CN105606202A - 高精度超低频六维力微振动测量系统 - Google Patents
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Abstract
高精度超低频六维力微振动测量系统，属于高精密测量系统技术领域。解决了现有技术中测量系统测量精度低、安装界面不灵活的问题。该测量系统包括箱体、负载盘、四个竖直压电传感器、六个水平压电传感器、六个侧向定位板、信号装调装置和数据采集处理系统；其中，箱体由壳体和底座组成，负载盘由底盘和安装柱组成，竖直压电传感器通过壳体内部的顶面和底盘的顶面压紧，水平压电传感器通过底盘的侧面和侧向定位板的侧面压紧，十个压电传感器测得的电荷信号经信号装调装置转化为电压信号后，经数据采集处理系统分析计算，得到扰动源的三个动态力和三个动态弯矩。该测量系统可以精确测量扰动源的扰动力，且安装界面灵活易操作，测量可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于高精密测量系统技术领域，具体涉及一种高精度超低频六维力微振动测量系统。
背景技术
在航天器姿态控制系统中，具有反作用轮、单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等重要元件，由于这些元件存在飞轮不平衡、轴承扰动、电机扰动、电机驱动误差等，导致这些元件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，下面将这类元件统称为扰动源)。航天器内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。这些扰动源的扰动力和扰动力矩会降低航天器中精密性仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰动的动态特性，对于分析并消除扰动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。
由于航天器扰动源的扰动很小，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动，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动十分困难。现有技术中，微小振动测量系统多采用六到八个传感器，且一般为内部无空腔的形式，这类测量系统虽然能够测量微小振动，但是测量精度低且扰动源安装界面不灵活。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中微小振动测量系统测量精度低及安装界面不灵活的技术问题，提供一种高精度超低频六维力微振动测量系统。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
六维力微振动测量系统，包括箱体、负载盘、四个竖直压电传感器、六个水平压电传感器、六个侧向定位板、信号装调装置和数据采集处理系统；
所述箱体由壳体和底座组成，所述壳体为底端开口的中空结构，壳体的顶面设有第一中心通孔，所述底座固定在壳体的底端开口上；
所述负载盘由底盘和安装柱组成，所述底盘为正六边形，底盘上设有与第一中心通孔同轴的第二中心通孔，所述安装柱为两端开口的柱状结构，安装柱底端开口的边缘与第一中心通孔的边缘固定连接，安装柱顶端开口贯穿第一中心通孔伸出箱体外且不与箱体接触；
所述四个竖直压电传感器沿底盘的圆周均布，每个竖直压电传感器沿Z向设置，一端与壳体内部的顶面接触，另一端与底盘的顶面边缘接触，壳体、竖直压电传感器和底盘之间过约束连接，竖直压电传感器用于测量Z向振动力、X向振动力矩和Y向振动力矩；
所述六个水平压电传感器一端分别与底盘的六个侧面接触，另一端分别与六个侧向定位板的侧面接触，底盘、水平压电传感器和侧向定位板之间过约束连接，六个水平压电传感器设置在与Z向空间垂直的XOY平面内且沿圆周均布，水平压电传感器用于测量X向振动力、Y向振动力和Z向振动力矩；
所述侧向定位板的顶端固定在壳体内部的顶面上；
所述信号装调装置与四个竖直压电传感器、六个水平压电传感器均连接，信号装调装置接收四个竖直压电传感器和六个水平压电传感器的电荷信号并将电荷信号转变为电压信号；
所述数据采集处理系统采集信号装调装置的电压信号，并对电压信号进行空间六维力解耦，得到三个振动力信号和三个振动力矩信号。
进一步的，所述测量系统还包括扰动源，所述扰动源固定在安装柱内。
进一步的，所述数据采集处理系统能够根据三个振动力信号和三个振动力矩信号分析扰动源的振动特性。
进一步的，十个压电传感器相同，每个压电传感器由绝缘外壳和两片压电陶瓷组成，所述绝缘外壳的上下表面设有贯通的中心通孔，所述压电陶瓷设有与绝缘外壳的通孔同轴的中心通孔，两片压电陶瓷同轴叠放，置于绝缘外壳内，两片压电陶瓷的非接触面分别与绝缘外壳内部的上下表面接触。
进一步的，所述壳体、竖直压电传感器和底盘通过螺栓过约束连接，螺栓贯穿绝缘外壳和压电陶瓷的中心通孔；更进一步的，所述中心对称的两个竖直压电传感器对应的两个螺栓等力矩拧紧。
进一步的，所述底盘、水平压电传感器和侧向定位板通过螺栓过约束连接，螺栓贯穿绝缘外壳和压电陶瓷的中心通孔；更进一步的，所述中心对称的两个水平压电传感器对应的两个螺栓等力矩拧紧。
进一步的，所述壳体的侧面设有窗口。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统通过十个压电传感器的合理布置和数据采集处理系统的实时解耦，实现了六个自由度的微扰动信号的实时测量，克服了现有技术测量系统精度低的问题，实时测量精度大大提高；
2、本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统的压电传感器可以采用绝缘外壳与压电陶瓷片的复合结构，该结构具备较高的灵敏度系数及较好的信噪比，进一步提高了测量系统的抗干扰能力与测试精度；
3、本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统通过调节螺栓的预紧力，实现了正压力及负压力信号的采集，并可以对实际运行条件下较大质量的扰动源进行精确测量，提高了测量的可靠性；
4、本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统的底盘为正六边形，压电传感器、壳体及底盘为过约束连接，有效地提高了结构基频；
5、本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统具有中空腔体，扰动源可以通过安装柱置于箱体的内部或外部，同时，可以提供测试部件更高的安装自由度，提高了测量系统的适应性，扩大了测量系统的应用范围；
6、本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统通过信号装调装置提高了采集信号的信噪比，有效提高了测试精度。
附图说明
图1为本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统的结构示意图；
图2为本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统的箱体内部结构示意图；
图3为负载盘的结构示意图；
图4为压电传感器的结构示意图；
图5为压电传感器的内部结构示意图
图6为本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统在单脉冲激励下测得的传递函数；
图7为本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统在单脉冲激励下测量得到的信号与实际值的对比图(图中测量得到的信号与实际值重合)，图中，a为X方向的振动力信号与实际值的对比图，b为Y方向的振动力信号与实际值的对比图，c为Z方向的振动力信号与实际值的对比图，d为X方向的振动力矩信号与实际值的对比图，e为Y方向的振动力矩信号与实际值的对比图，f为Z方向的振动力矩信号与实际值的对比图；
图中，1、箱体，11、壳体，111、第一中心通孔，112、窗口，12、底座，2、负载盘，21、底盘，211、第二中心通孔，22、安装柱，3、竖直压电传感器，4、水平压电传感器，5、侧向定位板，6、螺栓，7、绝缘外壳，8、压电陶瓷，9、信号装调装置，10、数据采集处理系统。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1-5所示，本发明的高精度超低频六维力微振动测量系统，包括箱体1、负载盘2、四个竖直压电传感器3、六个水平压电传感器4、六个侧向定位板5、信号装调装置9和数据采集处理系统10。
其中，箱体1由壳体11和底座12组成，壳体11为底端开口的中空结构，壳体11的顶面设有第一中心通孔111，侧面设有窗口112，便于箱体1内部的压电传感器走线且当扰动源设置在箱体1内部时，便于对扰动源的操作；底座12固定在壳体11的底端开口上，与壳体11构成中空腔体，底座12可以与地基连接。箱体1通常为钢质材料，刚度满足动态测试要求。
负载盘2由底盘21和安装柱22组成，底盘21为正六边形，底盘21上设有与第一中心通孔111同轴的第二中心通孔211，安装柱22为两端开口的圆柱形结构，安装柱22底端开口的边缘与第一中心通孔211的边缘固定连接，安装柱22顶端开口贯穿第一中心通孔111伸出箱体1外且不与箱体1接触，安装柱22用于安装扰动源(待测件)。
本发明的十个压电传感器相同，每个压电传感器由绝缘外壳7和两片压电陶瓷8组成，绝缘外壳7的上下表面设有贯通的中心通孔，压电陶瓷8设有与绝缘外壳7的通孔同轴的中心通孔，两片压电陶瓷8同轴叠放，置于绝缘外壳7内，且两片压电陶瓷8的非接触面分别与绝缘外壳7内部的上下表面接触。其中，四个竖直压电传感器3沿底盘的圆周均布(四个竖直压电传感器3两两中心对称)，每个竖直压电传感器3沿Z向安装(竖直压电传感器3的中心轴在Z向)，每个竖直压电传感器3的一端与壳体11内部的顶面接触，另一端与底盘21的上表面的边缘接触，且竖直压电传感器3通过螺栓6压紧在底盘21和壳体11之间，实现三者过约束连接，螺栓6贯穿绝缘外壳7和压电陶瓷8的中心通孔，四个竖直压电传感器3分别对应四个螺栓6。四个竖直压电传感器3用于测量Z向的振动力、X向的振动力矩和Y向的振动力矩。六个水平压电传感器4安装在XOY平面内(水平压电传感器4的中心轴在XOY平面内)，在空间上垂直于Z向，且沿底盘的圆周均布(六个水平压电传感器4两两中心对称)。六个水平压电传感器4的一端分别与底盘21的六个侧面接触，另一端分别与六个侧向定位板5的侧面接触，且六个水平压电传感器4分别通过六个螺栓6压紧在底盘21和侧向定位板5之间，实现三者过约束连接，螺栓6贯穿绝缘外壳7和压电陶瓷8的中心通孔。六个水平压电传感器4用于测量X向振动力、Y向振动力和Z向振动力矩。侧向定位板5的顶面固定在壳体11内部的顶面上。为提高测量精度，任意两个中心对称的竖直压电传感器3在螺栓6强度允许的范围内通过力矩扳手等力矩拧紧，任意两个中心对称的水平压电传感器4在螺栓6强度允许的范围内通过力矩扳手等力矩拧紧。
信号调理装置9通过信号传输线与四个竖直压电传感器3和六个水平压电传感器4连接，当扰动源产生振动时，四个竖直压电传感器3和六个水平压电传感器4产生电荷信号，信号调理装置9该将十个电压传感器的高阻抗电荷信号变换为低阻抗电压信号，即放大电压传感器的微弱电荷信号，将其转变为电压信号，克服压电传感器低频响应特性差及零漂等缺点。
数据采集处理系统10可实时地完成多窗口可视化显示、滤波放大、窗函数生成、时域频域切换、触发采集、数据自动导出等常用信号实时处理功能，是整个系统完成六维力采集解算的重要组成部分。数据采集处理系统10由数据采集箱和计算机组成，数据采集箱采集信号调理装置9输出的电压信号并转化为数字信号，通过数据线输入到计算机中，计算机将数字信号进行分析和运算，即进行空间六维力的解耦，将数字信号转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号。计算机还可以根据三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，进一步准确分析出扰动源的振动特性。十个电压传感器、信号调理装置9和数据采集处理系统10构成差分电路系统，提高了电压信号的信噪比。
上述测试装置中，还可以包括扰动源，扰动源可以通过安装柱22安装在中空腔体内部或箱体1外部。具体根据不同扰动源及不同测量方式进行布置。
本发明的测量系统在测量振动时，先将测量系统安装在地基上，将扰动源安装在安装柱22上，检查四个竖直压电传感器3和六个水平压电传感器4的信号是否正常，检查正常后，运行扰动源，使其产生振动，四个竖直压电传感器3和六个水平压电传感器4产生电荷信号，电荷信号通过信号调理装置9转化为电压信号后，经数据采集处理系统10转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，并以此为基础分析扰动源的振动特性。在数据采集处理系统10将电压信号转换为力信号的过程中，需要对压电传感器进行标定，得到相应的灵敏度系数，将其与电压信号相乘后可以得到有效载荷的力信号。图6为本发明的测量系统在单脉冲激励下测得的传递函数，由图6可以看出，在单脉冲激励下，各电压传感器的响应信号为典型的宽频信号，说明本发明的测量是有效的。图7为本发明的测量系统在单脉冲激励下测得的信号与实际值的对比，从图7可以看出，本发明的测量系统得到的三个力信号和三个力矩信号与实际值相比相差不大，说明本发明的测量系统精度较高。
Claims (9)
1.六维力微振动测量系统，其特征在于，包括箱体(1)、负载盘(2)、四个竖直压电传感器(3)、六个水平压电传感器(4)、六个侧向定位板(5)、信号装调装置(9)和数据采集处理系统(10)；
所述箱体(1)由壳体(11)和底座(12)组成，所述壳体(11)为底端开口的中空结构，壳体(11)的顶面设有第一中心通孔(111)，所述底座(12)固定在壳体(11)的底端开口上；
所述负载盘(2)由底盘(21)和安装柱(22)组成，所述底盘(21)为正六边形，底盘(21)上设有与第一中心通孔(111)同轴的第二中心通孔(211)，所述安装柱(22)为两端开口的柱状结构，安装柱(22)底端开口的边缘与第一中心通孔(111)的边缘固定连接，安装柱(22)顶端开口贯穿第一中心通孔(111)伸出箱体(1)外且不与箱体(1)接触；
所述四个竖直压电传感器(3)沿底盘(21)的圆周均布，每个竖直压电传感器(3)沿Z向设置，一端与壳体(11)内部的顶面接触，另一端与底盘(21)的顶面边缘接触，壳体(11)、竖直压电传感器(3)和底盘(21)之间过约束连接，竖直压电传感器(3)用于测量Z向振动力、X向振动力矩和Y向振动力矩；
所述六个水平压电传感器(4)一端分别与底盘(21)的六个侧面接触，另一端分别与六个侧向定位板(5)的侧面接触，底盘(21)、水平压电传感器(4)和侧向定位板(5)之间过约束连接，六个水平压电传感器(4)设置在与Z向空间垂直的XOY平面内且沿圆周均布，水平压电传感器(4)用于测量X向振动力、Y向振动力和Z向振动力矩；
所述侧向定位板(5)的顶端固定在壳体(11)内部的顶面上；
所述信号装调装置(9)与四个竖直压电传感器(3)、六个水平压电传感器(4)均连接，信号装调装置(9)接收四个竖直压电传感器(3)和六个水平压电传感器(4)的电荷信号并将电荷信号转变为电压信号；
所述数据采集处理系统(10)采集信号装调装置(9)的电压信号，并对电压信号进行空间六维力解耦，得到三个振动力信号和三个振动力矩信号。
2.根据权利要求1所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括扰动源，所述扰动源固定在安装柱(22)内。
3.根据权利要求1所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，所述数据采集处理系统(10)能够根据三个振动力信号和三个振动力矩信号分析扰动源的振动特性。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，十个压电传感器相同，每个压电传感器由绝缘外壳(7)和两片压电陶瓷(8)组成，所述绝缘外壳(7)的上下表面设有贯通的中心通孔，所述压电陶瓷(8)设有与绝缘外壳(7)的通孔同轴的中心通孔，两片压电陶瓷(8)同轴叠放，置于绝缘外壳(7)内，两片压电陶瓷(8)的非接触面分别与绝缘外壳(7)内部的上下表面接触。
5.根据权利要求4所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，所述壳体(11)、竖直压电传感器(3)和底盘(21)通过螺栓(6)过约束连接，螺栓(6)贯穿绝缘外壳(7)和压电陶瓷(8)的中心通孔。
6.根据权利要求5所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，所述中心对称的两个竖直压电传感器(3)对应的两个螺栓(6)等力矩拧紧。
7.根据权利要求4所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，所述底盘(21)、水平压电传感器(4)和侧向定位板(5)通过螺栓(6)过约束连接，螺栓(6)贯穿绝缘外壳(7)和压电陶瓷(8)的中心通孔。
8.根据权利要求7所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，所述中心对称的两个水平压电传感器(4)对应的两个螺栓(6)等力矩拧紧。
9.根据权利要求1-3任何一项所述的六维力微振动测量系统，其特征在于，所述壳体(11)的侧面设有窗口(112)。
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