CN104567698A - 基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置，包括柔性梁体、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分，振动激励部分是通过信号发生器产生模态振动信号经过第一压电驱动放大电源放大后，通过压电激励驱动器激励柔性梁振动，振动检测部分是通过激光探测头及压电陶瓷片传感器检测柔性梁振动，分别经过激光位移传感器控制器及电荷放大器传到计算机，所述振动控制部分是将计算机的控制信号经过第二压电驱动放大电源将控制量施加在压电陶瓷片驱动器上，实现对两端固支柔性梁振动主动控制的目的。

Description

基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置

技术领域

本发明涉及大型柔性两端固定结构振动检测及控制领域，特别涉及基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置。

背景技术

柔性梁结构具有质量轻、结构阻尼小、模态频率低等特点，在航天器、空间机器人、土木工程以及工业场合中有着广泛的应用，是工程领域中的主要结构类型之一，如大跨度的网架结构、卫星太阳能帆板结构、航天机翼、空间站柔性机械臂、新型桥梁等都是柔性梁结构的应用范例。柔性梁在工作过程中除了承受工作负载的作用之外，还会受到一些外部不可预知因素(如冲击、过载等)的影响，这些影响会使柔性梁结构产生振动，并且振动会持续很长时间。长时间的振动会引起结构的疲劳与损伤，降低大型复杂结构如航天器、工业机器人机械臂的工作精度和工作寿命。因此，大型柔性梁结构的振动检测及控制就成为了当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题和难点。针对大型柔性梁结构的振动检测及控制，为保证其工作稳定性，必须使它们具有非接触式检测能力和自适应性控制能力，近年来发展起来的非接触式传感器和智能结构控制技术对大型柔性梁结构的振动进行检测及控制提供了思路。

为了控制柔性梁结构的振动，首先需要检测出振动量，而现有技术中一般采用接触式传感器对其进行测量，比如使用安装式加速度传感器检测，或者使用粘贴式压电陶瓷片检测等，这些方法都会对柔性梁产生附加质量，会改变柔性梁结构特性，同时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，而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。中国专利申请号为201310321779.2中，发明名称：“一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置与方法”中，通过在柔性板上安装加速度传感器来检测柔性板的振动，以用于后面的振动控制及分析。加速度传感器对柔性板有附加质量，会改变柔性板结构特性，同时包含大量的测量噪声。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置，包括柔性梁本体、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述柔性梁本体包括柔性梁，所述柔性梁通过机械夹持装置两端固定；

所述振动激励部分包括依次连接的信号发生器、第一压电驱动放大电源及压电激励驱动器，所述压电激励驱动器安装在柔性梁上；

所述振动检测部分包括激光探测头、压电陶瓷片传感器、电荷放大器、第一A/D数据采集卡、激光位移传感器控制器、第二A/D数据采集卡及计算机，

所述激光探测头检测柔性梁的振动信息通过激光位移传感器控制器传输到第二A/D数据采集卡，所述第二A/D数据采集卡与计算机连接；

所述压电陶瓷片传感器检测柔性梁的振动信息通过电荷放大器放大后传输到第一A/D数据采集卡，所述第一A/D数据采集卡与计算机连接；

所述振动控制部分包括压电陶瓷片驱动器、第二压电驱动放大电源及D/A转换卡，所述计算机产生控制信号通过D/A转换卡和第二压电驱动电源放大后，将控制信号输送至压电陶瓷片驱动器。

所述压电激励驱动器由四片压电陶瓷片构成，所述四片压电陶瓷片粘帖在柔性梁的左端，双面粘贴，每面两片，对称粘贴，两面极性相反且并联连接。

所述压电陶瓷片驱动器由四片压电陶瓷片构成，所述四片压电陶瓷片粘帖在柔性梁的右端，双面粘贴，每面两片对称粘贴，两面极性相反且并联连接。

所述压电陶瓷片传感器由一片压电陶瓷片构成，所述压电陶瓷片粘贴在柔性梁正面右端的纵向中线位置处。

还包括支架，所述激光探测头通过支架安装在柔性梁几何中心的正上方，距离柔性梁正面距离为10-500mm。

所述支架包括竖直支架及水平支架，所述竖直支架与水平支架成交叉十字型，水平支架在竖直支架上移动，所述激光探测头安装在水平支架上，还包括千分尺，所述千分尺安装在水平支架上。

还包括磁性底座及底座，所述竖直支架安装在磁性底座上，所述磁性底座安装在底座上。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用激光位移传感器检测两端固支柔性梁振动，是非接触式测量，具有不增加结构附加质量，不改变结构特征，测量精度高，动态响应快的优点，既适合于低频振动测量也适合于高频振动测量；

(2)本发明设计了一套由水平支架、竖直支架以及底座组成的结构，可以简便地手动调整激光探测头位置，从而可以简便地测量两端固支柔性梁上各点的振动位移；

(3)本装置为多传感器融合系统，既有激光位移传感器，又有压电陶瓷片传感器，可以通过多传感器信息融合对两端固支柔性梁振动进行辨识研究；

(4)本装置是一个多输入通道的检测和控制系统，利用激光位移传感器可以动态标定压电陶瓷片传感器的测量值，利用该装置可以很好的实现大型两端固支柔性梁的振动检测和控制研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中柔性梁的正面压电陶瓷片驱动器、压电陶瓷片传感器配置分布示意图；

图3是图1中柔性梁的背面压电陶瓷片驱动器配置分布示意图；

图4是图1的前视图；

图5是图1的右视图；

图6是图1的俯视图。

图中示出：

1-水平支架，2-竖直支架，3-磁性底座，4-千分尺，5-激光探测头，6-压电激励驱动器，7-柔性梁，8-压电陶瓷片传感器，9-压电陶瓷片驱动器，10-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6所示，一种基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置，包括柔性梁本体、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述柔性梁本体包括柔性梁7，柔性梁7通过机械夹持装置两端固定，所述柔性梁水平放置，所述机械夹持装置固定在底座10上。

所述振动激励部分包括信号发生器、第一压电驱动放大电源及压电激励驱动器6；在柔性梁左端，距离柔性梁7宽度边沿50mm，长度边沿22mm处，姿态角为0°，双面对称粘贴4片压电陶瓷片，每面2片，双面极性相反且并联连接构成压电激励驱动器，通过信号发生器产生柔性梁的模态振动信号，经过第一压电驱动放大电源放大后，通过压电激励驱动器6激励起柔性梁7的模态振动。

所述振动检测部分包括激光探测头5、压电陶瓷片传感器8、电荷放大器、第一A/D数据采集卡、激光位移传感器控制器、第二A/D数据采集卡及计算机，

激光探测头5通过水平支架1和竖直支架2安装在柔性梁几何中心正上方处，激光探测头选用基恩士的LK-031激光探测头，距离柔性梁正上方标准距离为30mm，此距离可通过水平支架在竖直支架上移动以及千分尺的调整来实现，所述千分尺4安装在水平支架1上，激光探测头5在距离柔性梁宽度边沿300mm，长度边沿处60mm，即柔性梁7的几何中心处，此位置可以通过磁性底座3和水平支架的移动来进行调整，所述竖直支架2与水平支架1成交叉十字型，水平支架可以在竖直支架上移动，激光探测头5具体安装在水平支架上，所述竖直支架2安装在磁性底座3上，所述磁性底座3安装在底座10上，。

激光探测头5距离柔性梁7正上方一般距离为10-500mm，针对不同型号的激光探测头有不同的标准距离，并且此距离可通过水平支架在竖直支架上移动以及千分尺的调整来实现，激光探测头在柔性梁宽度边沿和长度边沿的位置可以通过磁性底座和水平支架的移动来进行调整；

激光探测头5检测柔性梁的振动，其检测的信号输入到激光位移传感器控制器，通过第二A/D数据采集卡输入到计算机中处理；

或者压电陶瓷片传感器8检测柔性梁的振动，其检测的振动信号经过电荷放大器放大以后，通过第一A/D数据采集卡输入到计算机中处理；

所述压电陶瓷片传感器8由一片压电陶瓷片构成，粘贴在距离柔性梁右端宽度边沿100mm的纵向中线位置处，1片单面粘贴；

所述振动控制部分包括压电陶瓷片驱动器9、第二压电驱动放大电源及D/A转换卡，在柔性梁右端，距离柔性梁宽度边沿50mm，长度边沿22mm处，姿态角为0°，双面对称粘贴4片压电陶瓷片，每面2片，双面极性相反并联连接在一起构成压电陶瓷片驱动器9。

计算机运行相应的振动主动控制算法产生控制信号，通过D/A转换卡和第二压电驱动放大电源后，将控制信号输送至压电陶瓷片控制驱动器，对柔性梁产生控制力作用，抵消振动响应，实现对柔性梁的实时振动主动控制。

本发明利用激光位移传感器是非接触式测量，不增加结构附加质量，不改变结构特征，具有测量精度高，采样频率高，动态响应快的优点。

图1中的虚线连接表示连接检测传感器和控制驱动装置的电信号图。

在本实施例中，柔性梁的材料选用环氧树脂材料薄板，其几何尺寸可选720mm×120mm×2mm，即图1所示水平方向长度为720mm，竖直方向长度为120mm，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。

激光位移传感器由激光探测头和激光位移传感器控制器组成，选用日本基恩士公司生产的LK系列激光位移传感器，型号为LK-031，三角测量法的漫反射型安装，可见红色半导体激光，波长为670nm，参考距离是30mm，测量范围是-5mm到+5mm，测量再现性为1μm，直线性为±0.1％的F.S.(F.S.＝±5mm)，取样周期为512μs。激光位移传感器控制器型号为LK-2001，模拟电压输出范围是-5V到+5V。

压电激励驱动器和压电陶瓷片驱动器为压电陶瓷片，几何尺寸为50mm×15mm×1mm。压电陶瓷片传感器也为压电陶瓷片，几何尺寸为35mm×10mm×1mm。压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V。

信号发生器可选用南京盛普仪器科技有限公司SP-F05型DDS数字合成函数/任意波信号发生器。压电驱动放大电源可选用天津市东文高压电源厂生产的DW-D201-100-AC型高压供电电源。电荷放大器可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。A/D数据采集卡的型号为台湾研华科技有限公司生产的PCL-818HD。D/A转换卡可选用台湾研华科技有限公司生产的PCL-727型转换卡。选用的计算机CPU型号为Pentium G620 2.6GHz，内存4G。

装置利用激光位移传感器是非接触式测量，不增加结构附加质量，不改变结构特征，具有测量精度高，采样频率高，动态响应快的优点。

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 (7)

1.一种基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置，其特征在于，包括柔性梁本体、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述柔性梁本体包括柔性梁，所述柔性梁通过机械夹持装置两端固定；

所述振动激励部分包括依次连接的信号发生器、第一压电驱动放大电源及压电激励驱动器，所述压电激励驱动器安装在柔性梁上；

所述振动检测部分包括激光探测头、压电陶瓷片传感器、电荷放大器、第一A/D数据采集卡、激光位移传感器控制器、第二A/D数据采集卡及计算机，

所述激光探测头检测柔性梁的振动信息通过激光位移传感器控制器传输到第二A/D数据采集卡，所述第二A/D数据采集卡与计算机连接；

所述压电陶瓷片传感器检测柔性梁的振动信息通过电荷放大器放大后传输到第一A/D数据采集卡，所述第一A/D数据采集卡与计算机连接；

所述振动控制部分包括压电陶瓷片驱动器、第二压电驱动放大电源及D/A转换卡，所述计算机产生控制信号通过D/A转换卡和第二压电驱动电源放大后，将控制信号输送至压电陶瓷片驱动器。

2.根据权利要求1所述的检测控制装置，其特征在于，所述压电激励驱动器由四片压电陶瓷片构成，所述四片压电陶瓷片粘贴在柔性梁的左端，双面粘贴，每面两片，对称粘贴，两面极性相反且并联连接。

3.根据权利要求1所述的检测控制装置，其特征在于，所述压电陶瓷片驱动器由四片压电陶瓷片构成，所述四片压电陶瓷片粘贴在柔性梁的右端，双面粘贴，每面两片对称粘贴，两面极性相反且并联连接。

4.根据权利要求1所述的检测控制装置，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，所述压电陶瓷片粘贴在柔性梁正面右端的纵向中线位置处。

5.根据权利要求1所述的检测控制装置，其特征在于，还包括支架，所述激光探测头通过支架安装在柔性梁几何中心的正上方，距离柔性梁正面距离为10-500mm。

6.根据权利要求5所述的检测控制装置，其特征在于，所述支架包括竖直支架及水平支架，所述竖直支架与水平支架成交叉十字型，水平支架在竖直支架上移动，所述激光探测头安装在水平支架上，还包括千分尺，所述千分尺安装在水平支架上。

7.根据权利要求6所述的检测控制装置，其特征在于，还包括磁性底座及底座，所述竖直支架安装在磁性底座上，所述磁性底座安装在底座上。