四个压电传感器沿垂直方向布置，保证能够测试沿垂直方向的扰动力和绕水平方向的两个扰动力矩。

3.根据权利要求1所述的一种微振动信号处理方法，其特征在于：步骤（3）中所述计算锤击力0分量误差、非0分量误差以及标定矩阵具体为：

通过公式

计算锤击力0分量误差

通过公式

计算非0分量误差

标定矩阵为W_6×8(ω)=C_6×nF′_n×n(ω)T^T(ω)[T(ω)T^T(ω)]^-1，其中，各锤击点对中心标定点的实测等效载荷分量包含0项和非0项，分别用

表示，对应的反算值用F

表示，i=1～6，

矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；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；F′表示实际加载的载荷，是一个对角阵，矩阵中的等于第ii次加载的载荷值；T为八个力传感器的响应信号，维数为8×n。

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