CN105466655A - 测量结构微振动特性的加载装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量结构微振动特性的加载装置及方法，该加载装置包括计算机、数据采集系统、2台激光测振仪、压电陶瓷以及压电陶瓷控制器。该装置能对试件施加一个很小的激励，可以很好的弥补激振器提供不了很小的激振力的不足，降低激振过程中附加质量对试件的影响。对探究蜂窝板、碳纤维板等较轻的测试对象，在低加速度振动下的幅频特性曲线测试及阻尼比，提供了一种有效的方法。

Description

测量结构微振动特性的加载装置及方法
技术领域
本发明涉及一种加载装置及方法，特别是一种测量试件在微小加速度振动下的幅频特性曲线的加载装置及方法。
背景技术
航天器的微振动是指航天器在轨正常运行期间，由于作动机构等因素导致的航天器结构上幅值低于0.1g的微小振动。航天在轨运行期间，这种微振动环境效应将严重影响有效载荷的指向精度和姿态稳定度，因此研究航天结构在微振动情况下的频响特性具有重要意义。为了研究在更低加速度量级水平的振动，需要给予结构更小的激励力，且要忽略激励带来的附加影响，而且要测出更小的响应。目前使用的激振器在给予较大的激振力时，通过连接杆与试件相连，在给予较小的力时，可以通过琴弦丝与试件相连，这种直接加载的方式可能对于质量轻的试件有附加质量和刚度的影响，因此增加了加载的不稳定性和控制难度，不能实现更低加速度量级水平的振动。
发明内容
本发明的目的就是针对已有技术中的不足，提供一种加载稳定简单、易于控制，精度高的测量试件在低加速度振动下的幅频特性曲线的加载装置及方法，该装置可以方便的对试件提供一个低加速度量级的振动加载，并可以测得响应。
本发明实现其发明的目的所采取的技术方案是：
一种测量结构微振动特性的加载装置，该加载装置包括：激振控制系统、信号采集系统和待测量试件，其中试件通过弹性绳悬挂在振动台上，压电陶瓷粘贴在试件的表面激励输入端并与压电陶瓷控制器的输出端相连。
所述的激振控制系统包括：计算机、数据采集系统、压电陶瓷控制器和压电陶瓷，其中计算机与数据采集系统相连，数据采集系统的扫频输出端与压电陶瓷控制器的输入端相连，压电陶瓷控制器的输出端与压电陶瓷相连。
所述的信号采集系统包括：计算机、数据采集系统和两台激光测振仪，其中计算机与数据采集系统相连，数据采集系统的输入端分别与两台激光测振仪相连，其中一台激光测振仪测量压电陶瓷表面速度信号，另一台激光测振仪测量试件测试点的速度信号，两台激光测振仪同时将压电陶瓷表面速度信号和试件测试点的速度信号反馈给数据采集系统。
以及，一种测量结构微振动特性的方法，其中测量结构微振动特性的加载装置包括计算机、数据采集系统、压电陶瓷控制器、激光测振仪、弹性绳和压电陶瓷，所述方法包括如下步骤：
第一、计算机控制数据采集系统输出端向压电陶瓷控制器输出固定的电压信号，压电陶瓷控制器根据该电压信号驱动压电陶瓷微振动；
第二、两台激光测振仪发出的激光分别照射在压电陶瓷和试件的测试点上，通过两台激光测振仪可以同时测量出压电陶瓷和试件的测试点的速度信号；
第三、两台激光测振仪分别将测量得到的压电陶瓷和试件的测试点的速度信号通过数据采集系统反馈给计算机，进而得到试件的幅频特性曲线。
与现在的测量方法相比，本发明的优点是：对于较轻的结构，可以测量其在低加速度(10-1g-10-9g)振动的幅频特性曲线和阻尼比；由于压电陶瓷质量很轻，且直接作用在被测结构上，所以可以忽略附加质量对被测结构的影响。
附图说明
图1为本发明实施例一的测量装置的连接示意图；
图2为本发明实施例二的测量装置的连接示意图；
图3为本发明加载装置和测量的原理框图；
图4为本发明的实施例一中选用的被测结构的示意图；
图5为本发明的测量得到的幅频曲线图。
其中:
1-计算机；2-压电陶瓷控制器；3-数据采集系统、4-激光测振议；5-弹性绳；6-试件；7-压电陶瓷。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
在结构的第i点贴上高度为h，质量为m的压电陶瓷，给压电陶瓷的控制电压为V，高度产生相应比例的伸长可通过自由应变方程来说明，
Δh＝d33Vh
这里d33为高度方向的压电变形系数。当控制电压V为动态变化时，由于压电陶瓷的迟滞效应其变形与控制电压信号之间存在一定的相位差，而且不同频率下压电变形系数d33也不相同。因此本发明采用激光测振仪直接测量压电陶瓷上表面的速度vi(t)来得到压电陶瓷在动态控制电压下的真实变形。
实施例一如图1、3、4所示，本发明所述测量试件在低加速度振动下的幅频特性曲线的加载装置包括：计算机1、数据采集系统3、压电陶瓷控制器2、激光测振仪4、弹性绳5和压电陶瓷7，其中试件6通过弹性绳5悬挂在振动台的铝制框架上，压电陶瓷7粘贴在试件6的表面激励输入端并与压电陶瓷控制器2的输出端相连，激振控制系统包括：计算机1、数据采集系统3、压电陶瓷控制器2和压电陶瓷7，其中计算机1与数据采集系统3相连，数据采集系统3的扫频输出端与压电陶瓷控制器2的输入端相连，压电陶瓷控制器2的输出端与压电陶瓷7相连，信号采集系统包括：计算机1、数据采集系统3和两台激光测振仪4，其中计算机1与数据采集系统3相连，数据采集系统3的输入端分别与两台激光测振仪4相连，其中一台激光测振仪4测量压电陶瓷7表面速度信号，另一台激光测振仪4测量试件6测试点的速度信号。
在给定圆频率ω下测量得到压电陶瓷的表面速度其中为压电陶瓷表面速度，则其质心的速度为表面速度的二分之一，得到压电陶瓷对结构的激励力为：
F i ( ω ) = ω 2 m v ‾ i sin ( ω t + π 2 )
同时采用激光测振仪测量结构上第j点的速度：
v j ( ω ) = v ‾ j sin ( ω t + θ )
其中为试件测量点表面速度。
通过信号分析可以得到结构第j点之间的速度响应与第i点的激励力之间的频响函数：
H i j v ( ω ) = v j ( ω ) F i ( ω )
通过对速度微分还能进一步得到结构第j点之间的加速度响应与第i点的激励力之间的频响函数
实施例二如图2、3所示，实施例二与实施例一不同之处在于在试件6上粘贴两个相同的压电陶瓷7，并且压电陶瓷控制器向两个压电陶瓷施加反相的控制电压，由此可以得到在向试件6施加力矩载荷加载的情况下的幅频特性曲线。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量结构微振动特性的加载装置，其特征在于该加载装置包括：激振控制系统、信号采集系统和待测量试件，其中试件(6)通过弹性绳(5)悬挂在振动台上，压电陶瓷(7)粘贴在试件(6)的表面激励输入端并与压电陶瓷控制器(2)的输出端相连；
所述的激振控制系统包括：计算机(1)、数据采集系统(3)、压电陶瓷控制器(2)和压电陶瓷(7)，其中计算机(1)与数据采集系统(3)相连，数据采集系统(3)的扫频输出端与压电陶瓷控制器(2)的输入端相连，压电陶瓷控制器(2)的输出端与压电陶瓷(7)相连；
所述的信号采集系统包括：计算机(1)、数据采集系统(3)和两台激光测振仪(4)，其中计算机(1)与数据采集系统(3)相连，数据采集系统(3)的输入端分别与两台激光测振仪(4)相连，其中一台激光测振仪(4)测量压电陶瓷(7)表面速度信号，另一台激光测振仪(4)测量试件测试点的速度信号，两台激光测振仪(4)同时将压电陶瓷(7)表面速度信号和试件测试点的速度信号反馈给数据采集系统(3)。
2.根据权利要求1所述的测量结构微振动特性的加载装置，其特征在于，所述的压电陶瓷(7)直接粘贴在试件(6)的表面，压电陶瓷(7)的振动由压电陶瓷控制器(2)控制。
3.根据权利要求1-2任一所述的测量结构微振动特性的加载装置，其特征在于，压电陶瓷控制器(2)的输出端与压电陶瓷(7)之间采用BNC线相连。
4.根据权利要求1-3任一所述的测量结构微振动特性的加载装置，其特征在于，所述振动台包括铝制框架，弹性绳(5)将试件(6)垂直悬挂在该铝制框架上，压电陶瓷(7)和试件测试点表面均粘贴有反光纸。
5.根据权利要求1-4任一所述的测量结构微振动特性的加载装置，其特征在于，在试件(6)表面粘贴两个相同的压电陶瓷(7)，并且对该两个压电陶瓷(7)施加反相电压。
6.一种测量结构微振动特性的方法，其中测量结构微振动特性的加载装置包括计算机(1)、数据采集系统(3)、压电陶瓷控制器(2)、激光测振仪(4)、弹性绳(5)和压电陶瓷(7)，所述方法包括如下步骤：
第一、计算机(1)控制数据采集系统(3)输出端向压电陶瓷控制器(2)输出固定的电压信号，压电陶瓷控制器(2)根据该电压信号驱动压电陶瓷(7)微振动；
第二、两台激光测振仪(4)发出的激光分别照射在压电陶瓷(7)和试件(6)的测试点上，通过两台激光测振仪(4)可以同时测量出压电陶瓷(7)和试件(6)的测试点的速度信号；
第三、两台激光测振仪(4)分别将测量得到的压电陶瓷(7)和试件(6)的测试点的速度信号通过数据采集系统(3)反馈给计算机，进而得到试件(6)的幅频特性曲线。
7.根据权利要求6所述的测量结构微振动特性的方法，其特征在于，其中步骤第一中压电陶瓷对试件的激励力为：
F i ( ω ) = ω 2 m v ‾ i sin ( ω t + π 2 )
其中m为压电陶瓷质量，ω为给定圆频率，Fi(ω)为压电陶瓷激励力表达式，为压电陶瓷表面速度。
8.根据权利要求6-7任一所述的测量结构微振动特性的方法，其特征在于，其中步骤第三中试件(6)的幅频特性曲线根据如下表达式确定：
H i j v ( ω ) = v j ( ω ) F i ( ω )
其中Fi(ω)为压电陶瓷激励力表达式，vj(ω)为试件(6)的测试点的速度。
9.根据权利要求6-8任一所述的测量结构微振动特性的方法，其特征在于，步骤第一中压电陶瓷对试件的激励产生的加速度为：10-1g-10-9g。
10.根据权利要求6-9任一所述的测量结构微振动特性的方法，其特征在于，在试件(6)表面粘贴两个相同的压电陶瓷(7)，并且对该两个压电陶瓷(7)施加反相电压，进而通过两个压电陶瓷(7)产生的反向激励力以实现力矩载荷加载情况下测量试件(6)的幅频特性曲线。
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