CN104176230B - 基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置及方法，包括模拟梯形翼、机械支架夹持装置、电荷放大器、压电功率放大器、ARM控制器、涡电流位移传感器、计算机、压电陶瓷片传感器、压电陶瓷片驱动器、扭转模态驱动器及扭转模态传感器，所用模拟梯形翼形状为直角梯形，通过机械支架夹持装置固定长底一端，模拟梯形翼结构上粘贴有多片压电陶瓷片传感器、压电陶瓷片驱动器，涡电流位移传感器安装于梯形翼的正面一侧，可通过设计的机械装置实现水平方向和竖直方向的移动，从而测量不同位置的振幅。本发明通过压电陶瓷片和涡电流位移传感器的优化配置，实现了对梯形翼的弯曲模态和扭转模态主动抑制的目的。

Description

基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及铝合金板悬臂结构振动控制领域，特别涉及基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置及方法。

背景技术

飞行器机翼颤振是典型的自激振动，是由于空气动力、弹性力、热载荷和惯性力的相互作用而引起的动不稳定问题。机翼颤振涉及到空气动力学和结构动力学问题，涉及面广，特别是跨音速范围，颤振临界速度成为最容易发生颤振的区域，加之跨音速气动力非线性的影响，研究技术难度大，在工程实际中，机翼颤振是飞行器设计过程中经常遇到的一个技术关键问题。飞行器飞行过程中机翼如果发生颤振，会引起机翼结构的破坏，危机飞行员和乘客的生命和财产安全，鉴于机翼在气动力作用下的颤振会带来灾难性的后果，因此对其研究并提供振动主动控制方法具有重要的理论和实际意义。针对此梯形翼结构的振动控制，为保证其工作稳定性，必须使它们具有自适应性和主动控制能力，近年来发展起来的智能结构控制技术对此梯形翼的振动进行控制提供了思路。

以压电陶瓷为代表的智能材料，以其集传感、驱动、控制系统于一身，不仅可以自身完成信号的采集和处理，而且通过控制指令完成相应的动作，具有自诊断、自适应、自学习和自修复的仿生物体功能，被广泛用于工业、科研和生活的各个领域。压电智能材料更是以其响应速度快、频响范围宽、容易加工、同时具有正逆压电效应等优点而成为应用最为广泛的智能材料，但它的缺点是驱动的变形量和驱动力较小，无法应用于一些需要大驱动力和大变形的场合。涡电流位移传感器是一种非接触式传感器，能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是根据涡电流效应工作的，涡电流位移传感器系统中的前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该涡电流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。在其他条件不变的情况下，传感器将被测金属与探头之间距离的变化转换成电压(电流)的变化，根据此变化便可测得金属距离的变化大小。涡电流式位移传感器的优点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快，缺点是不能测量非导体位移的变化。

相关专利，专利申请号为200810028772.0中，发明名称“基于角速度陀螺的模拟太空帆板扭转振动控制装置与方法”中，利用一个安装在自由端纵向中间位置的角速率陀螺作为检测扭转模态振动的传感器。但是在该申请专利中利用角速率陀螺传感器测量悬臂板的扭转振动，由于角速率陀螺质量相对较大，会对测量对象产生负载效应，从而影响了其优点的发挥。涡电流位移传感器能够实现非接触式测量，所以不会对测量对象产生负载效应，同时它还具有灵敏度高、抗干扰能力强、响应速度快等优点，最高采样频率可高达40kHz，特别适合高频率振动测量。利用压电陶瓷片传感器和涡电流位移传感器位置的优化配置，再结合主动控制算法，实现了对梯形翼结构的弯曲振动和扭转振动主动抑制的目的。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置，包括

模拟梯形翼，其长底一端通过机械支架夹持装置固定，所述长底一端称为固定端，另一端为自由端；

压电陶瓷片传感器，所述压电陶瓷片传感器粘贴在与模拟梯形翼固定端横向距离20-25mm处，且位于模拟梯形翼纵向中线处；

弯曲模态驱动器，由多片压电陶瓷片构成，所述压电陶瓷片对称粘贴在与模拟梯形翼固定端横向距离20-25mm处的正、反面，且纵向排列；

扭转模态驱动器，由多片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼横向中部，且沿分界虚线在正、反面反对称粘帖；

扭转模态传感器，由多片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼横向3/4处，且沿着分界虚线在正、反面反对称粘帖；

涡电流位移传感器探测头，包括两个，分别为第一涡电流位移传感器探测头及第二涡电流位移传感器探测头，第一、二涡电流位移传感器探测头对称安装在所述模拟梯形翼正面的前方，在分界虚线两侧；

所述压电陶瓷片传感器检测的弯曲模态信号及扭转模态传感器检测的扭转模态信号经过电荷放大器放大后传至第一A/D转换电路，再输入到ARM控制器后传输到计算机中；

涡电流位移传感器探测头检测的信号传至涡电流位移传感器控制器，经过弯曲振动和扭转振动解耦后经过第二A/D转换电路输入到计算机中；

计算机通过对相应的检测信号进行处理产生控制信号，输入到ARM控制器后，经过D/A转换电路及压电放大电路，分别输入到压电陶瓷片弯曲模态驱动器及扭转模态驱动器，对模拟梯形翼产生控制力，抑制其弯曲及扭转振动。

所述压电陶瓷片传感器由一片压电陶瓷片构成。

所述扭转模态驱动器由6片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼正、反两面反对称粘贴，每面3片，双面极性相同并联连接，每面压电陶瓷片之间的横向距离为35-100mm；

所述扭转模态传感器由4片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼正、反两面反对称粘帖，每面2片，双面极性相同并联连接，每面压电陶瓷片之间的横向距离为35-100mm；

所述弯曲模态驱动器由8片压电陶瓷片构成，每面4片，双面极性相反并联连接，每面压电陶瓷片之间纵向距离为60-120mm。

所述模拟梯形翼的形状为直角梯形。

所述分界虚线是通过ANSYS有限元分析软件中对梯形翼建模并进行模态特性分析，得到它的一、二阶弯曲模态和一阶扭转模态振幅云图，从而得到一阶扭转振动振幅为零，进而确定分界虚线。

所述第一、第二涡电流位移传感器探测头安装在导杆上，所述导杆通过水平滑动机构在水平直线导轨上滑动。

所述的装置进行梯形翼振动控制的方法，包括如下步骤：

第一步开启计算机，进行参数初始化；

第二步开启电荷放大器，用激励锤激励模拟梯形翼弯曲模态和扭转模态的振动，采用相应的检测元件检测模拟梯形翼的振动变化，并将检测信号传输到计算机中，计算机进行相应的控制算法得到反馈信号，所述相应检测元件为压电陶瓷片传感器、扭转模态传感器及涡电流位移传感器探测头；

第三步所述反馈信号经过ARM控制器、D/A转换电路后，再经压电放大电路输入到弯曲模态驱动器和扭转模态驱动器，从而抑制模拟梯形翼的弯曲模态振动和扭转模态振动。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用涡电流位移传感器检测梯形翼的振动，具有非接触式测量，不产生负载效应，测量精度高等优点。

(2)本发明设计了一套由水平方向放置直线导轨和竖直方向放置直线导杆组成的系统，可以简便地手动调整涡电流位移传感器探测头位置，从而可以方便地测量梯形翼上各点的振动位移。

(3)本发明针对铝合金板梯形翼结构，采用直角梯形结构，同时考虑结构形状的非对称性对其弯曲和扭转振动的影响，合理布置传感器，其动力学特性与实际的空间飞行器梯形翼结构更为接近，在此基础上进行振动主动控制研究，更具有实际意义。

(4)本装置为多传感器融合系统，既有压电陶瓷片传感器，又有涡电流位移传感器，在充分利用两者优点的同时克服各自的缺点。

(5)本装置不仅可以通过压电陶瓷片驱动器对模拟梯形翼的弯曲模态振动进行控制，而且通过对压电陶瓷片驱动器双面反对称布置，可以很好的抑制模拟梯形翼的扭转模态振动。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中模拟梯形翼正面的压电陶瓷片分配示意图；

图3是图1中模拟梯形翼反面的压电陶瓷片分配示意图；

图4是图1中涡电流位移传感器探测头的安装侧视图；

图5是图1的主视图；

图6是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-6所示，基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置，包括，

模拟梯形翼5，所述模拟梯形翼5形状为直角梯形，其长底一端通过机械支架夹持装置固定，长底端称为固定端，另一端为自由端，所述机械支架夹持装置主要由图1中矩形柱状支架14、底座13和等腰梯形夹板15构成；所述等腰梯形夹板15与矩形柱状支架14通过螺栓连接，矩形柱状支架14通过螺钉固定在底座13上。

压电陶瓷片传感器1，由一片压电陶瓷片构成，粘帖在与模拟梯形翼5固定端横向距离20-25mm本实施例具体25mm，且位于模拟梯形翼5的纵向中线处，姿态角为3-5度，用于检测弯曲振动；

在压电陶瓷片传感器1的纵向两侧，两面对称粘帖多片压电陶瓷片，距离模拟梯形翼固定端横向距离20-25mm，本实施例具体距离为25mm处，多片压电陶瓷片之间在梯形翼的纵向距离为60～120mm，本实施例具体距离为90mm，双面极性相反并联连接在一起构成弯曲模态驱动器2，用于控制机翼的弯曲模态振动；本实施例弯曲模态驱动器有8片压电陶瓷片构成，每面各4片，如图2中所示，从上到下的姿态角分别为9°～11°、6°～8°、0、0°。

在ANSYS有限元分析软件中分析机翼的模态特性，得到梯形翼一、二阶弯曲模态和一阶扭转模态的振幅云图，梯形翼的一阶扭转振动振幅近似以图中虚线为分界线，分界虚线处的一阶扭转振动振幅为零，两侧一阶扭转振动振幅逐渐增大，所述分界虚线如图1和图2中模拟梯形翼中的虚线所示。

在模拟梯形翼5横向中部、沿分界虚线在正、反面反对称粘帖多片压电陶瓷片，双面极性相同并联连接在一起，构成扭转模态驱动器3，用于抑制模拟梯形翼的扭转模态振动，本实施例中扭转模态驱动器由6片压电陶瓷片构成，每面3片，其中压电陶瓷片之间的横向距离为35-100mm，本实施例为48mm，姿态角为45度。

扭转模态传感器4，由多片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼横向3/4处，且沿着分界虚线在正、反面反对称粘帖，姿态角为45度，双面极性相同并联连接，每面压电陶瓷片之间的横向距离为35-100mm，本实施例为48mm；本实施例中扭转模态传感器由4片压电陶瓷片构成，每面2片。压电陶瓷片的对称中心与分界虚线的切点重合，且压电陶瓷片片的长度方向和分界虚线在相应切点的切线垂直，反对称粘贴是指反面压电陶瓷片的姿态角与正面垂直。

考虑到铝合金板模拟梯形翼5的导电性，粘贴压电陶瓷片时必须使压电片和铝合金板绝缘，避免对压电陶瓷片的工作产生影响。

涡电流位移传感器探测头，包括两个，分别为第一涡电流位移传感器探测头6及第二涡电流位移传感器探测头9，第一、二涡电流位移传感器探测头对称安装在所述模拟梯形翼5正面的前方，在分界虚线两侧；初始位置为模拟梯形翼的自由端正前方。

第一、第二涡电流位移传感器探测头安装在导杆7上，可以在导杆7上上下滑动，所述导杆7通过铰链座分别与两个水平滑动机构8、10连接，导杆7还能绕铰链座的销孔在竖直平面转动，两个水平滑动机构在水平直线导轨11上滑动，所述水平滑动机构由小滑块和直线导轨夹具构成，直线导轨夹具使使水平滑动机构能够在水平直线导轨11上定位，水平直线导轨安装于弯板12上。

第一、第二涡电流位移传感器探测头的安装位置距离模拟梯形翼的距离为5mm，工作时导杆7尽量与分界虚线相应点的切线垂直，并且滑动第一、第二涡电流位移传感器探测头沿分界虚线两侧对称测量，这样能够减小梯形翼弯曲和扭转振动的耦合。

利用两个涡电流位移传感器探测头实现弯曲和扭转振动模态解耦方法如下：

根据两个涡电流位移传感器探测头的配置位置，给出梯形翼弯曲和扭转振动模态解耦算法。利用两个涡电流位移传感器检测的信号和，即为弯曲模态的位移信号s_w：

s_w＝s(x₂,y₂,t)+s(x₁,y₁,t)

式中s(x₁,y₁,t)和s(x₂,y₂,t)分别为两个涡电流位移传感器探测头检测的其安装点(x₁,y₁)和(x₂,y₂)的位移测量信息，t为时间。

利用两个涡电流位移传感器探测头检测的信号差，即为扭转模态的位移测量信号s_N：

s_N＝s(x₂,y₂,t)-s(x₁,y₁,t)

这种位移的配置方法可以实现柔性梯形翼在检测上的解耦，就可以与弯曲模态驱动器和扭转模态驱动器构成弯曲和扭转模态的控制回路。

所述压电陶瓷片传感器1检测的弯曲模态信号及扭转模态传感器4检测的扭转模态信号经过电荷放大器16放大后传至第一A/D转换电路18，再输入到ARM控制器21后传输到计算机22中；

涡电流位移传感器探测头检测的信号传至涡电流位移传感器控制器20，经过弯曲振动和扭转振动解耦后经过第二A/D转换电路23输入到计算机22中；

计算机22通过对相应的检测信号进行处理产生控制信号，输入到ARM控制器21后，经过D/A转换电路19及压电放大电路17，分别输入到压电陶瓷片弯曲模态驱动器及扭转模态驱动器，对模拟梯形翼产生控制力，抑制其弯曲及扭转振动。

在本实施例中，由于涡电流位移传感器只能测量导体的振动位移，模拟梯形翼5的材料可选用铝合金材料薄板，其几何尺寸为：固定端为500mm、自由端为177mm、长度为800mm、厚度为2mm。压电陶瓷片传感器1的几何尺寸为40mm×15mm×1mm，压电陶瓷片传感器4和压电陶瓷片驱动器3几何尺寸为50mm×20mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_pe＝63Gpa，d₃₁＝―166pm/V。

ARM控制器21可选用广州友善之臂计算机科技有限公司生产的Mini2440开发板，主频400MHz。

在本实例中，涡电流位移传感器可选用日本基恩士公司的EX500(W)系列，其中两个探测头6、9型号为EX-022，尺寸为Ф20.5×40.6mm，解析度为3μm，控制器20型号为EX-510，模拟输出电压为0～5V，测量范围为0～10mm。电荷放大器16可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。压电放大电路17可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V。水平直线导轨11、直线导轨夹具和铰链座可选用日本米思米MISUMI公司的产品，型号依次为SE2BDW16-470、SECK16、HGAAJB3-W5-H16，水平直线导轨11为微型直线导轨，材质为不锈钢(相当于SUS440C)，导轨宽W1为15mm，组装高度H为16mm，导轨长度L为470mm，配有标准滑块，直线导轨夹具选型按照组装高度H＝16mm来选择，材质为S45C(调质)，固定滑块保持力为95N。

如图6所示，应用所述装置进行梯形翼振动测量控制方法，包括如下步骤：

第一步：开启计算机22，进行参数初始化。

第二步：开启电荷放大器16，用激振力锤激励铝合金板梯形翼5弯曲和扭转模态的振动，压电陶瓷片传感器1检测铝合金板模拟梯形翼5的弯曲模态振动；压电陶瓷片传感器4检测模拟梯形翼5的扭转模态振动；两个涡电流位移传感器探测头6、9分别检测其安装位置位移的变化；

第三步：将步骤二中压电陶瓷传感器1及扭转模态传感器4检测到的信号分别经过电荷放大器16、第一A/D转换电路18、ARM控制器21输入计算机22进行处理，运行相应的控制算法得到相应的弯曲和扭转振动反馈信号；或者将步骤二中涡电流位移传感器探测头6、9检测到的信号经过弯曲振动和扭转振动解耦后，分别经过涡电流位移传感器控制器20和第二A/D转换电路23后，输入计算机22进行处理，运行相应的控制算法得到相应的弯曲和扭转振动反馈信号。

第四步：将步骤三得到的弯曲振动和扭转振动反馈信号经过ARM控制器21、D/A转换电路19后，再经压电放大电路17输入到压电陶瓷片弯曲振动驱动器2和压电陶瓷片扭转振动驱动器3，从而抑制柔性梯形翼的弯曲模态振动和扭转模态振动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于涡电流位移传感器的梯形翼振动控制装置，其特征在于，包括

模拟梯形翼，其长底一端通过机械支架夹持装置固定，所述长底一端称为固定端，另一端为自由端；

压电陶瓷片传感器，所述压电陶瓷片传感器粘贴在与模拟梯形翼固定端横向距离20-25mm处，且位于模拟梯形翼纵向中线处；

弯曲模态驱动器，由多片压电陶瓷片构成，所述压电陶瓷片对称粘贴在与模拟梯形翼固定端横向距离20-25mm处的正、反面，且纵向排列；

扭转模态驱动器，由多片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼横向中部，且沿分界虚线在正、反面反对称粘帖；

扭转模态传感器，由多片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼横向3/4处，且沿着分界虚线在正、反面反对称粘帖；

涡电流位移传感器探测头，包括两个，分别为第一涡电流位移传感器探测头及第二涡电流位移传感器探测头，第一、二涡电流位移传感器探测头对称安装在所述模拟梯形翼正面的前方，在分界虚线两侧；

所述压电陶瓷片传感器检测的弯曲模态信号及扭转模态传感器检测的扭转模态信号经过电荷放大器放大后传至第一A/D转换电路，再输入到ARM控制器后传输到计算机中；

涡电流位移传感器探测头检测的信号传至涡电流位移传感器控制器，经过弯曲振动和扭转振动解耦后经过第二A/D转换电路输入到计算机中；

计算机通过对相应的检测信号进行处理产生控制信号，输入到ARM控制器后，经过D/A转换电路及压电放大电路，分别输入到压电陶瓷片弯曲模态驱动器及扭转模态驱动器，对模拟梯形翼产生控制力，抑制其弯曲及扭转振动；

还包括导杆、两个水平滑动机构、水平直线导轨及弯板，所述第一、第二涡电流位移传感器探测头安装在导杆上，并在导杆上下滑动，所述导杆通过铰链座分别与两个水平滑动机构连接，且导杆绕着铰链座在竖直平面转动，所述两个水平滑动机构在水平直线导轨上滑动，所述水平直线导轨安装在弯板上。

2.根据权利要求1所述的梯形翼振动控制装置，其特征在于，所述压电陶瓷片传感器由一片压电陶瓷片构成。

3.根据权利要求1所述的梯形翼振动控制装置，其特征在于，所述扭转模态驱动器由6片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼正、反两面反对称粘贴，每面3片，双面极性相同并联连接，每面压电陶瓷片之间的横向距离为35-100mm；

所述扭转模态传感器由4片压电陶瓷片构成，在模拟梯形翼正、反两面反对称粘帖，每面2片，双面极性相同并联连接，每面压电陶瓷片之间的横向距离为35-100mm；

所述弯曲模态驱动器由8片压电陶瓷片构成，每面4片，双面极性相反并联连接，每面压电陶瓷片之间纵向距离为60-120mm。

4.根据权利要求1所述的梯形翼振动控制装置，其特征在于，所述模拟梯形翼的形状为直角梯形。

5.根据权利要求1所述的梯形翼振动控制装置，其特征在于，所述分界虚线是通过ANSYS有限元分析软件中对梯形翼建模并进行模态特性分析，得到它的一、二阶弯曲模态和一阶扭转模态振幅云图，从而得到一阶扭转振动振幅为零，进而确定分界虚线。

6.应用权利要求1-5任一项所述的梯形翼振动控制装置进行梯形翼振动控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步开启计算机，进行参数初始化；

第二步开启电荷放大器，用激励锤激励模拟梯形翼弯曲模态和扭转模态的振动，采用相应的检测元件检测模拟梯形翼的振动变化，并将检测信号传输到计算机中，计算机进行相应的控制算法得到反馈信号，所述相应检测元件为压电陶瓷片传感器、扭转模态传感器及涡电流位移传感器探测头；

第三步所述反馈信号经过ARM控制器、D/A转换电路后，再经压电放大电路输入到弯曲模态驱动器和扭转模态驱动器，从而抑制模拟梯形翼的弯曲模态振动和扭转模态振动。