CN104006746B - 一种基于自由落体的位移测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自由落体的位移测量方法及装置，其装置包括位移传感器、质量体均置于支撑架内，并与释放机构一起组成一体机，该一体机垂直固定于待测对象上。测试步骤包括绘制待测对象静止时的位移‑时间曲线、绘制待测对象振动时的位移‑时间曲线、将含有振动信息的位移‑时间曲线与位移测量的基线相减，即可得到待测对象的位移‑时间曲线，克服了利用速度、加速度信号进行积分所引入的积分误差。

Description

一种基于自由落体的位移测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种强冲击、振动过程中的位移测量方法及装置，特别涉及绝对位移的测量方法和装置。

背景技术

在测试领域，位移是传统的监测量，随着现代科技的迅速发展，对位移测量的要求也趋向极端，特别在兵器制造、航空航天等领域，常常需要监测强冲击、振动环境中特定对象的位移变化量，要求传感器具有频率响应快、频带范围宽、灵敏度高等特点。目前工程中常用的位移传感器有电阻式、电容式、电涡流式、差动变压器、磁测法、光测法等，在各行业均得到了广泛的应用。

在强冲击、振动过程中，常需要测量特定对象相对于冲击、振动之前的位移量，在本发明中将该位移称作绝对位移。可见绝对位移具有时间相对性，并不能通过常规的位移传感器进行测量，因为常规位移传感器大多是用于测量不同位置之间的位移，并不具有时间相对性。目前绝对位移的获取，大多是先测量待测对象的速度、加速度值，积分后即可获得待测对象的绝对位移，该方法容易引入积分误差，而且频带范围窄、频率响应慢，一般应用于频率较低的地震信号，不适用于强冲击、振动过程的近区位移测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有时间相对性，频带范围宽的位移测量方法及装置。

本发明的技术解决方案是：

一种基于自由落体的位移测量方法，包括以下步骤：

1)在待测对象上固定空心支撑架，支撑架顶部上方设置释放机构，支撑架内部设置质量体和至少一个位移传感器，所述质量体被释放机构吸附于支撑架顶部内侧面；所述位移传感器与质量体或支撑架固连；

2)绘制待测对象静止时的位移-时间曲线：

2.1)释放机构释放质量体，质量体做自由落体运动；

2.2)位移传感器测量支撑架与质量体之间一个或者多个维度的位移X₁(t)；

2.3)记录各个维度的位移-时间曲线，得到位移测量的基线；

3)绘制待测对象振动时的位移-时间曲线：

3.1)释放机构释放质量体，质量体做自由落体运动；

3.2)待测对象开始振动，位移传感器测量支撑架与质量体之间一个或者多个维度的位移X₁(t)；

3.3)记录各个维度的位移-时间曲线，得到含有振动信息的位移-时间曲线；

4)将含有振动信息的位移-时间曲线与位移测量的基线相减，即可得到待测对象的位移-时间曲线。

上述位移传感器可与质量体的侧面固连；所述待测对象水平方向振动。

上述位移传感器还可与质量体的顶面或底面固连；所述待测对象垂直方向振动。

上述位移传感器还可与支撑架的顶面或底面固连；所述待测对象垂直方向振动。

上述位移传感器还可与质量体的侧面和顶面或者侧面和底面固连；所述待测对象三维方向振动。

一种基于自由落体的位移测量装置，其特殊之处在于：

包括支撑架、位移传感器、质量体、释放机构；

所述支撑架为空心圆筒、空心框架或空心方筒结构，其固定在待测对象的上方；

所述释放机构用于产生吸附质量体的电磁力并根据输入触发信号以确定释放动作的时刻；

所述质量体为磁铁或磁性材料，其设置在支撑架内并被释放机构吸附在支撑架上端内侧；

所述位移传感器数量至少为一个，其设置在支撑架或质量体上，用于测量支撑架和质量体之间一个或两个或三个方向的位移。

上述空心圆筒或空心方筒为真空结构。

上述释放机构1包括电磁螺线管、电源、控制器，所述电源为电磁螺线管通入电流以产生电磁力，所述控制器根据输入的触发信号，切断通入电磁螺线管的电流。

上述位移传感器为采用激光干涉法、激光三角法的传感器，或者为成像相机。

本发明的有益效果：

由于本发明以自由落体的质量体为基准，可以利用现有的多种位移传感器进行绝对位移的测量，克服了利用速度、加速度信号进行积分所引入的积分误差，特别地可以使用激光干涉法和激光三角法进行位移测量，使整个测量系统具有较强的抗电磁干扰能力和快的响应速度，在兵器制造、工程振动、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例的原理示意图；

图中，1-释放机构，2-支撑架，3-位移传感器，4-质量体，5-待测对象。

具体实施方式

如图1所示，位移传感器3、质量体4均置于支撑架2内，并与释放机构1一起组成一体机，该一体机垂直固定于待测对象5上。

质量体，为位移测量提供基准，在测量过程中质量体做自由落体运动；

释放机构，用于在测量过程之前某一时刻释放质量体，使质量体做自由落体运动；

位移传感器，用于测量支撑架与质量体之间的位移；

支撑架，用于支撑质量体、释放机构和位移传感器，并垂直固定于待测对象，可以反映待测对象的运动情况；

质量体、释放机构、位移传感器和支撑架共同组成一体机，释放机构需要输入触发信号以确定释放动作的时刻，位移传感器的输出信号需要数据采集仪记录。

质量体可以选取磁铁或者磁性材料。

释放机构可以利用电磁继电器的工作原理来实现。简单地包括电磁螺线管、电源、控制器。为电磁螺线管通入足够大的电流，其产生的磁力与质量体相互作用，使质量体处于静止状态，当输入触发信号后，通过比较器和功率放大器组成的控制器，立即切断通入螺线管的电流，则磁力消失，完成释放动作。

位移传感器用于测量一个或两个或三个方向的位移，位移传感器可以选用激光干涉法、激光三角法、电容法等常规测量方法，测量支撑架与质量体之间的位移。位移传感器也可以选择相机成像系统从不同角度拍摄支撑架与质量体，从而得出支撑架与质量体之间的位移。

支撑架的高度与位移测量时间相关，即质量块自由落体的时间。支撑架可以用抽真空的管道来实现，并将质量体、位移传感器置入其中，以避免空气流动对质量体运动的干扰。

释放机构1由电磁螺线管、电源、控制器组成，测量前为电磁螺线管通入足够大的电流，其产生的磁力与质量体4相互作用，使质量体4处于静止状态，当输入触发信号后，通过由比较器和功率放大器组成的控制器，立即切断通入电磁螺线管的电流，使磁力消失，质量体4受重力作用，开始做自由落体运动。

支撑架2为空心柱状体，其高度决定着测量时间，可以由当地的重力加速度和所需要的测量时间计算出支撑架2的高度，具体可利用式(1)进行计算。

h＝0.5gT² (1)

式中，

h表示支撑架的最小高度，

g表示当地重力加速度，

T表示位移测量的时间。

当位移测量时间取0.1s，重力加速度取10m/s²时，支撑架2的最小高度为0.05m。为确保记录到振动信号，位移测量的时间应足够长。

支撑架2的直径由待测位移量的大小、质量体4和位移传感器3的体积来确定，确保在测量过程中，支撑架2的管壁与质量体4、位移传感器3不发生碰撞。

支撑架2需要固定安装在待测对象5上，随待测对象5一起运动，而且要求支撑架2的位移可以反映出待测对象5的位移，同时应尽量减小支撑架2对待测对象5运动的影响。这就要求支撑架2的质量越小越好，同时支撑架2应具有良好的刚性，特别地，当待测对象5的运动较为剧烈时，即待测位移信号的频率较高时，支撑架2的体积应尽量小，以减小支撑架2自身的摆动对测量结果的影响。

位移传感器3用于测量质量体4与支撑架2之间的位移。当测量水平位移时，位移传感器3可以固定安装在质量体4的侧边，且正对(或者背对)待测的位移方向，用于测量支撑体2与位移传感器3之间的垂直位移，可以同时安装多个位移传感器3，实现多维度的位移测量。为提高测量精度，控制成本，需根据待测位移量的大小选择合适的位移传感器3，对厘米级的位移量，可以选择激光干涉法实现，对毫米级的位移量，可以选择光强调制型的微位移测量方法来实现。位移传感器3的引出线松散地盘旋于支撑架的顶部，以避免影响质量体4的自由落体过程。

当测量待测对象5垂直方向的位移时，位移传感器3可固定于支撑架2顶部或者底部的中心位置，并正对质量体4，用于测量质量体4与位移传感器3之间的垂直位移，可以选择激光三角法来实现该位移的实时测量。

质量体4选取磁铁或者磁性材料，位于支撑架2的中心位置，在测量之前，被释放机构1所吸附，处于支撑架2的顶部，在测量过程中做自由落体运动。为减弱位移传感器3的引入线对质量体4的作用力，质量体4的质量可以选取的足够大。

该一体机需要输入触发信号来控制释放机构1的释放动作，需要信号记录仪完成位移传感器3输出的位移信号采集。

为提高位移测量精度，可以在待测对象无振动时，重复进行位移测量工作，并记录各个维度的位移-时间曲线，作为位移测量的基线，利用该基线对实验结果进行校准。具体地，将含有振动信息的位移-时间曲线与该基线相减，即可得到待测对象的位移-时间曲线。对实验结果进行校准后，可以获得高精度的位移-时间曲线，完成绝对位移的测量工作。

本发明工作原理：

本发明中，将支撑架垂直固定于待测对象，确保支撑架随着待测对象一起运动，在待测对象振动之前，确保释放机构完成释放动作，质量体脱离释放机构，做自由落体运动，并将质量体作为位移测量的基准。在待测对象振动过程中，要求质量体处于自由落体过程中，并利用位移传感器测量支撑架与质量体之间一个或者多个维度的位移X₁(t)，该位移量可以反映待测对象的振动位移X(t)。对水平方向，待测对象的振动位移X(t)可利用下式计算：

X(t)＝X₁(t)-L (2)

其中，L为测量过程开始之前，支撑架与质量体之间的固有位移。

对垂直方向还需要扣除自由落体引起的位移，此时需要得知当地的重力加速度g，利用公式表达X(t)为：

X(t)＝X₁(t)-0.5g(t-t₀)² (3)

其中，t₀为质量体开始脱离释放机构的时刻。

该方法中，为提高位移测量精度，可以在待测对象无振动时，重复进行位移测量，并记录各个维度的位移-时间曲线，作为位移测量的基线X₀(t)，利用该基线对实验结果进行校准。具体地，将含有振动信息的位移-时间曲线X₁(t)与相对应的基线X₀(t)相减，即可得到待测对象的位移-时间曲线X(t)，利用公式表达为：

X(t)＝X₁(t)-X₀(t) (4)

对垂直方向的位移测量而言，该校准方法可以省去测量当地的重力加速度；对水平方向的位移测量而言，该方法可以消除支撑架安装造成的垂直位置误差，以及支撑架的加工误差。对实验结果进行校准后，可以获得高精度的位移-时间曲线，完成位移测量工作。

Claims (5)

1.一种基于自由落体的位移测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在待测对象上固定空心支撑架，支撑架顶部上方设置释放机构，支撑架内部设置质量体和至少一个位移传感器，所述质量体被释放机构吸附于支撑架顶部内侧面；所述位移传感器与质量体或支撑架固连；

2)绘制待测对象静止时的位移-时间曲线：

2.1)释放机构释放质量体，质量体做自由落体运动；

2.2)位移传感器测量支撑架与质量体之间一个或者多个维度的位移X₁(t)；

2.3)记录各个维度的位移-时间曲线，得到位移测量的基线；

3)绘制待测对象振动时的位移-时间曲线：

3.1)释放机构释放质量体，质量体做自由落体运动；

3.2)待测对象开始振动，位移传感器测量支撑架与质量体之间一个或者多个维度的位移X₁(t)；

3.3)记录各个维度的位移-时间曲线，得到含有振动信息的位移-时间曲线；

4)将含有振动信息的位移-时间曲线与位移测量的基线相减，即可得到待测对象的位移-时间曲线。

2.根据权利要求1所述的基于自由落体的位移测量方法，其特征在于：所述位移传感器与质量体的侧面固连；所述待测对象水平方向振动。

3.根据权利要求1所述的基于自由落体的位移测量方法，其特征在于：所述位移传感器与质量体的顶面或底面固连；所述待测对象垂直方向振动。

4.根据权利要求1所述的基于自由落体的位移测量方法，其特征在于：所述位移传感器与支撑架的顶面或底面固连；所述待测对象垂直方向振动。

5.根据权利要求1所述的基于自由落体的位移测量方法，其特征在于：所述位移传感器与质量体的侧面和顶面或者侧面和底面固连；所述待测对象三维方向振动。