CN104457958B - 基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测装置及方法，包括柔性板本体部分及振动检测部分，柔性板本体部分包括柔性板、磁性底座、光纤探针及千分尺，柔性板的两端通过机械夹持装置固定，光纤探针通过水平支架及竖直支架安装在柔性板的正前方，千分尺调节光纤探针与柔性板的距离，竖直支架安装在磁性底座上；振动检测部分包括光纤位移测量仪系统，A/D数据采集卡及计算机，光纤位移测量仪系统采集光纤探针的振动信号，经过A/D数据采集卡处理后传输到计算机，计算机经过解耦得到两端固支板的低阶模态振动，用于振动分析或控制。本发明通过非接触检测方式实现了两端固支板在低阶模态振动检测上的解耦。
Description
技术领域
本发明涉及两端固定支板振动检测领域，具体涉及基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测装置及方法。
背景技术
随着现代飞行器技术的飞速发展，飞行器的速度越来越向高音速或者高超音速方向发展。为了减轻结构重量，新一代高速飞行器的结构设计中更多的采用薄壁结构，而薄壁结构由于质量轻，模态阻尼小，加上高速气流的气动力影响，容易引发结构振动或者壁板颤振。壁板颤振指高速飞行器的壁板结构(如机翼蒙皮)在超音速气流中的一种自激振动现象。高速飞行器高速飞行过程经不确定扰动激励而发生振动时，壁板结构在惯性力、弹性力、热载荷以及作用于壁板一个表面上的气动力的共同作用下，将可能产生复杂气动弹性动力学不稳定现象。壁板出现颤振现象后，一般不会立刻导致灾难性的结构破坏，而是以稳定极限环的形式振动，对壁板结构的疲劳寿命甚至飞行器的飞行性能产生十分不利的影响。
为了抑制壁板颤振，需要先检测出振动量，而现有技术中一般采用接触式传感器对其进行测量，比如使用粘贴式压电陶瓷片检测，或者安装式加速度传感器检测等，都会对壁板产生附加质量，会改变壁板结构特性，同时压电陶瓷材料为脆性材料，材料的强度和疲劳寿命受环境温度等影响，所以应用上受到一定的限制，加速度传感器的测量噪声相对较大，这需要对振动信号进行滤波处理。
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光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测装置及方法。
本发明采用的技术方案：
一种基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测装置，包括柔性板本体部分及振动检测部分，
所述柔性板本体部分包括柔性板、磁性底座、光纤探针及千分尺，所述柔性板的两端通过机械夹持装置固定，所述光纤探针通过水平支架及竖直支架安装在柔性板的正前方，所述千分尺调节光纤探针与柔性板的距离，所述竖直支架安装在磁性底座上；
所述振动检测部分包括光纤位移测量仪系统，A/D数据采集卡及计算机，所述光纤位移测量仪系统采集光纤探针的振动信号，经过A/D数据采集卡处理后传输到计算机，所述计算机经过解耦得到两端固支板的低阶模态振动，用于振动分析或控制。
所述光纤探针具体有四个，分别为第一、第二、第三及第四光纤探针，所述第一及第四光纤探针安装在竖直支架上，所述第二及第三光纤探针安装在水平支架上；
所述千分尺具体有四个，分别为第一、第二、第三及第四千分尺，所述第一及第四千分尺安装在竖直支架上，所述第二及第三千分尺安装在水平支架上。
所述第一、第二、第三及第四光纤探针在柔性板正前方的位置根据两端固支板低阶振动模态的振型分布图布置，此位置可以通过光纤探针在水平支架和竖直支架上移动进行调整。
所述第一、第二、第三及第四光纤探针与柔性板的距离为5-100mm，针对不同类型的光纤探针有不同的标准距离，并且此距离可通过磁性底座的粗调和千分尺的微调来实现。
所述第一和第四光纤探针关于柔性板纵向中线对称，分别距离柔性板宽度边沿20mm；所述第二和第三光纤探针关于柔性板横向中线对称放置，分别距离柔性板长度边沿200mm。
所述光纤位移测量仪系统的频率范围是0-500kHz。
所述竖直支架与水平支架成十字型交叉固定，并且水平支架可以在竖直支架上滑动。
还包括大底座，所述磁性底座安装在大底座上。
一种基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测方法，包括如下步骤：
第一步当柔性板发生振动时，光纤探针中的接收光纤与柔性板之间的距离发生变化，接收光纤接收的反射光也发生变化，经过光电转换后，通过电信号输出其对应点的振动位移量；
第二步将步骤一得到的振动位移量经过光纤位移测量仪系统进行滤波处理后，通过A/D数据采集卡处理，再输入计算机中；
第三步计算机运行解耦算法而得到两端固支板的低阶模态振动。
所述计算机运行解耦方法如下：
利用第一光纤探针和第四光纤探针检测的振动位移信号相加，即为一阶模态振动的位移信号ww1：
ww1＝w1(x1,y1,t)+w4(x4,y4,t)
利用第一光纤探针和第四光纤探针检测的振动位移信号相减，即为二阶模态振动的位移信号wn2：
wn2＝w1(x1,y1,t)-w4(x4,y4,t)
式中w1(x1,y1,t)和w4(x4,y4,t)分别为第一光纤探针和第四光纤探针检测的其对应点(x1,y1)和(x4,y4)在t时刻的位移信号；
第二光纤探针和第三光纤探针用来辅助检测三阶以上模态振动的振动位移值。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用光纤位移测量仪检测两端固支板的弯曲和扭转振动，是非接触式测量，不增加结构附加质量，不改变结构特征，具有测量精度高，动态响应快的优点；
(2)光纤位移测量仪振动测量频率范围是0-500kHz，频率范围广，远优于其他类型传感器，既适合于低频振动测量也适合于高频振动测量；
(3)本发明设计了一套由水平支架和竖直支架组成的结构，可以简便地手动调整光纤探针位置，从而可以简便地测量两端固支板上各点的振动位移，可以检测三阶模态振动之后的模态(包含三阶模态)的振动位移值；
(4)本装置安装有若干个光纤探针，既可以通过两个光纤探针的测量信号组合解耦出两端固支板的前两阶模态振动，也可以只利用其中一个光纤探针，通过将其放置在两端固支板纵向中线处而测量出一阶模态振动位移。
附图说明
图1是实施例中基于光纤位移测量仪的两端固支板振动检测装置的总体结构示意图，
图2是实施例中图1的前视图，
图3是实施例中图1的右视图，
图4是实施例中图1的俯视图，
图5是实施例中用ANSYS软件分析的两端固支板的一阶振动振型分布图，
图6是实施例中用ANSYS软件分析的两端固支板的二阶振动振型分布图，
图7是实施例中用ANSYS软件分析的两端固支板的三阶振动振型分布图。
图中示出：1—柔性板，2—第一光纤探针，3—第一千分尺，4—竖直支架，5—水平支架，6—第二光纤探针，7—第二千分尺，8—第三光纤探针，9—第三千分尺，10—第四光纤探针，11—第四千分尺，12—磁性底座，13—大底座。
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、图2、图3及图4所示，一种基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测装置，包括柔性板本体部分及振动检测部分。
所述柔性板本体部分包括柔性板1、磁性底座12、大底座13、光纤探针及千分尺，所述柔性板1的两端通过机械夹持装置固定，所述磁性底座12安装在大底座13上，所述光纤探针通过水平支架5及竖直支架4安装在柔性板1的正前方，所述竖直支架4及水平支架5成十字型交叉固定，并且水平支架5可以在竖直支架4上滑动，具体为第一、第四光纤探针2、10安装在竖直支架4上，第二、第三光纤探针6、8安装在水平支架上，本实施例选用光纤探针型号MTI-2125H，光纤探针距离柔性板1的距离为30mm，针对不同类型的光纤探针有不同的标准距离，此距离可通过磁性底座12的粗调和千分尺的微调来实现，光纤探针在柔性板宽度边沿和长度边沿的位置根据两端固支板低阶振动模态的振型分布图来合理布置，并通过光纤探针在水平支架5和竖直支架4上的移动进行调整。
所述千分尺具体有四个，分别为第一、第二、第三及第四千分尺，所述第一及第四千分尺3、11安装在竖直支架上，所述第二及第三千分尺7、9安装在水平支架上，所述第一千分尺3调节第一光纤探针2与柔性板的距离，第二千分尺7调节第二光纤探针6与柔性板的距离，第三千分尺9调节第三光纤探针8与柔性板的距离，第四千分尺11调节第四光纤探针10与柔性板的距离。
本实施例中第一光纤探针2和第四光纤探针10关于柔性板纵向中线对称放置，分别距离柔性板宽度边沿20mm，第二光纤探针6和第三光纤探针8关于柔性板横向中线对称放置，分别距离柔性板长度边沿200mm。
振动检测部分
当柔性板1发生振动时，第一至第四光纤探针可以检测出相应振动点的位移，振动信息经过光纤位移测量仪系统滤波处理，通过A/D数据采集卡处理，再输入计算机中进行解耦而得到低阶模态振动，可用于振动分析或控制；
一种基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测方法，包括如下步骤：
第一步，当柔性板发生振动时，光纤探针中的接收光纤与柔性板之间的距离发生变化，接收光纤接收的反射光也发生变化，经过光电转换后，通过电信号输出其对应点的振动位移量；
第二步将步骤一得到的振动位移量经过光纤位移测量仪系统进行滤波处理后，通过A/D数据采集卡处理，再输入计算机中；
第三步计算机运行解耦算法而得到两端固支板的低阶弯曲和扭转振动模态，计算机运行解耦方法如下：
利用第一光纤探针2和第四光纤探针10检测的振动位移信号相加，即为一阶模态振动的位移信号ww1：
ww1＝w1(x1,y1,t)+w4(x4,y4,t)
利用第一光纤探针2和第四光纤探针10检测的振动位移信号相减，即为二阶模态振动的位移信号wn2：
wn2＝w1(x1,y1,t)-w4(x4,y4,t)
式中w1(x1,y1,t)和w4(x4,y4,t)分别为第一光纤探针2和第四光纤探针10检测的其对应点(x1,y1)和(x4,y4)的位移信号，t为时间，以上一阶和二阶模态振动检测运算方法适用于任何尺寸的两端固定支板；
利用第二光纤探针6和第三光纤探针8检测的振动位移信号相减，即为三阶模态振动的位移信号ww3：
ww3＝w2(x2,y2,t)-w3(x3,y3,t)
式中w2(x2,y2,t)和w3(x3,y3,t)分别为第二光纤探针和第三光纤探针检测的其对应点(x2,y2)和(x3,y3)在t时刻的位移信号，t为时间，上述三阶模态振动检测运算方法只适合于本实例中具体尺寸的柔性板，对于其他尺寸的柔性板，此模态分析和测量解耦方法不一定适用，因此三阶以上的模态振动检测方法要根据具体尺寸的柔性板具体分析；
以上光纤探针的配置方法可以实现两端固支板低阶模态振动在检测上的解耦。
图1中的虚线连接表示光纤探针与光纤位移测量仪系统的连接，
如附图2，图3，图4所示，第一光纤探针和第四光纤探针关于柔性板纵向中线对称放置，距离柔性板宽度边沿20mm，第二光纤探针和第三光纤探针关于柔性板横向中线对称放置，距离柔性板长度边沿200mm，此位置可以通过光纤探针在水平支架和竖直支架上的移动进行调整；
如附图5，图6，图7所示，两端固支板前三阶振动振型分布图，一阶模态振动频率为19.002Hz，二阶模态振动频率为25.460Hz，三阶模态振动频率为52.453Hz，光纤探针在柔性板宽度边沿和长度边沿的位置根据此振型分布图来合理布置。
在本实施例中，柔性板的材料选用环氧树脂材料薄板，其几何尺寸可选700mm×500mm×2mm，即图1所示水平方向长度为700mm，竖直方向长度为500mm，厚度为2mm，密度ρ为1840kg/m3，杨氏模量E为34.64GPa，泊松比ν为0.33。
本实例中光纤位移测量仪选用美国MTI-2100系列光纤位移测量仪，可以精确的测量位移、位置和振动，其分辨率高达0.25nm，频率响应范围0-500kHz，可以设置7种不同的低通滤波和3种不同的高通滤波。光纤探针选用MTI-2125H型号，探针直径3.175mm，探针长度76.2mm，电缆线长1372mm，频率响应为0-150kHz，有两个测量范围可以选择，本发明选用范围进行测量，线性范围4.445mm，标准距离7.620mm，其中标准距离可通过光学透镜调整。
A/D数据采集卡选用PCI-1800H多功能卡。PCI-1800系列是PCI总线高性能的数据采集卡，它可以在Windows环境下实现330KHz的连续平滑的数据采集。计算机可选用研华工控机。
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 (9)
1.一种基于光纤位移测量仪的两端固定支板振动检测装置，其特征在于，包括柔性板本体部分及振动检测部分，
所述柔性板本体部分包括柔性板、磁性底座、光纤探针及千分尺，所述柔性板的两端通过机械夹持装置固定，所述光纤探针通过水平支架及竖直支架安装在柔性板的正前方，所述千分尺调节光纤探针与柔性板的距离，所述竖直支架安装在磁性底座上；
所述振动检测部分包括光纤位移测量仪系统，A/D数据采集卡及计算机，所述光纤位移测量仪系统采集光纤探针的振动信号，经过A/D数据采集卡处理后传输到计算机，所述计算机经过解耦得到两端固定支板的低阶模态振动，用于振动分析或控制；
所述光纤探针具体有四个，分别为第一、第二、第三及第四光纤探针，所述第一及第四光纤探针安装在竖直支架上，所述第二及第三光纤探针安装在水平支架上；
所述千分尺具体有四个，分别为第一、第二、第三及第四千分尺，所述第一及第四千分尺安装在竖直支架上，所述第二及第三千分尺安装在水平支架上。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第一、第二、第三及第四光纤探针在柔性板正前方的位置根据两端固定支板低阶振动模态的振型分布图布置。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第一、第二、第三及第四光纤探针与柔性板的距离为5-100mm。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第一和第四光纤探针关于柔性板纵向中线对称，分别距离柔性板宽度边沿20mm；所述第二和第三光纤探针关于柔性板横向中线对称放置，分别距离柔性板长度边沿200mm。
5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述光纤位移测量仪系统的频率范围是0-500kHz。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述竖直支架与水平支架成十字型交叉固定，并且水平支架在竖直支架上滑动。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，还包括大底座，所述磁性底座安装在大底座上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步当柔性板发生振动时，光纤探针中的接收光纤与柔性板之间的距离发生变化，接收光纤接收的反射光也发生变化，经过光电转换后，通过电信号输出其对应点的振动位移量；
第二步将步骤一得到的振动位移量经过光纤位移测量仪系统进行滤波处理后，通过A/D数据采集卡处理，再输入计算机中；
第三步计算机运行解耦算法而得到两端固定支板的低阶模态振动。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述计算机运行解耦方法如下：
利用第一光纤探针和第四光纤探针检测的振动位移信号相加，即为一阶模态振动的位移信号ww1：
ww1＝w1(x1,y1,t)+w4(x4,y4,t)
利用第一光纤探针和第四光纤探针检测的振动位移信号相减，即为二阶模态振动的位移信号wn2：
wn2＝w1(x1,y1,t)-w4(x4,y4,t)
式中w1(x1,y1,t)和w4(x4,y4,t)分别为第一光纤探针和第四光纤探针检测的其对应点(x1,y1)和(x4,y4)在t时刻的位移信号；
第二光纤探针和第三光纤探针用来辅助检测三阶以上模态振动的振动位移值。
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