CN108709629A - 基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置及方法，包括方形薄膜本体部分及控制部分，所述方形薄膜本体部分包括方形薄膜、压电陶瓷驱动器、激光位移传感器、压电传感器及超声波激振器，超声波激振器激振方形薄膜，振动检测部分检测方形薄膜的振动信息后发送给计算机，计算机经过相应处理后发送信号至振动控制部分，而后压电陶瓷驱动器对方形薄膜进行控制，从而实现对方形薄膜振动的测量与控制。
Description
技术领域
本发明涉及振动检测控制领域，具体涉及基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置及方法。
背景技术
方形薄膜具有轻质、抗振性好等优点，用于组成空间可展开薄膜天线。近年来，薄膜天线结构越来越多的应用于航天器上，其中空间可展开方形薄膜天线就是被广泛应用的一种。然而，由于太空环境的复杂性及方形薄膜的低刚度特性，这使得方形薄膜天线面临因薄膜整体结构振动而引发的噪声问题。在过去的20年里，科学家们投入大量的工作在薄膜结构的主动振动控制方面。比如说，Renno和Inman研究了基于压电陶瓷驱动器的薄膜的静态形变控制问题。这种接触式的压电陶瓷激振方式，由于是压电陶瓷与被测物直接接触产生激振，故而对实验结果会造成一定的误差。而本发明使用的超声波激振器作为激励输入设备，其具有电压稳定、频率可持续调节、恒功率输出等优点，能有效提高本实验的性能。
在研究方形薄膜的振动检测与振动控制的过程中，振动检测装置及方法、振动控制装置及方法在选用和实施上承担了极其关键的作用，其中振动检测环节的功能是感知被测物的振动状态，振动控制环节的功能是抑制被测物的振动状态。因此，振动检测装置、振动控制装置在选型及相应的振动检测方法、振动控制方法的实施上至关重要。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置及方法。
本装置超声波激振器激振方形薄膜，振动检测部分检测方形薄膜本体部分的振动信息后发送给计算机，计算机经过相应处理后发送信号至压电陶瓷驱动器，而后压电陶瓷驱动器对方形薄膜本体部分进行控制，从而实现对方形薄膜本体部分振动的测量与控制。
本发明采用如下技术方案：
一种基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置，包括方形薄膜本体部分及控制部分；
所述方形薄膜本体部分包括方形薄膜、激光位移传感器、压电传感器、压电陶瓷驱动器及超声波激振器；
所述方形薄膜垂直水平面设置，超声波激振器设置方形薄膜的后表面，所述激光位移传感器设置在方形薄膜的正前方，且激光透射点投射在方形薄膜的宽度方向的中线上，所述压电传感器及压电陶瓷驱动器粘贴在方形薄膜上；
所述控制部分包括计算机、电荷放大器、A/D采集卡、放大电路及D/A转换器，所述激光位移传感器与压电传感器检测方形薄膜表面的振动，信号经电荷放大器放大，经过A/D采集卡输入计算机，计算机得到控制信号输入D/A转换器，然后经放大电路驱动压电陶瓷驱动器抑制方形薄膜的振动。
还包括实验台架及实验台，所述方形薄膜的四边均固定在实验台架上，所述实验台架固定在实验台上。
所述激光位移传感器有三个，分别设置在传感器台座上，其工作面正对着方形薄膜的前表面。
所述压电传感器由两片压电陶瓷片构成，设置在方形薄膜的长度方向的中线上，并关于宽度方向中线对称。
所述压电陶瓷驱动器由多片压电陶瓷片构成，分别粘贴在方形薄膜的前后表面，且位于前后表面的左右两侧位置。
所述方形薄膜的前表面及后表面的左右两侧均粘贴四片压电陶瓷片。
一种基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置的方法，包括如下步骤：
打开超声波激振器发出超声波使方形薄膜产生振动，激光位移传感器在方形薄膜的正面产生透射点，激光位移传感器及压电传感器检测方形薄膜表面的振动信息，经由电荷放大器及A/D采集卡输入计算机；计算机通过振动检测信号得到控制信号，经经D/A转换器转换、放大电路放大后传送至压电陶瓷驱动器，而后压电陶瓷驱动器输出相应的控制力以抑制方形薄膜的振动；多次重复实验，将得到的数据进行整合求出算数平均，减小实验误差。
激光位移传感器采用直射式三角法测量方形薄膜的位移。
本发明的有益效果：
(1)本发明使用的超声波激振器作为激励输入设备，其具有电压稳定、频率可持续调节、恒功率输出等优点，能有效提高本实验的性能；
(2)本发明使用激光位移传感器及压电式传感器作为检测方形薄膜的振动检测装置，这种多传感器融合的检测方式，相较于单一种类传感器的振动检测方式，其优势在于：使用多传感器融合的检测方式，规避了单一种类传感器测量时的不足，有利于减小实验误差，提高精度；
(3)本发明选用压电陶瓷来抑制方形薄膜的振动。因方形薄膜具有低刚度特性，故而选用压电陶瓷作驱动器，它所产生的抑制力能有效抑制方形薄膜的振动，且不至于损坏薄膜表面。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例方形薄膜的主视图；
图3是本发明实施例的主视图；
图4是本发明实施例的俯视图；
图5是本发明实施例的左视图；
图6是本发明激光位移传感器的检测原理图。
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
图1-图5所示，一种基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置，包括方形薄膜本体部分及控制部分。
所述方形薄膜本体部分包括方形薄膜3、实验台架2、实验台9、压电陶瓷驱动器8、激光位移传感器6、压电传感器5及超声波激振器1；
所述方形薄膜的四边使用螺纹连接的方式固定在实验台架2上，所述实验台架固定在实验台上，使方形薄膜保持垂直水平面的状态，便于检测装置检测方形薄膜表面，所述实验台由铝型材等组成，起支撑作用。
所述超声波激振器，平稳放置在实验台上，其工作面正对方形薄膜的后表面，超声波激振器发出超声波使方形薄膜产生振动。
所述激光位移传感器，安装在传感器台座7上，其工作面正对方形薄膜的前表面，发射的激光投影点4在方形薄膜的中间部分，具体是在宽度方向的中线上，本实施例中选用三个激光位移传感器，成一字排列。
所述压电传感器安装在方形薄膜的正面，由两片压电陶瓷片构成，设置在方形薄膜的长度方向的中线上，并关于宽度方向中线对称。
工作时，激光位移传感器6与压电传感器5同时检测方形薄膜3表面的振动，信号经电荷放大器10放大、A/D采集卡11采集后传送给计算机12，经过多次反复实验可精确地计算得出方形薄膜的振动状态；这种多传感器融合的检测方式，相较于单一种类传感器的振动检测方式，其优势在于：使用多传感器融合的检测方式，规避了单一种类传感器测量时的不足，有利于减小实验误差，提高精度。
所述压电陶瓷驱动器有多个，贴装在方形薄膜的前表面及后表面，对称粘贴在左右两侧，本实施例中左、右两侧各粘贴四片压电陶瓷陶瓷驱动器，
所述控制部分包括计算机、电荷放大器、A/D采集卡、放大电路14及D/A转换器13，传感器检测信息，经过电荷放大器放大输入A/D采集卡进入计算机，计算机输出控制信号到D/A转换器，通过放大电路进一步驱动压电陶瓷驱动器抑制方形薄膜的振动。
打开超波激振器发出超声波使方形薄膜产生振动，使用超声波作为激励输入设备，具有电压稳定，频率可持续调节，恒功率输出等优点，方形薄膜在振动过程中，激光位移传感器检测方形薄膜表面的振动信息，同时压电传感器检测薄膜的振动信息与激光位移传感器的信息进行对比，减小误差，两个传感器检测的振动信息经过电荷放大器，通过A/D采集卡进入计算机。
图6所示，激光位移传感器检测方形薄膜表面的振动时，本发明是采用直射式三角法测量物体的位移，测量原理如下：
半导体激光器(LD)发出的光束经会聚透镜16垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成一个光点，光点在物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜15成像于CMOS上，如果被测物体产生位移或表面高低发生变化，将导致物体表面上的光点沿着激光束的方向产生移动，那么位置探测器件CMOS上的像点也会相应的随之移动，通过后续处理电路及运算公式就可求出物体产生的位移。为了保证测量的精度，要求光点所成的像完善聚焦于CMOS上，这样就必须满足Scheimpflug定律，即成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线。因此要求接收透镜光轴与CMOS接收表面之间必须有一夹角b，若像点在CMOS 上的移动距离为N，被测物体表面的移动距离为M。则满足
式中，l为激光束光轴的交点到接收透镜前主面的距离；l′为接收透镜后主面到成像中心点的距离；a为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。
计算机接收到信号后进行分析计算得到控制信号，经D/A转换器转换、放大电路放大后传送至压电陶瓷驱动器，而后压电陶瓷驱动器输出相应的控制力以抑制方形薄膜的振动。
在本实施例中，被测对象方形薄膜外接矩形框长为1050mm，宽为700mm，厚度为0.5mm，材料选用PVC(聚氯乙烯)，其杨氏模量为3.5GPa，泊松比为0.34，密度为1530kg/m3。
激光位移传感器选用基恩士公司生产的LJ-G5000系列高精度2D激光位移传感器，其精度高达+-0.1％F.S.，采样速率高达3.8ms。
超声波激振器选用深圳鑫和声波设备有限公司生产的型号为THD-M1的超声波激振器，其能产生的最高频率为40KHz，最大功率为2400W。
压电陶瓷驱动器长度为40mm，宽度为20mm，厚度为0.5mm，材料类型选用PZT-5H，介电常数为3200，压电电荷常数为640pC/N，电压常数-9.3×10-3V· m/N。
计算机选用中国台湾研华科技公司生产的IPC610机箱，PCA-6006主板， PentiumIV 2.4G Intel CPU。
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 (8)
1.一种基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置，其特征在于，包括方形薄膜本体部分及控制部分；
所述方形薄膜本体部分包括方形薄膜、激光位移传感器、压电传感器、压电陶瓷驱动器及超声波激振器；
所述方形薄膜垂直水平面设置，超声波激振器设置方形薄膜的后表面，所述激光位移传感器设置在方形薄膜的正前方，且激光透射点投射在方形薄膜的宽度方向的中线上，所述压电传感器及压电陶瓷驱动器粘贴在方形薄膜上；
所述控制部分包括计算机、电荷放大器、A/D采集卡、放大电路及D/A转换器，所述激光位移传感器与压电传感器检测方形薄膜表面的振动，信号经电荷放大器放大，经过A/D采集卡输入计算机，计算机得到控制信号输入D/A转换器，然后经放大电路驱动压电陶瓷驱动器抑制方形薄膜的振动。
2.根据权利要求1所述的方形薄膜振动检测控制装置，其特征在于，还包括实验台架及实验台，所述方形薄膜的四边均固定在实验台架上，所述实验台架固定在实验台上。
3.根据权利要求1所述的方形薄膜振动检测控制装置，其特征在于，所述激光位移传感器有三个，分别设置在传感器台座上，其工作面正对着方形薄膜的前表面。
4.根据权利要求1所述的方形薄膜振动检测控制装置，其特征在于，所述压电传感器由两片压电陶瓷片构成，设置在方形薄膜的长度方向的中线上，并关于宽度方向中线对称。
5.根据权利要求1所述的方形薄膜振动检测控制装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器由多片压电陶瓷片构成，分别粘贴在方形薄膜的前后表面，且位于前后表面的左右两侧位置。
6.根据权利要求5所述的方形薄膜振动检测控制装置，其特征在于，方形薄膜的前表面及后表面的左右两侧均粘贴四片压电陶瓷片。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于激光位移传感器的方形薄膜振动检测控制装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
打开超声波激振器发出超声波使方形薄膜产生振动，激光位移传感器在方形薄膜的正面产生透射点，激光位移传感器及压电传感器检测方形薄膜表面的振动信息，经由电荷放大器及A/D采集卡输入计算机；计算机通过振动检测信号得到控制信号，经经D/A转换器转换、放大电路放大后传送至压电陶瓷驱动器，而后压电陶瓷驱动器输出相应的控制力以抑制方形薄膜的振动；多次重复实验，将得到的数据进行整合求出算数平均，减小实验误差。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，激光位移传感器采用直射式三角法测量方形薄膜的位移。
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