CN104457966B - 一种压电式解耦微振动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式解耦微振动测量系统，包括底板、三块侧板、八个独立的剪切型压电式传感器、接线板、负载板以及数据采集和处理系统；八个剪切型压电式传感器结构均一致，构造简单，独立装配，位于底板和负载板之间，上下均通过螺栓连接；每个传感器都能测量出横向和纵向两个方向的力，通过对八个传感器进行合理组合，测出负载板中心处扰振源的三个解耦动态力和三个解耦动态力矩；传感器组合引出的导线连接在接线板上对应的端口，端口通过导线与数据采集和处理系统连接；本发明能直接精确测量出微小扰振源的振动力和振动力矩，标定简单，测量的频率范围精确，测量可靠性高。

Description

一种压电式解耦微振动测量系统

技术领域

本发明涉及航天器活动部件微振动测量的技术领域，具体涉及一种压电式解耦微振动测量系统，可用于对航天器内部微小扰振载荷在六个自由度上的振动信号进行动态测量。

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、控制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振源)。这些扰振主要由飞轮不平衡、轴承扰振、电机扰振、电机驱动误差等引起的这些扰振力和扰振力矩会降低太空中精密仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰振的动态特性，对于分析并消除扰振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。

由于航天器扰振源的扰振很小，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振，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振十分困难，而其对应传感器的精度要求非常高。

现有微振动测量技术通常只能测得耦合在一起的载荷信号，通过软件后处理得到振动台中心位置处六个方向的载荷，标定过程及测试结果后处理复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有测试技术标定过程及测试结果后处理复杂的不足，提供一种压电式解耦微振动测量系统，可直接测得振动台中心位置的六个载荷分量，用于分析航天器运行过程中，扰振源在空间六个自由度上的动态特性，为提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计提供可靠的测试数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电式解耦微振动测量系统，该测量系统包括底板、三块侧板、八个剪切型压电式传感器、负载板、接线板以及数据采集和处理系统；三块侧板和接线板通过螺栓围成一周，并通过螺栓固定在底板上；八个剪切型压电式传感器结构均一致，其中六个剪切型压电式传感器分别等间距紧贴X轴方向的两块侧板内侧放置，另外两个剪切型压电式传感器分别紧贴Y轴方向的侧板和接线板内侧放置；八个剪切型压电式传感器与底板通过螺栓拧紧；负载板放在剪切型压电式传感器上方，通过螺栓拧紧；每个剪切型压电式传感器都由五部分组成，即侧边立柱，隔离片，中间立柱，绝缘片以及压电片；传感器的安装使用特定的模具，每个剪切型压电式传感器装有左右对称共四组压电片，每组压电片包含两片；靠近中间立柱的两组压电片极化方向沿着X轴，靠近侧边立柱的两组压电片极化方向沿着Z轴；压电片与侧边立柱以及压电片与压电片之间用绝缘片隔开；压电片与绝缘片之间放入隔离片，用于连接导线导出压电信号；在侧边立柱的上方和下方通过三个螺栓将整个剪切型压电式传感器沿Y轴方向加紧；剪切型压电式传感器可通过侧边立柱底部的螺纹孔与底板用螺栓连接，并且可通过中间立柱顶部的螺纹孔与负载板用螺栓连接；在测试过程中，侧边立柱固定不动，中间立柱相对侧边立柱产生切向运动，压电片受到剪切力产生正负电荷；四个布置在侧板与接线板围成盒体角落上的剪切型压电式传感器通过相应的布置方式，可以实现四个剪切型压电式传感器中靠近中间立柱的共八组压电片能测量绕Z轴的力矩，另外八组压电片能测量沿Z轴的力；布置在接线板和与其平行侧板中间位置的两个剪切型压电式传感器通过相应的布置方式，可以实现两个剪切型压电式传感器中靠近中间立柱的共四组压电片测量沿X轴的力，另外四组压电片能测量绕Y轴的力矩；布置在沿X轴方向相互平行的两块侧板中间位置的两个剪切型压电式传感器通过相应的布置方式，可以实现两个剪切型压电式传感器中靠近中间立柱的共四组压电片测量沿Y轴的力，另外四组压电片能测量绕X轴的力矩；剪切型压电式传感器通过信号传输线与数据采集和处理系统相连；当微小扰振源产生振动时，八个剪切型压电式传感器产生六个压电信号，对振动台进行标定后得到相应的灵敏度系数，将其与电压信号相乘后可以得到三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础准确分析出微小扰振源的振动特性。

进一步的，该测试平台的特点是相对于八个传感器立柱的微活动部件多，要求八个传感器立柱的刚度足够大，基于此考虑，传感器立柱的材料采用不锈钢，而其余部件的材料均为硬铝；这样的材料配置既可以满足结构要求，又具有质量轻的优点。

进一步的，八个剪切型压电式传感器的结构均一致，使用特定的模具进行安装，保证各个剪切型压电式传感器压电信号的一致性，通过相应的压电片极化方向配置就能使规定的传感器组测量力矩信号；

进一步的，在传感器装配过程中，通过侧边立柱的上方和下方沉头孔使用三个螺栓将整个剪切型压电式传感器沿Y轴方向加紧时，要保证两个侧边立柱上下间距相同，因此，需用力矩扳手保证下面一个螺栓的扭矩是上面两个螺栓的扭矩的一倍。

进一步的，所述测量系统内部是空的，可以将扰动源安装在测量系统内部，也可以将扰动源安装在测量系统外部。

进一步的，振动测试台安装过程如下：步骤1)、三块侧板和接线板通过螺栓围成一周，并通过螺栓固定在底板上；步骤2)、通过侧边立柱底部的螺纹孔将剪切型压电式传感器与底板用螺栓连接；步骤3)、通过中间立柱顶部的螺纹孔将剪切型压电式传感器与负载板用螺栓连接；步骤4)、将装好的微振动测量台放在地基上，用螺栓把底板与地基连接；由上述过程可以看出整个振动测量系统采用模块化设计，装配简单且整个装配过程是个逆过程。

进一步的，所述需要通过螺栓连接处连接部分的螺栓必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高该测量系统的刚度，保证其测量精度。

进一步的，充分利用切向型压电片的特性，通过合理的空间布置，可以直接测得振动台中心位置解耦的六个载荷分量的电压信号，再乘以标定得到的灵敏度系数即可直接得到载荷值F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z；振动测量台的整个标定过程理及测量结果数据处理简单。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明充分利用切向型压电片的特性，通过合理的空间布置及接线方式，可以直接测得振动台中心位置解耦的六个载荷分量的电压信号，再乘以标定得到的灵敏度系数即可直接得到载荷值F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z。振动测量台的整个标定过程理及测量结果数据处理简单。

(2)本发明采用模块化设计且装配简单。

(3)本发明测量装置和被测量试件分离，不需要在被测量试件上安装附加设备和传感器，不影响被测试件的动态特性，不损伤被测试件结构，试验完毕后试件还可以正常使用。

(4)本发明接口尺寸灵活。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的结构分解图；

图3为本发明实施例1中剪切型压电式传感器示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1、图2、和图3所示，三块侧板2和接线板5通过M10螺栓围成一周，并通过M10螺栓固定在底板1上；八个剪切型压电式传感器3结构均一致，其中六个传感器3分别等间距紧贴X轴方向的两块侧板2内侧放置，另外两个传感器3分别紧贴Y轴方向的侧板2和接线板5内侧放置；八个传感器3与底板1通过M8螺栓拧紧；负载板4放在传感器3上方，通过M8螺栓拧紧；每个传感器3都由五部分组成，即侧边立柱3.1，隔离片3.2，中间立柱3.3，绝缘片3.4以及压电片3.5；传感器的安装使用特定的模具，每个传感器3装有左右对称共四组压电片3.5，每组压电片3.5包含两片；靠近中间立柱3.3的两组压电片3.5极化方向沿着X轴，靠近侧边立柱3.1的两组压电片3.5极化方向沿着Z轴；压电片3.5与侧边立柱3.1以及压电片3.5与压电片3.5之间用绝缘片3.4隔开；压电片3.5与绝缘片3.4之间放入隔离片3.2，用于连接导线导出压电信号；在侧边立柱3.1的上方和下方通过三个M8螺栓将整个传感器3沿Y轴方向加紧；传感器3可通过侧边立柱3.1底部的螺纹孔与底板1用M8螺栓连接，并且可通过中间立柱3.3顶部的螺纹孔与负载板4用M8螺栓连接；在测试过程中，侧边立柱3.1固定不动，中间立柱3.3相对侧边立柱3.1产生切向运动，压电片3.5受到剪切力产生正负电荷；四个布置在侧板2与接线板5围成盒体角落上的传感器3通过相应的布置方式，可以实现四个传感器3中靠近中间立柱3.3的共八组压电片3.5能测量绕Z轴的力矩，另外八组压电片3.5能测量沿Z轴的力；布置在接线板5和与其平行侧板2中间位置的两个传感器3通过相应的布置方式，可以实现两个传感器3中靠近中间立柱3.3的共四组压电片3.5测量沿X轴的力，另外四组压电片3.5能测量绕Y轴的力矩；布置在沿X轴方向相互平行的两块侧板中间位置的两个传感器3通过相应的布置方式，可以实现两个传感器3中靠近中间立柱3.3的共四组压电片3.5测量沿Y轴的力，另外四组压电片3.5能测量绕X轴的力矩；传感器3通过信号传输线与数据采集和处理系统6相连；当微小扰振源产生振动时，八个剪切型压电式传感器3产生六个压电信号，对振动台进行标定后得到相应的灵敏度系数，将其与电压信号相乘后可以得到三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础准确分析出微小扰振源的振动特性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压电式解耦微振动测量系统，其特征在于：包括底板(1)、三块侧板(2)、八个剪切型压电式传感器(3)、负载板(4)、接线板(5)以及数据采集和处理系统(6)；三块侧板(2)和接线板(5)通过螺栓围成一周，并通过螺栓固定在底板(1)上；八个剪切型压电式传感器(3)结构均一致，其中六个剪切型压电式传感器(3)分别等间距紧贴X轴方向的两块侧板(2)内侧放置，另外两个剪切型压电式传感器(3)分别紧贴Y轴方向的侧板(2)和接线板(5)内侧放置；八个剪切型压电式传感器(3)与底板(1)通过螺栓拧紧；负载板(4)放在剪切型压电式传感器(3)上方，通过螺栓拧紧；每个剪切型压电式传感器(3)都由五部分组成，即侧边立柱(3.1)，隔离片(3.2)，中间立柱(3.3)，绝缘片(3.4)以及压电片(3.5)；传感器的安装使用特定的模具，每个剪切型压电式传感器(3)装有左右对称共四组压电片(3.5)，每组压电片(3.5)包含两片；靠近中间立柱(3.3)的两组压电片(3.5)极化方向沿着X轴，靠近侧边立柱(3.1)的两组压电片(3.5)极化方向沿着Z轴；压电片(3.5)与侧边立柱(3.1)以及压电片(3.5)与压电片(3.5)之间用绝缘片(3.4)隔开；压电片(3.5)与绝缘片(3.4)之间放入隔离片(3.2)，用于连接导线导出压电信号；在侧边立柱(3.1)的上方和下方通过三个螺栓将整个剪切型压电式传感器(3)沿Y轴方向加紧；剪切型压电式传感器(3)通过侧边立柱(3.1)底部的螺纹孔与底板(1)用螺栓连接，并且通过中间立柱(3.3)顶部的螺纹孔与负载板(4)用螺栓连接；在测试过程中，侧边立柱(3.1)固定不动，中间立柱(3.3)相对侧边立柱(3.1)产生切向运动，压电片(3.5)受到剪切力产生正负电荷；四个布置在侧板(2)与接线板(5)围成盒体角落上的剪切型压电式传感器(3)通过相应的布置方式，实现四个剪切型压电式传感器(3)中靠近中间立柱(3.3)的共八组压电片(3.5)能测量绕Z轴的力矩，另外八组压电片(3.5)能测量沿Z轴的力；布置在接线板(5)和与其平行侧板(2)中间位置的两个剪切型压电式传感器(3)通过相应的布置方式，实现两个剪切型压电式传感器(3)中靠近中间立柱(3.3)的共四组压电片(3.5)测量沿X轴的力，另外四组压电片(3.5)能测量绕Y轴的力矩；布置在沿X轴方向相互平行的两块侧板中间位置的两个剪切型压电式传感器(3)通过相应的布置方式，实现两个剪切型压电式传感器(3)中靠近中间立柱(3.3)的共四组压电片(3.5)测量沿Y轴的力，另外四组压电片(3.5)能测量绕X轴的力矩；剪切型压电式传感器(3)通过信号传输线与数据采集和处理系统(6)相连；当微小扰振源产生振动时，八个剪切型压电式传感器(3)产生六个压电信号，对振动台进行标定后得到相应的灵敏度系数，将其与电压信号相乘后得到三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础准确分析出微小扰振源的振动特性。

2.根据权利要求1所述的压电式解耦微振动测量系统，其特征在于：该测量系统的特点是相对于八个传感器立柱(3.1,3.3)的微活动部件多，要求八个传感器立柱(3.1,3.3)的刚度足够大，基于此考虑，传感器立柱(3.1,3.3)的材料采用不锈钢，而其余部件的材料均为硬铝；这样的材料配置既可以满足结构要求，又具有质量轻的优点。

3.根据权利要求1所述的压电式解耦微振动测量系统，其特征在于：剪切型压电式传感器(3)的结构均一致，使用特定的模具进行安装，保证各个剪切型压电式传感器(3)压电信号的一致性，通过相应的压电片极化方向配置就能使规定的传感器组测量力矩信号。

4.根据权利要求1所述的压电式解耦微振动测量系统，其特征在于：在传感器装配过程中，通过侧边立柱(3.1)的上方和下方沉头孔使用三个螺栓将整个剪切型压电式传感器(3)沿Y轴方向加紧时，要保证两个侧边立柱上下间距相同，因此，需用力矩扳手保证下面一个螺栓的扭矩是上面两个螺栓的扭矩的一倍。

5.根据权利要求1所述的压电式解耦微振动测量系统，其特征在于：所述测量系统内部是空的，可以将扰动源安装在测量系统内部，也可以将扰动源安装在测量系统外部。

6.根据权利要求1所述的压电式解耦微振动测量系统，其特征在于：微振动测量系统安装过程如下：步骤1)、三块侧板(2)和接线板(5)通过螺栓围成一周，并通过螺栓固定在底板(1)上；步骤2)、通过侧边立柱(3.1)底部的螺纹孔将剪切型压电式传感器(3)与底板(1)用螺栓连接；步骤3)、通过中间立柱(3.3)顶部的螺纹孔将剪切型压电式传感器(3)与负载板(4)用螺栓连接；步骤4)、将装好的微振动测量系统放在地基上，用螺栓把底板(1)与地基连接；由上述过程可以看出整个微振动测量系统采用模块化设计，装配简单且整个装配过程是个逆过程。

7.根据权利要求1所述的压电式解耦微振动测量系统，其特征在于：需要通过螺栓连接处连接部分的螺栓必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高该测量系统的刚度，保证其测量精度。