CN106289498B - 一种在线测量固体发动机振动的系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线测量固体发动机振动的系统及其方法，涉及机械加工制造以及光学测量领域。该系统是利用暗箱与挡片组成的测量模块来进行测量。暗箱内部包含发光二极管阵列、灯盒以及线阵CCD传感器。通过调节发光二极管的电流可以获得不同的发光亮度。灯盒正面有一条竖直狭缝，可以将发光二极管阵列发出的光变为线偏振光。线阵CCD传感器用来接收灯盒发出的光，最终通过被线阵CCD传感器接收的光信号来达到在线测量的目的。本发明克服了现有很多压电加速度计所不能避免的缺陷，同时也从根本上提高了测量精度，提高了测量效率。

Description

一种在线测量固体发动机振动的系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种固体火箭发动机测试技术，具体涉及一种在线测量固体发动机振动的系统及其方法，属于机械加工制造以及光学测量领域。
背景技术
发动机与试车架组成的系统，在发动机点火和关机时的冲击及整个工作过程中的不稳定燃烧作用下，都会产生振动。振动严重时，可能使发动机和试验设备结构强度下降、推进剂产生裂纹、弹上仪器设备失灵等。这不仅直接影响发动机的工作性能，甚至可能导致发动机试验和导弹飞行失败，因此对发动机试验中的振动测量是非常必要的。
发动机工作过程中所产生的振动，基本上是随机振动。随机振动的振幅和相位在每一瞬间的值是无法预测的。目前测量振动的普遍方法就是利用压电式加速度计。但是压电式加速度计也存在某些缺点，首先由于产生的电荷量少，产生的信号很弱而输出阻抗很高，输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷；其次受电场干扰严重，有电荷累计效应，对于连续的高频冲击、电荷累计效应使得压电加速度计不能连续响应，使输出饱和；再次由于晶体边缘上存在漏电现象，会产生电荷泄露，因此不能用于稳态、静态测量。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种在线测量固体发动机振动的系统及其方法，为固体发动机的振动参数的测量提出了一种新的方法，将测量精度提高到纳米量级，大大提高了振动测量的效率，并可测量固体发动机径向的振动，也可以同时测量发动机轴向以及切向的振动。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种在线测量固体发动机振动的系统，包括支撑机构、测量模块和数据处理模块组成，其中所述测量模块设置在所述支撑机构上，并与所述数据处理模块连接，通过测量模块接收发送固体动机的振动信号，然后传输到数据处理模块，最后由数据处理模块的软件将结果显示出来。其中支撑机构包括立杆、横杆以及长度调节机构；测量模块包括暗箱和挡片，暗箱与挡片固定在固体发动机的待测点位置；暗箱固定在立杆与横杆所组成的支撑机构上，暗箱内部包含发光二极管阵列、灯盒以及线阵CCD传感器；横杆由立杆支撑，通过立杆上的长度调节机构来调节横杆的高度，进而调节暗箱的高度；灯盒的正面有一条竖直狭缝，将发光二极管阵列发出的光变为线偏振光；挡片的一端固定在固体发动机顶部的待测位置，与暗箱非接触，挡片随着固体发动机的移动而移动，挡片的另一端放置于灯盒与线阵CCD传感器中间，挡片上有一条竖直狭缝，其长度与灯盒的狭缝长度相等，由狭缝控制穿过挡片被线阵CCD传感器接收的光的数量。
进一步，发光二极管阵列由波长550nm的发光二极管排列而成。
进一步，线阵CCD传感器由一系列线性排列的像元构成，像元方向与灯盒的狭缝方向相一致，通过像元来接收灯盒发出的光。
进一步，线阵CCD传感器同时与数据处理模块相连接，由数据处理模块来处理测量所得的数据。
进一步，长度调节机构为旋紧螺栓。
本发明还提供一种在线测量固体发动机振动的方法，由以下步骤完成：
a)将暗箱固定在上述系统中的横杆上，挡片固定在固体发动机顶部的待测位置。暗箱与挡片非接触，共同构成了该系统的测量模块。测量模块是振动测量系统的关键所在。
b)挡片的位置根据测试需求而变化，固定在固体发动机上方测量固体发动机轴向振动，或者固定在固体发动机两侧测量固体发动机切向的振动，或者固定在固体发动机的径向位置测量径向的振动，暗箱的位置根据挡片位置的变化相应变化；
c)通过挡片的上下移动位置，就可以确定穿过挡片的光的数量，由线阵CCD传感器接收到灯盒发出的光，得到固体发动机在径向/轴向/切向的振动频率及幅度。
本发明的有益效果为：
本发明对固体发动机的振动参数进行动态测量，利用狭缝原理将发光二极管的光线变换为水平方向的光，再利用线阵CCD传感器接收穿过挡片狭缝的光，最后通过计算机处理得到的数据，达到固体发动机轴向/径向/切向测量的目的。利用本发明测量固体发动机的振动参数，克服了传统振动压电加速度计产生的信号很弱而输出阻抗很高，输出的直流响应差的弊端；解决了振动加速度计受电场干扰严重，有电荷累计效应，对于连续的高频冲击、电荷累计效应使得压电加速度计不能连续响应，使输出饱和的问题；同时避免了由于晶体边缘上存在漏电现象，会产生电荷泄露，因此不能用于稳态、静态测量等问题。
附图说明
图1为本发明的一种固体发动机振动测量系统的结构图。
图2为灯盒外观图。
图3为挡片结构图。
具体实施方式
现根据图1以径向振动测量为例进行说明。在做完连接准备的固体发动机左右两侧放置两根立杆1，立杆1可以拉伸，用旋紧螺栓9调节高低。立杆1顶部位置加一根横杆2，横杆2上固定暗箱4，暗箱4中装有灯盒5以及线阵CCD传感器7，灯盒5中有发光二极管阵列3，发光二极管阵列3由波长550nm的发光二极管排列而成，通过调节发光二极管的电流可以获得不同的发光亮度。灯盒5正面有一条竖直狭缝，狭缝的作用是将发光二极管阵列3发出的光变为线偏振光。线阵CCD传感器7由一系列线性排列的像元构成，像元方向与灯盒5狭缝方向相一致，通过像元来接收灯盒5发出的光。在固体发动机8的待测位置上固定一块挡片6，挡片6另一端延伸到暗箱4中。挡片6上有一条竖直狭缝，其长度与灯盒5狭缝长度相等，由狭缝控制穿过挡片6被线阵CCD传感器7接收的光的数量。挡片6与暗箱4共同组成了测量模块。固体发动机点火试验过程中会产生随机振动，固定在固体发动机上的挡片6位置也会随着改变，透过挡片6狭缝的光也会随着发生变化，通过测量光线的变化量就能得到挡片6的偏移量，从而得到固体发动机的振动参数。在线测量固体发动机径向振动的方法的具体步骤如下：
a)将暗箱4固定在横杆2上，挡片6固定在固体发动机8顶部的待测位置。暗箱4与挡片6非接触，共同构成了测量模块。
b)通过挡片6的向上和向下的移动位置，就可以确定穿过挡片6的光的数量，由线阵CCD传感器7接收到灯盒5发出的光，得到固体发动机8在径向的振动频率及幅度，最后借助计算机数据处理软件分析测量数据，达到在线测量的目的。
暗箱4与挡片6组成的测量模块是本发明专利的主要部分，也是该技术方案的关键所在。利用狭缝的作用一方面很好的排除了外界透过暗箱4与挡片6之间间隙的杂散光对该系统的干扰，另一方面也通过狭缝来改变线阵CCD传感器7接收的光通量，从而达到固体发动机8振动测量的目的。在固体发动机8的测试中，通常需要测量的是轴向、径向和切向的振动，所以只要在需要测量的点布置任意数量的测量模块即可。通过与测量模块连接的计算机来处理获得的数据。利用光学测量的方法不仅克服了很多压电加速度计所不能避免的缺陷，同时也从根本上提高了测量精度，提高了测量效率。

Claims (6)

1.一种在线测量固体发动机振动的系统，其特征在于：包括支撑机构、测量模块和数据处理模块组成，其中所述测量模块设置在所述支撑机构上，并与所述数据处理模块连接；所述支撑机构包括立杆(1)、横杆(2)以及长度调节机构；所述测量模块包括暗箱(4)和挡片(6)，其中所述暗箱(4)与挡片(6)固定在固体发动机(8)的待测点位置；所述暗箱(4)固定在所述立杆(1)与所述横杆(2)所组成的所述支撑机构上，所述暗箱(4)内部包含灯盒(5)中的发光二极管阵列(3)以及线阵CCD传感器(7)；所述横杆(2)由所述立杆(1)支撑，通过立杆(1)上的长度调节机构来调节所述横杆(2)的高度，进而调节暗箱(4)的高度；所述灯盒(5)的正面有一条竖直狭缝，将所述发光二极管阵列(3)发出的光变为线偏振光；所述挡片(6)的一端固定在固体发动机(8)顶部的待测位置，与所述暗箱(4)非接触，所述挡片(6)随着所述固体发动机(8)的移动而移动，所述挡片(6)的另一端放置于所述灯盒(5)与所述线阵CCD传感器(7)中间，所述挡片(6)上有一条竖直狭缝，其长度与所述灯盒(5)的狭缝长度相等，由狭缝控制穿过所述挡片(6)被所述线阵CCD传感器(7)接收的光的数量。
2.根据权利要求1所述的在线测量固体发动机振动的系统，其特征在于：所述发光二极管阵列(3)由波长550nm的发光二极管排列而成。
3.根据权利要求1所述的在线测量固体发动机振动的系统，其特征在于：所述线阵CCD传感器(7)由一系列线性排列的像元构成，像元方向与所述灯盒(5)的狭缝方向相一致，通过像元来接收所述灯盒(5)发出的光。
4.根据权利要求1所述的在线测量固体发动机振动的系统，其特征在于：所述线阵CCD传感器(7)同时与数据处理模块相连接，由数据处理模块来处理测量所得的数据。
5.根据权利要求1所述的在线测量固体发动机振动的系统，其特征在于：所述长度调节机构为旋紧螺栓(9)。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的在线测量固体发动机振动的系统进行振动测量的方法，其特征在于，由以下步骤完成：
a)将暗箱(4)固定在横杆(2)上，挡片(6)固定在固体发动机(8)顶部的待测位置；
b)所述的挡片(6)的位置根据测试需求而变化，固定在固体发动机(8)上方测量固体发动机轴向振动，或者固定在固体发动机(8)两侧测量固体发动机切向的振动，或者固定在固体发动机(8)的径向位置测量径向的振动，暗箱(4)的位置根据挡片(6)位置的变化相应变化；
c)通过挡片(6)的向上和向下的移动位置确定穿过挡片(6)的光的数量，由线阵CCD传感器(7)接收到灯盒(5)发出的光，得到固体发动机(8)在轴向或者切向或者径向的振动频率及幅度，最后借助计算机进行数据处理测量数据。
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