CN103822767B - 一种幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置及其方法，检测装置包括：一振动台，其内设置有马达；一固定基座，为一正方体，其分别与X轴、Y轴、Z轴垂直的三个面上分别设置有反光板，所述固定基座通过连杆与振动台形成刚性连接；三个激光光源，分别设置于各反光板的相对上方；三个四象限激光探测器，分别设置于所述各反光板的相对上方；还包括三组电流电压转换模块、三组运算模块、三组模拟数字转换器、一微控制器。本发明能够实现对振动台高频振动性能参数的快速精确检测，从而解决地震模拟系统中高频振动时检测精确度不够的问题。

Description

一种幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，同时，还涉及利用所述检测装置测定地震模拟系统振动性能参数的方法。

背景技术

地震一般指地壳的天然震动，同台风、暴雨、洪水、雷电等一样，是一种自然现象。全球每年发生地震约500万次，其中能感觉到的有5万多次，能造成破坏性的5级以上的地震约1000次，而7级以上有可能造成巨大灾害的地震约十几次。

地震模拟系统是专为进行减灾防灾普及地震知识而开发的。通过模拟各种震级的地震实况，使人有身临其境的感觉，并配合附属的声、像设备，在娱乐中对灾害性地震产生感性认识，同时也对人们进行地震知识的普及教育，介绍地震逃生自救的防护知识。

地震模拟器的振动台可以准确地模拟出地震时的纵波和横波。该设备运用数控技术模拟复制已发生且记录下来的地震波，可模拟出3～8级的地震效果。

纵波每秒钟传播速度5～6千米，能引起地面上下跳动；横波传播速度较慢，每秒3～4千米，能引起地面水平晃动。由于纵波衰减快，离震中较远的地方，只感到水平晃动。

在一般情况下，地震时地面总是先上下跳动，后水平晃动。地震模拟振动台根据震级的不同，模拟出“纵波”和“横波”的上下和水平的运动，营造出地震发生时地表的各种运动现象。

在地震模拟系统中，对“纵波”和“横波”的精确快速检测能力显得尤为重要。实现了对“纵波”和“横波”的精确快速检测，才能准确实现对各种地震等级的模拟。

在地震模拟系统中，模拟地震频率较低时，一般振动幅度较大，而在模拟地震频率较高时，振动幅度小，一般在2mm以内，此时的振动频率高，幅度小，难以振动性能参数检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置及方法，能够实现对振动台高频振动性能参数的快速精确检测，从而使地震模拟系统的振动台能够准确模拟各种高频地震等级，进而解决地震模拟系统中高频振动时检测精确度不够的问题。

为达到上述目的，本发明设计构思如下：

激光光源发出激光光束，反光板固定在和振动台刚性连接的反光板固定基座上，当振动台在上下振动产生位移D时，激光光源发出的激光光束反射在了反光板的不同位置，此时反射的激光线在四象限激光探测器上的照射点也发生了位移S，而且S＝2D，在这个位移过程中，四象限激光探测器记录下了照射点(光斑)的移动过程，也就是记录了振动台上下方向上的振动过程。四象限激光探测器四象限a、b、c、d的四路输出电流I₁，I₂，I₃，I₄，分别经过电流电压转换电路，得到四路电压信号V₁，V₂，V₃，V₄，然后经过电路运算得到信号以及该信号经过数字模拟转换器，得到数字信号输入到微控制器。

微控制器可以实现对信号的高速采集记录。通过对微控制器采集到的信号进行分析，可以得到振动台分别在X轴、Y轴、Z轴三个方向振动的位移、速度和加速度。微控制器把测量到的位移、速度和加速度与用户设定值进行比较，进一步控制马达控制器，驱动马达，带动振动台振动，最终得到用户预期的地震台高频振动性能。

本发明主要采用如下技术方案：

一种幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，包括：一用于模拟地震振动的振动台，其内设置有马达；一固定基座，为一正方体，其分别与X轴、Y轴、Z轴垂直的三个面上分别设置有反光板，所述固定基座通过连杆与振动台形成刚性连接；三个激光光源，分别设置于各反光板的相对上方；所述激光光源发射的激光光线与反光板法线之间夹角小于或者等于45°；三个四象限激光探测器，分别设置于所述各反光板的相对上方；与激光光源相对，四象限激光探测器与反光板法线之间夹角小于或者等于45°；三组电流电压转换模块，分别对应三个四象限激光探测器，每组电流电压转换模块设4个电流电压转换器，所述电流电压转换器的输入端分别与所述四象限激光探测器四象限的输出端连接；三组运算模块，分别对应三组电流电压转换模块，每组运算模块设2个运算放大器，所述每组电流电压转换模块中的每个电流电压转换器的输出端分别与2个运算放大器的输入端连接；三组模拟数字转换模块，每组设2个模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的输入端分别与2个运算放大器的输出端连接；一微控制器，其输入端与所述模拟数字转换器输出端连接，输出端连接有马达控制器。

另，所述四象限激光探测器与所述激光光源设置于同一水平面。

又，所述四象限激光探测器与反光板的垂直距离为8～12cm。

且，所述激光光源与反光板的垂直距离为8～12cm。

又，所述激光光源发射的激光光线与反光板法线之间夹角为8～12°。

一种测定地震模拟系统振动性能参数的方法，包括如下步骤：

a)开启三个激光光源和三个四象限激光探测器，激光光源向反光板投射激光光束，经过反光板将激光光束反射至四象限激光探测器，反射光线在四象限激光探测器上形成光斑；

b)通过微控制器开启马达控制器，控制马达使振动台产生振动，所述振动台的振动频率为0.1～10Hz，振动台通过连杆带动固定基座振动，带动固定基座上的反光板振动；反光板在振动中沿X轴、Y轴、Z轴方向分别产生位移D；振动中，光斑在四象限激光探测器上产生的位移为S，S＝2D；光斑相对于四象限激光探测器中心在X轴和Y轴方向的偏移量ΔX和ΔY；光斑在四象限激光探测器的四象限a，b，c，d上分别产生光电流I₁，I₂，I₃，I₄；所述光电流I₁，I₂，I₃，I₄经电流电压转换模块转换，得到电压信号V₁，V₂，V₃，V₄；

c)得到的电压信号V₁，V₂，V₃，V₄在运算模块中经电路运算得到X轴和Y轴方向的电压差V_x和V_y，表达式如下：

V_x＝(V₁+V₄)-(V₂+V₃)

V_y＝(V₁+V₂)-(V₃+V₄)

得到的电压信号V₁，V₂，V₃，V₄在运算模块中经电路运算得到四象限电压信号总和：V₁+V₂+V₃+V₄；

经运算，得到：

通过电压差V_x表示光斑相对于四象限激光探测器中心在X轴方向的偏移量ΔX，运算公式为：

通过电压差V_y表示光斑相对于四象限激光探测器中心在Y轴方向的偏移量ΔY，运算公式为：

d)将得到的电压差信号在模拟数字转换器中转换得到数字信号；

e)将得到的数字信号输入微控制器，对数字信号进行采集记录分析，得到光斑在四象限激光探测器上产生的位移S的数值，根据公式S＝2D，得到反光板在振动中产生的位移D的数值，根据微控制器数据采集间隔时间Δt，从而得到振动台高频振动的速度以及加速度；

f)微控制器把测量到的位移、速度和加速度与设定值进行比较，通过控制马达控制器，驱动马达，带动振动台振动，重复步骤a)～e)，最终得到预期的振动台高频振动性能参数。

需要说明的是，当反射光线反射至四象限激光探测器的光敏表面产生光斑时，即会产生光电流，当光斑中心与四象限激光探测器中心重合时，即ΔX＝ΔY，这时4个象限a，b，c，d的面积相同，产生的光电流大小相同。当反射光线因振动产生位移，进而导致光斑偏移四象限激光探测器中心时，光斑在四象限激光探测器的光敏表面产生的光电流I₁，I₂，I₃，I₄会存在大小差异，经电流电压转换模块--运算放大器转换放大成的电压信号V₁，V₂，V₃，V₄之间也会存在差值，此时即可通过X轴和Y轴方向的电压差V_x和V_y表示光斑相对于四象限激光探测器中心在X轴和Y轴方向的偏移量ΔX和ΔY，ΔX和ΔY即为直角三角形的两条直角边，光斑在四象限激光探测器上产生的位移S的数值(即光斑偏移四象限激光探测器中心的距离)即为直角三角形的斜边，微控制器采集的数据为电压差V_x和V_y的数字信号，经过采集分析，得出光斑在四象限激光探测器上产生的位移S的数值。所述振动台和固定基座设置于同一平面。

另，所述振动台的振动频率优选为8～10Hz。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)振动台与固定基座采用刚性连接，使得两者振动频率一致，使得反光板沿X、Y、Z三个方向的位移即为振动台沿X、Y、Z三个方向产生的位移；

2)设置四象限激光探测器，配合激光光源以及固定基座上反光板，将振动台的振动位移放大了2倍，使得在高频振动的情形下方便测定小振幅的相关振动性能参数；

3)实现同时对地震台X、Y、Z三个方向的振动性能精确分析，为实现地震台高频振动性能提供了条件；

4)设置电流电压转换模块，结合模拟数字转换器，将电压差信号转换为数字信号，通过微控制器采集处理，在数据采集速度方面，模拟数字转换器及微控制器可以实现对数据采集频率达到10k以上，则在一个振动过程中的数据点数为：10kHz/10Hz＝1000点，相当于振动台在1mm的振动过程中，微控制器可以采集500个数据点，远远超过对振动性能参数的记录要求，从而实现有效快速检测振动台的振动性能参数。

附图说明

图1为本发明幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置实施例的结构示意图。

图2为本发明反光板振动位移放大原理示意图。

图3为本发明中光斑偏移四象限激光探测器中心的原理示意图。

图4为本发明地震模拟系统振动性能参数检测方法(以反光板沿一个轴方向振动为例)的流程示意图。

具体实施方式

参见图1～图4，本发明的幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，包括：一用于模拟地震振动的振动台1，其内设置有马达(未图示)；一固定基座2，为一正方体，其分别与X轴、Y轴、Z轴垂直的三个面上分别设置有反光板3，所述固定基座2通过连杆4与振动台1形成刚性连接；三个激光光源5，分别设置于各反光板3的相对上方；所述激光光源5发射的激光光线与反光板3法线之间夹角为8～12°；三个四象限激光探测器6，分别设置于所述各反光板3的相对上方；与激光光源5相对，四象限激光探测器6与反光板3法线之间夹角小于或者等于45°；三组电流电压转换模块，分别对应三个四象限激光探测器6，每组电流电压转换模块设4个电流电压转换器7，所述电流电压转换器7的输入端分别与所述四象限激光探测器6四象限的输出端连接；三组运算模块，分别对应三组电流电压转换模块，每组运算模块设2个运算放大器8，所述每组电流电压转换模块中的每个电流电压转换器7的输出端分别与2个运算放大器8的输入端连接；三组模拟数字转换模块，每组设2个模拟数字转换器9，所述模拟数字转换器的输入端分别与2个运算放大器8的输出端连接；一微控制器10，其输入端与所述模拟数字转换器9输出端连接，输出端连接有马达控制器11。

又，所述四象限激光探测器6与所述激光光源5设置于同一水平面。

且，所述四象限激光探测器6与反光板3的垂直距离为8～12cm。所述激光光源5与反光板3的垂直距离为8～12cm。

所述振动台1和固定基座2设置于同一平面。

同时，本发明还提供一种利用所述幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置同时测定地震模拟系统振动台在X轴、Y轴、Z轴三向的振动性能参数的方法，包括如下步骤：

以测定振动台1沿Z轴方向振动的振动性能参数为例，振动台1沿X轴和Y轴方向高频振动的振动性能参数的测定同Z轴，并可同时测定振动台1沿X轴、Y轴、Z轴方向高频振动的振动性能参数。

a)开启三个激光光源5和三个四象限激光探测器6，激光光源5向反光板投3射激光光束，经过反光板3将激光光束反射至四象限激光探测器6，反射光线在四象限激光探测器6上形成光斑61；

b)通过微控制器10开启马达控制器11，控制马达使振动台1产生振动，所述振动台1的振动频率为8～10Hz，振动台1通过连杆3带动固定基座2振动，带动固定基座2上的反光板3振动；反光板3在振动中沿Z轴方向分别产生位移D_Z；振动中，光斑61在四象限激光探测器6上产生的位移为S_Z，S_Z＝2D_Z；光斑61相对于四象限激光探测器6中心在X轴和Y轴方向的偏移量ΔX和ΔY；光斑在四象限激光探测器6的四象限a，b，c，d上分别产生光电流I₁，I₂，I₃，I₄；所述光电流I₁，I₂，I₃，I₄经电流电压转换模块的四个电流电压转换器7转换，得到电压信号V₁，V₂，V₃，V₄；

c)得到的电压信号V₁，V₂，V₃，V₄在运算模块中经电路运算得到X轴和Y轴方向的电压差V_x和V_y，通过电压差V_x和V_y表示光斑61相对于四象限激光探测器6中心在X轴和Y轴方向的偏移量ΔX和ΔY，表达式如下：

V_x＝(V₁+V₄)-(V₂+V₃)

V_y＝(V₁+V₂)-(V₃+V₄)

得到的电压信号V₁，V₂，V₃，V₄输入运算模块的另一个运算放大器8，在该运算放大器8中经电路运算得到四象限电压信号总和：V₁+V₂+V₃+V₄；

然后，经运算，得到：

ΔX的电压差信号，运算公式为：

ΔY的电压差信号，运算公式为：

d)将得到的电压差信号在模拟数字转换器9中转换得到数字信号；

e)将得到的数字信号输入微控制器10，对数字信号进行采集记录分析，得到光斑在四象限激光探测器上产生的位移S_Z的数值，根据公式S_Z＝2D_Z，得到反光板在振动中沿Z轴方向产生的位移D_Z的数值，根据微控制器数据采集间隔时间Δt_Z，从而得到振动台振动的速度以及加速度；

f)微控制器把测量到的位移、速度和加速度与设定值进行比较，通过控制马达控制器，驱动马达，带动振动台振动，重复步骤a)～e)，最终得到预期的振动台沿Z轴方向振动的高频振动性能参数。

反光板在振动中沿Z轴方向产生的位移D_Z的数值即为振动台在振动中沿Z轴方向产生的位移的数值。

同时，固定基座2上垂直于X轴设置的反光板3在振动中产生的位移为D_X，光斑61产生的位移为S_X，其余同步骤a)～f)，得到反光板3沿X轴方向在振动中产生的位移D_X，根据微控制器数9据采集间隔时间Δt_X，得到振动台1沿X轴方向高频振动的速度以及加速度，最终得到振动台1沿X轴方向高频振动的振动性能参数。

同时，固定基座2上垂直于Y轴设置的反光板3在振动中产生的位移为D_Y，光斑61产生的位移为S_Y，其余同步骤a)～f)，得到反光板3沿Y轴方向在振动中产生的位移D_Y，根据微控制器9数据采集间隔时间Δt_Y，得到振动台1沿Y轴方向高频振动的速度以及加速度，最终得到振动台1沿Y轴方向高频振动的振动性能参数。

其中，所述振动台振动性能参数设定值参见表1。

表1、振动台振动性能参数

地震波的主要频率范围在0.4-10Hz，地震模拟器一般频率扩宽到0.4-50Hz，位移多数在10厘米以内，其中在模拟高频(8-10Hz)地震振动时，位移则一般在2mm以内。此时，振动台振动引起的激光光线在四象限激光探测器的位移则在4mm以内，现有市场上的四象限激光探测器可以满足要求。

其中，在数据采集速度方面，模拟数字转换器8及微控制器9可以实现对数据采集频率达到10k以上，则在一个振动过程中的数据点数为：10kHz/10Hz＝1000点，相当于振动台1在1mm的振动过程中，微控制器9可以采集500个数据点，远远超过对振动性能的记录要求。

表1为一例数据采集和计算：

表1、四象限激光探测器数据采集例子

表1说明如下：

模拟数字转换器8及微控制器9的数据采集频率为10k，间隔时间为100us。

经过单位换算后的激光点位移数据单位为mm，振动台位移数据则为激光点位移的0.5倍。

根据采集的20点数据，计算得到振动台位移、速度和加速度的瞬时值，以及加速度的平均值和方差。

如表1所示，采用此发明所述的检测方法后，地震模拟振动台性能达到了较高的水平。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.一种幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，其特征在于，包括：

一用于模拟地震振动的振动台，其内设置有马达；

一固定基座，为一正方体，其分别与X轴、Y轴、Z轴垂直的三个面上分别设置有反光板，所述固定基座通过连杆与振动台形成刚性连接；

三个激光光源，分别设置于各反光板的相对上方；所述激光光源发射的激光光线与反光板法线之间夹角小于或者等于45°；

三个四象限激光探测器，分别设置于所述各反光板的相对上方；与激光光源相对，四象限激光探测器与反光板法线之间夹角小于或者等于45°；

三组电流电压转换模块，分别对应三个四象限激光探测器，每组电流电压转换模块设4个电流电压转换器，所述电流电压转换器的输入端分别与所述四象限激光探测器四象限的输出端连接；

三组运算模块，分别对应三组电流电压转换模块，每组运算模块设2个运算放大器，所述每组电流电压转换模块中的每个电流电压转换器的输出端分别与2个运算放大器的输入端连接；

三组模拟数字转换模块，每组设2个模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的输入端分别与2个运算放大器的输出端连接；

一微控制器，其输入端与所述模拟数字转换器输出端连接，输出端连接有马达控制器。

2.根据权利要求1所述的幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，其特征在于，所述四象限激光探测器与所述激光光源设置于同一水平面。

3.根据权利要求1或2所述的幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，其特征在于，所述四象限激光探测器与反光板的垂直距离为8～12cm。

4.根据权利要求1所述的幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，其特征在于，所述激光光源与反光板的垂直距离为8～12cm。

5.根据权利要求1所述的幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置，其特征在于，所述激光光源发射的激光光线与反光板法线之间夹角为8～12°。

6.一种利用权利要求1～5中任一项所述的幕墙面板地震模拟系统振动性能参数检测装置测定地震模拟系统振动性能参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)开启三个激光光源和三个四象限激光探测器，激光光源向反光板投射激光光束，经过反光板将激光光束反射至四象限激光探测器，反射光线在四象限激光探测器上形成光斑；

b)通过微控制器开启马达控制器，控制马达使振动台产生振动，所述振动台的振动频率为0.1～10Hz，振动台通过连杆带动固定基座振动，带动固定基座上的反光板振动；反光板在振动中沿X轴、Y轴、Z轴方向分别产生位移D；振动中，光斑在四象限激光探测器上产生的位移为S，S＝2D；光斑相对于四象限激光探测器中心在X轴和Y轴方向的偏移量ΔX和ΔY；光斑在四象限激光探测器的四象限a，b，c，d上分别产生光电流I₁，I₂，I₃，I₄；所述光电流I₁，I₂，I₃，I₄经电流电压转换模块转换，得到电压信号V₁，V₂，V₃，V₄；

c)得到的电压信号V₁，V₂，V₃，V₄在运算模块中经电路运算得到X轴和Y轴方向的电压差V_x和V_y，表达式如下：

V_x＝(V₁+V₄)-(V₂+V₃)

V_y＝(V₁+V₂)-(V₃+V₄)

得到的电压信号V₁，V₂，V₃，V₄在运算模块中经电路运算得到四象限电压信号总和：V₁+V₂+V₃+V₄；

经运算，得到：通过电压差V_x表示光斑相对于四象限激光探测器中心在X轴方向的偏移量ΔX，运算公式为：

通过电压差V_y表示光斑相对于四象限激光探测器中心在Y轴方向的偏移量ΔY，运算公式为：

d)将得到的电压差信号在模拟数字转换器中转换得到数字信号；

e)将得到的数字信号输入微控制器，对数字信号进行采集记录分析，得到光斑在四象限激光探测器上产生的位移S的数值，根据公式S＝2D，得到反光板在振动中产生的位移D的数值，根据微控制器数据采集间隔时间Δt，从而得到振动台高频振动的速度以及加速度；

f)微控制器把测量到的位移、速度和加速度与设定值进行比较，通过控制马达控制器，驱动马达，带动振动台振动，重复步骤a)～e)，最终得到预期的振动台高频振动性能参数。

7.根据权利要求6所述测定地震模拟系统振动性能参数的方法，其特征在于，所述振动台的振动频率为8～10Hz。