CN107228748A - 基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置与方法，所述装置包括卫星天线本体部分、振动激励部分、振动检测部分、信号处理模块和计算机，信号处理模块发出信号给振动激励部分，振动激励部分激励卫星天线本体部分产生振动，振动检测部分对卫星天线本体部分的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机，经过图像处理和分析，得到卫星天线的振动信息。本发明的卫星天线结构振动测量装置由两个高速相机组成双目视觉系统，能够很好地对振动本体进行非接触式测量，不会给系统带来附加效应，使得系统的鲁棒性强，能够适应多种复杂的测量环境，因此测量获得的精度相对较高。
Description
技术领域
本发明涉及柔性结构振动测量领域，具体涉及一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置与方法。
背景技术
随着信息时代来临，信息之间的交互成为了当今世界紧密相连的一座重要的桥梁。信息化的发展促进了个人通信、高速网络、军事通信和移动通信等信息服务的快速增长。卫星天线作为信息交互中重要的一环，也向着大容量高速率的方向发展。军事领域上，大型卫星天线是检测、侦查系统中接收卫星信号的重要装置，在个人通信中，卫星电话的普及和小型卫星天线接收电视信号的便利，使得小型卫星天线的应用变得很普遍。一般来说，卫星天线的口径越大，接收质量越高，但是由于卫星天线的锅面是由柔性材料构成的较大的曲面，遇到风时，受到风的冲击作用，容易产生强烈振动。在卫星天线使用过程中，振动容易使卫星天线产生机械疲劳，在应力和应变作用下，在一处或者若干处产生损伤，经过一段时间后，当损伤累积到一定程度时，卫星天线的表面甚至支架就会产生裂纹或者是发生突发性断裂。振动不单只对卫星天线的正常工作受到影响，使信号接收质量降低，减少它的使用寿命，甚至会对卫星天线造成严重损坏致其报废，导致不必要的经济损失。在这样的一个背景下，抑制卫星天线的振动，提高卫星天线的抗振、抗风能力成为卫星天线领域里面一个重要的课题。
非接触式测量对比传统的传感器接触式测量有很多优点。它的抗干扰性强，对被测对象无损，不影响被测对象的动态性能，也不会因为对被测物体增加附加质量而影响它的正常工作。在面对一些特殊的不可接触的物体(例如高温物体)时，接触性测量就“束手无策”了，而非接触式测量就可以“一展所长”。但是，非接触式测量的精度普遍比接触式测量要低。在测量振动的领域，非接触式测量是一种简单而有效的测振方法，常见的有激光测振仪、激光传感器、双目视觉系统等方法，具有测量精度高、响应速度快等优点。其中，由两个高速相机组成的双目视觉系统测振方法随着图像处理和分析的技术的发展和成熟越来越成为一种简单便捷的具有很高实用价值的测振方法。双目视觉系统测振方法具有很多的优点：首先，这种测量方法结构简单，不需要激光光源和其它的辅助装置；其次，高速相机测量振动是一种多点测量方法，相对比于一些单点测量的方法，高速相机测量振动在测量多个点的模态变化的时候具有很大的优势，只要高速相机的分辨率和拍摄频率足够高，拍摄的范围足够大，只需要在被测范围里面作上若干个标记点，它可以在一个范围里面精确测量多个点的振动，获取多个点的模态信息；最后，双目视觉系统可以对被测物体的振动的多阶模态进行解耦，可以将复杂的多阶模态简化为多个一阶模态的叠加，将振动的信息更加直观地表现出来。
发明内容
本发明的目的是针对现有的卫星天线结构振动测量技术的缺点与不足，提供了一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，采用高速相机组成的双目视觉系统对卫星天线表面被测区域的标志点进行高频拍摄，获取图像序列，配合相应图像处理、分析，获取卫星天线的振动信息。
本发明的另一目的在于提供一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量方法。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，包括卫星天线本体部分、振动激励部分、振动检测部分、信号处理模块和计算机，所述卫星天线本体部分包括卫星天线和底座，卫星天线通过底座固定连接在实验台Ⅰ上，在卫星天线表面还喷涂有振动检测的标志点；所述振动激励部分包括两个激振器，两个激振器对称安装在卫星天线的底部两侧，固定在实验台Ⅰ上，并通过激振器顶杆连接到卫星天线的支架；所述振动检测部分包括两个高速相机组成的双目视觉系统，两个高速相机分别通过两个支撑架安装在两个滑块上，两个滑块能够在导轨上移动，导轨固定在实验台Ⅱ上，双目视觉系统的镜头对准卫星天线表面振动检测的标志点；信号处理模块发出信号给振动激励部分，振动激励部分激励卫星天线本体部分产生振动，振动检测部分对卫星天线本体部分的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机，经过图像处理和分析，得到卫星天线的振动信息。
进一步地，所述信号处理模块包括功率放大器和信号发生器。
进一步地，信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送给两个激振器，两个激振器分别通过激振器顶杆激励卫星天线产生振动，在卫星天线振动的过程中，由两个高速相机组成的双目视觉系统对卫星天线的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机，经过图像处理和分析，得到卫星天线的振动信息。
进一步地，所述卫星天线表面的振动检测标志点的数量和位置能够根据卫星天线的形状大小以及测量者想要获得的卫星天线的振动信息来自行设计。
进一步地，所述两个激振器分别通过激振器顶杆激励卫星天线弯曲模态振动和扭转模态振动；当两个激振器接收到与弯曲模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器按相同信号且相位相同激励，则激励产生卫星天线的弯曲振动；当两个激振器接收到与扭转模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器按相同信号且相位相反激励，则激励产生卫星天线的扭转振动。
本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送给两个激振器，两个激振器分别通过激振器顶杆激励卫星天线产生振动；
步骤二、在卫星天线振动的过程中，由两个高速相机组成的双目视觉系统对卫星天线的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机，经过图像处理和分析，得到卫星天线的振动信息。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明的卫星天线结构振动测量装置由两个高速相机组成双目视觉系统，能够很好地对振动本体进行非接触式测量，不会给系统带来附加效应，使得系统的鲁棒性强，能够适应多种复杂的测量环境，因此测量获得的精度相对较高。
2、卫星天线因其体积大，振型复杂，如果用单点测量方式无法对其进行经济、有效地测量，本发明的卫星天线结构振动测量装置采用双目视觉系统的多点测量方式对卫星天线本体进行监测，通过改变标志点的数量和在卫星天线上的位置，能够对卫星天线的多阶模态耦合振动进行解耦，较准确地还原振动本体的振动情况。
3、本发明采用导轨、滑块、支撑架组成的可水平位移的支架装置，配合可调整角度的支架，组成一个可水平位移，角度可调的双目视觉系统，对卫星天线可以进行多角度，多方位的测量，在多次实验中，以不同角度和位置测量卫星天线的振动，可以获得更精准的卫星天线振动特性。
附图说明
图1为本发明实施例1基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置总示意图。
图2为本发明实施例1基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置俯视图。
图3为本发明实施例1基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置正视图。
图4为本发明实施例1基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置中振动检测部分的示意图。
其中，1-卫星天线，2-底座，3-实验台Ⅰ，4-激振器，5-高速相机，6-支撑架，7-导轨，8-滑块，9-实验台Ⅱ，10-计算机，11-功率放大器，12-信号发生器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1-图3所示，本实施例提供了一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，包括卫星天线本体部分、振动激励部分、振动检测部分、信号处理模块和计算机(10)，所述卫星天线本体部分包括卫星天线(1)和底座(2)，卫星天线(1)通过底座(2)固定连接在实验台Ⅰ(3)上，卫星天线(1)的中轴线与水平面形成一个大概65°的角度，在卫星天线(1)表面还喷涂有振动检测的标志点；所述振动激励部分包括两个激振器(4)，两个激振器(4)对称安装在卫星天线(1)的底部两侧，两个激振器(4)之间的距离大概为1000mm，固定在实验台Ⅰ(3)上，并通过激振器顶杆连接到卫星天线(1)的支架；所述振动检测部分的示意图如图4所示，包括两个高速相机(5)组成的双目视觉系统，两个高速相机(5)分别通过两个支撑架(6)安装在两个滑块(8)上，两个滑块(8)能够在导轨(7)上移动，导轨(7)固定在实验台Ⅱ(9)上，双目视觉系统的镜头对准卫星天线(1)表面振动检测的标志点；信号处理模块发出信号给振动激励部分，振动激励部分激励卫星天线本体部分产生振动，振动检测部分对卫星天线本体部分的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机(10)，经过图像处理和分析，得到卫星天线(1)的振动信息。
其中，所述信号处理模块包括功率放大器(11)和信号发生器(12)。信号发生器(12)发出振动信号，经功率放大器(11)放大后发送给两个激振器(4)，两个激振器(4)分别通过激振器顶杆激励卫星天线(1)产生振动，在卫星天线(1)振动的过程中，由两个高速相机(5)组成的双目视觉系统对卫星天线(1)的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机(10)，经过图像处理和分析，得到卫星天线(1)的振动信息。
进一步地，所述卫星天线(1)表面的振动检测标志点的数量和位置能够根据卫星天线(1)的形状大小以及测量者想要获得的卫星天线(1)的振动信息来自行设计。所述两个激振器(4)分别通过激振器顶杆激励卫星天线(1)弯曲模态振动和扭转模态振动；当两个激振器(4)接收到与弯曲模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器(4)按相同信号且相位相同激励，则激励产生卫星天线(1)的弯曲振动；当两个激振器(4)接收到与扭转模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器(4)按相同信号且相位相反激励，则激励产生卫星天线(1)的扭转振动。
在本实施例中，激振器(4)选用美国GST公司生产的型号为JZK-50的激振器，此激振器最大激振力为500N，最大振幅为±12.5mm，最大加速度为55g，最大输入电流为30Arms，频率范围为DC-2k，外形尺寸为Φ240mm×345mm，输出方式是由激振器顶杆传输力到卫星天线支架上。卫星天线(1)的曲面半径为1800mm，“锅口”的截面半径为1500mm，高度约为2000mm，支架和卫星天线锅均由铝作为材料，表面镀锌。高速相机(5)选用日本Photron公司的型号为FASTCAM-SA4的高速摄像机，拍照速率在图像分辨率为1024×1024像素时可以达到3600fps，在图像分辨率为512×512像素时可以达到13500fps，在图像分辨率为256×256像素时可以达到45000fps，在图像分辨率为128×128像素时可以达到125000fps，在图像分辨率为128×16像素时可以达到500000fps，内存为64GB，工作温度范围为0～40摄氏度，重量约为5.9kg，需要的电源为100V～240V AC～1.5A，50～60Hz。功率放大器(11)采用美国AR公司的型号为50WD1000的功率放大器，工作频率为DC～1000MHz。
实施例2：
本实施例提供了一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、信号发生器(12)发出振动信号，经功率放大器(11)放大后发送给两个激振器(4)，两个激振器(4)分别通过激振器顶杆激励卫星天线(1)产生振动；
步骤二、在卫星天线(1)振动的过程中，由两个高速相机(5)组成的双目视觉系统对卫星天线(1)的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机(10)，经过图像处理和分析，得到卫星天线(1)的振动信息。
通过改变激振的参数，反复实验，获取多次实验结果，就可以得到卫星天线(1)的振动特性。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，其特征在于：包括卫星天线本体部分、振动激励部分、振动检测部分、信号处理模块和计算机，所述卫星天线本体部分包括卫星天线和底座，卫星天线通过底座固定连接在实验台Ⅰ上，在卫星天线表面还喷涂有振动检测的标志点；所述振动激励部分包括两个激振器，两个激振器对称安装在卫星天线的底部两侧，固定在实验台Ⅰ上，并通过激振器顶杆连接到卫星天线的支架；所述振动检测部分包括两个高速相机组成的双目视觉系统，两个高速相机分别通过两个支撑架安装在两个滑块上，两个滑块能够在导轨上移动，导轨固定在实验台Ⅱ上，双目视觉系统的镜头对准卫星天线表面振动检测的标志点；信号处理模块发出信号给振动激励部分，振动激励部分激励卫星天线本体部分产生振动，振动检测部分对卫星天线本体部分的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机，经过图像处理和分析，得到卫星天线的振动信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，其特征在于：所述信号处理模块包括功率放大器和信号发生器。
3.根据权利要求2所述的一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，其特征在于：信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送给两个激振器，两个激振器分别通过激振器顶杆激励卫星天线产生振动，在卫星天线振动的过程中，由两个高速相机组成的双目视觉系统对卫星天线的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机，经过图像处理和分析，得到卫星天线的振动信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，其特征在于：所述卫星天线表面的振动检测标志点的数量和位置能够根据卫星天线的形状大小以及测量者想要获得的卫星天线的振动信息来自行设计。
5.根据权利要求1所述的一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量装置，其特征在于：所述两个激振器分别通过激振器顶杆激励卫星天线弯曲模态振动和扭转模态振动；当两个激振器接收到与弯曲模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器按相同信号且相位相同激励，则激励产生卫星天线的弯曲振动；当两个激振器接收到与扭转模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器按相同信号且相位相反激励，则激励产生卫星天线的扭转振动。
6.一种基于非接触式测量的卫星天线结构振动测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送给两个激振器，两个激振器分别通过激振器顶杆激励卫星天线产生振动；
步骤二、在卫星天线振动的过程中，由两个高速相机组成的双目视觉系统对卫星天线的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机，经过图像处理和分析，得到卫星天线的振动信息。
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