CN108801440A - 柔性板弯曲振动检测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性板弯曲振动检测控制装置及方法，所述装置包括至少两块柔性板、振动检测机构、驱动机构和控制组件；所有柔性板通过柔性铰链依次铰接在一起，形成柔性铰接板；振动检测机构包括视觉系统、支架、至少一个加速度传感器、至少两片压电传感器和至少两台激光位移传感器，视觉系统设置在支架上，每个加速度传感器设置在其中一块柔性板上，每片压电传感器设置在对应的柔性板上，每台激光位移传感器对准对应的柔性板；驱动机构包括压电驱动器和气浮平衡系统，压电驱动器设置在一块柔性板上，气浮平衡系统与至少一块柔性板连接。本发明有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，能够充分反映柔性铰接板振动模态的全局特性。

Description

柔性板弯曲振动检测控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种振动检测控制装置，尤其是一种柔性板弯曲振动检测控制装置及方法，属于柔性结构的运动和振动控制领域。

背景技术

在当代经济飞速发展的同时，航天领域各项技术也得到了迅速的发展。柔性化、大型化、低刚度是各类航天结构的一个重要发展趋势，柔性结构可以增加有效载荷的重量，提高运载工具的效率；大型结构可以增加空间的功能性和航天器设计、制造的灵活性。在航天航空领域，需要使用大量的太阳能帆板，实际中的太阳能帆板由多块矩形帆板连接而成，第一块帆板的一段与航天器相连接，另一端通过铰链与第二块帆板相连接，第二块帆板则以同样的方式与第三块帆板相连接；这样，多块矩形帆板连接构成了太阳能帆板。在此连接条件下，太阳能帆板具有大跨度和高柔性的特点。而在无外阻的太空环境下，极易受到外部激励作用而产生持续时间较长的低频大幅值振动，因此，对大型柔性结构的振动分析和控制研究是很有必要的。

近年来，柔性结构的振动主动控制成为当今世界研究的重点及热点课题。加速度传感器质量轻，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强系统鲁棒性。由于加速度传感器的应用会给系统引进大量的高频噪声信号，因此要进行滤波处理。压电陶瓷材料具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等优点，特别适合用于柔性板等挠性结构的振动控制应用。激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成，能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，可以测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。使用激光位移传感器可以在不增加柔性板负载的情况下进行振动信号检测。

柔性铰链(或称柔性轴承)是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，具有和几何中心轴重合的回转中心，依靠在圆周径向均布的弹性薄片的有限变形进行工作。在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生回转运动。二十世纪六十年代前后，由于航空航天技术的发展，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构上具有微小型化的要求。人们在经过对各类型的弹性支撑实验探索后，逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵活的柔性铰链。柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种柔性板弯曲振动检测控制装置，该装置有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，为研究铰链连接对于柔性铰接板振动的影响提供了良好的条件，有效减轻柔性铰接板的负载效应，使得测量的数据更加精确，得到的柔性铰接板振动信息更加完整，能够充分反映柔性铰接板振动模态的全局特性。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的柔性板弯曲振动检测控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

柔性板弯曲振动检测控制装置，包括至少两块柔性板、振动检测机构、驱动机构和控制组件；

所述至少两块柔性板垂直于水平面，并通过柔性铰链依次铰接在一起，形成柔性铰接板；

所述振动检测机构包括视觉系统、支架、至少一个加速度传感器、至少两片压电传感器和至少两台激光位移传感器，所述视觉系统设置在支架上，用于检测各柔性板之间的柔性铰链，每个加速度传感器设置在其中一块柔性板上，所述压电传感器、激光位移传感器和柔性板均为一一对应，每片压电传感器设置在对应的柔性板上，每台激光位移传感器对准对应的柔性板；

所述驱动机构包括压电驱动器和气浮平衡系统，压电驱动器设置在一块柔性板上，所述气浮平衡系统与至少一块柔性板连接；

所述控制组件分别与视觉系统、加速度传感器、压电传感器、激光位移传感器、压电驱动器、气浮平衡系统连接。

进一步的，所述气浮平衡系统包括至少一个气浮垫和气动回路，每个气浮垫与其中一块柔性板的下端连接，所述气动回路与气浮垫连接，用于向气浮垫提供加压气体。

进一步的，所述气动回路包括气泵、气动三联件和开关阀，所述气泵、气动三联件和开关阀依次连接，所述开关阀与气浮垫连接。

进一步的，所述装置还包括第一支撑平台，所述第一支撑平台设置在气浮垫的下方，所述气动回路向气浮垫提供加压气体后，使气浮垫与第一支撑平台之间形成一层薄膜。

进一步的，所述视觉系统包括至少一台工业相机、至少一个云台、至少一个滑块以及一条导轨，所述导轨固定在支架上，所述工业相机、云台和滑块均为一一对应，每个滑块滑动设置在导轨上，每台工业相机的镜头竖直向下对准相邻两块柔性板之间的柔性铰链，且每台工业相机设置在对应的云台上，每个云台固定在对应的滑块上。

进一步的，所述控制组件包括计算机、运动控制卡、端子板、传感器控制器、驱动电路、压电放大器和电荷放大器，所述计算机、运动控制卡和端子板依次连接，所述运动控制卡分别与传感器控制器、驱动电路连接，所述端子板分别与压电放大器、电荷放大器连接；

所述计算机与视觉系统连接，所述传感器控制器与激光位移传感器连接，所述驱动电路与气浮平衡系统连接，所述压电放大器与压电驱动器连接，所述电荷放大器分别与加速度传感器、压电传感器连接。

进一步的，所述柔性铰链包括上柔性铰链和下柔性铰链。

进一步的，所述装置还包括夹紧部件、支座和平板，所述夹紧部件夹紧其中一块柔性板的一端，并通过支座固定在平板上。

进一步的，所述装置还包括第二支撑平台，所述激光位移传感器固定在第二支撑平台上。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述装置的柔性板弯曲振动检测控制方法，所述方法包括：

视觉系统的每台工业相机检测相邻两块柔性板之间的柔性铰链附近位移变化，每个加速度传感器检测所在柔性板自由端边缘的振动信号，每片压电传感器检测对应柔性板固定端附近的弯曲振动，每台激光位移传感器检测对应柔性板自由端附近的弯曲振动；

将工业相机检测到的振动信号直接输入至计算机中；将加速度传感器检测的振动信号经过电荷放大器放大处理后，经由端子板的传输，输出至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；将压电传感器检测到的振动信号经过电荷放大器放大处理后，经由端子板的传输，输出至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；将激光位移传感器检测到的振动信号通过传感器控制器传输至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

计算机根据检测到的振动信号，运行相应的主动控制算法，得到相应的振动反馈信号经由运动控制卡的D/A转换模块输出，再通过端子板的信息传递，经过压电放大器放大信号，输出到压电驱动器中进行响应，控制柔性铰接板的振动；

通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到柔性铰接板的振动特性及控制效果。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过合理的机械结构设计，将至少两块完全相同的柔性板垂直于水平面，并通过柔性铰链依次铰接，形成柔性铰接板，其动力学特性与实际的太阳能帆板结构更为接近，有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，为研究铰链连接对于柔性铰接板振动的影响提供了良好的条件；同时，采用压电陶瓷片传感器和加速度传感器的接触测量方式检测柔性铰接板振动信号，以及采用激光位移传感器和工业相机的非接触测量方式时检测柔性铰接板振动信号，相比其他单一检测装置，采用接触式测量与非接触式测量相结构的多传感器融合，有效减轻柔性铰接板的负载效应，使得测量的数据更加精确，得到的柔性铰接板振动信息更加完整，能够充分反映柔性铰接板振动模态的全局特性。

2、本发明的视觉系统设置了工业相机，可以对相邻两块柔性板之间的柔性铰链竖直平面内位移进行检测，通过对比不同铰链铰接的柔性板振动特性，全面分析出柔性铰接板整体的振动模态。

3、本发明的视觉系统还设置了云台、滑块以及导轨，导轨以水平方向放置的方式固定在支架上，滑块滑动设置在导轨上，工业相机通过云台固定在滑块上，因此通过滑块可以调整工业相机对于柔性铰接板的位置，通过云台可以简便地通过云台来调整工业相机的姿态，从而使测量得到的信号更加精确、完整。

4、本发明设计了一套气浮平衡系统，通过气动回路驱动气浮垫喷气产生一层气体薄膜，以平衡各柔性板产生的较大重力，有效地消除了柔性铰接板自重对于柔性铰接板本体振动模态的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1的柔性板弯曲振动检测控制装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的柔性板弯曲振动检测控制装置的主视图。

图3为本发明实施例1的柔性板弯曲振动检测控制装置的俯视图。

图4为本发明实施例1的柔性板弯曲振动检测控制装置的右视图。

图5为本发明实施例1的柔性铰接板的结构示意图。

图6为本发明实施例1的激光位移传感器的结构示意图。

图7为本发明实施例1的视觉系统安装在支架上的结构示意图。

图8为本发明实施例1的柔性板弯曲振动检测控制方法流程图。

其中，1-第一柔性板，2-第二柔性板，3-第三柔性板，4-第四柔性板，5-视觉系统，501-第一工业相机，502-第二工业相机，503-第三工业相机，504-第一云台，505-第二云台，506-第三云台，507-第一滑块，508-第二滑块，509-第三滑块，510-导轨，6-支架，601-竖直支撑杆，602-水平支撑杆，7-第一加速度传感器，8-第二加速度传感器，9-第一压电传感器，10-第二压电传感器，11-第三压电传感器，12-第四压电传感器，13-第一激光位移传感器，14-第二激光位移传感器，15-第三激光位移传感器，16-第四激光位移传感器，17-压电驱动器，18-第一柔性铰链，19-第二柔性铰链，20-第三柔性铰链，21-夹紧部件，22-支座，23-平板，24-第一气浮垫，25-第二气浮垫，26-气泵，27-气动三联件，28-开关阀，29-第一支撑平台，2901-第一基板，2902-第一支撑脚，30-第二支撑平台，3001-第二基板，3002-第二支撑脚，3003-横向支撑杆，31-第一底座，32-第二底座，33-第三底座，34-第四底座，35-计算机，36-运动控制卡，37-端子板，38-传感器控制器，39-驱动电路，40-压电放大器，41-电荷放大器。

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4所示，本实施例提供了一种柔性板弯曲振动检测控制装置，该装置包括第一柔性板1、第二柔性板2、第三柔性板3、第四柔性板4、振动检测机构、驱动机构和控制组件，振动检测机构包括视觉系统5、支架6、第一加速度传感器7、第二加速度传感器8、第一压电传感器9、第二压电传感器10、第三压电传感器11、第四压电传感器12、第一激光位移传感器13、第二激光位移传感器14、第三激光位移传感器15和第四激光位移传感器16，驱动机构包括压电驱动器17和气浮平衡系统，图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

如图1～图5所示，第一柔性板1、第二柔性板2、第三柔性板3和第四柔性板4均具有第一端以及与第一端相反的第二端，其中第一端为固定端，第二端为自由端；第一柔性板1、第二柔性板2、第三柔性板3和第四柔性板4垂直于水平面，并通过柔性铰链从左到右依次铰接，形成一块柔性铰接板，具体地，第一柔性板1的第二端通过第一柔性铰链18与第二柔性板2的第一端铰接，第二柔性板2的第二端通过第二柔性铰链19与第三柔性板3的第一端铰接，第三柔性板3的第二端通过第三柔性铰链20与第三柔性板4的第一端铰接，第一柔性铰链18、第二柔性铰链19和第三柔性铰链20均具有上、下两块柔性铰链；第一加速度传感器7安装在第二柔性板2上，具体安装在第二柔性板2宽度方向中线上且距第二端(自由端)的40mm处，第二加速度传感器8安装在第四柔性板4上，具体安装在第四柔性板4宽度方向中线上且距第二端(自由端)的40mm处，第一压电传感器9安装在第一柔性板1上，具体安装在第一柔性板1宽度方向中线上且距第一端(固定端)150mm处，姿态角为0°，单面粘贴，可用于检测第一柔性板1的振动信息，第二压电传感器10安装在第二柔性板2上，具体安装在第二柔性板2宽度方向中线上且距第一端(固定端)150mm处，姿态角为0°，单面粘贴，可用于检测第二柔性板2的振动信息，第三压电传感器11安装在第三柔性板3上，具体安装在第三柔性板3宽度方向中线上且距第一端(固定端)150mm处，姿态角为0°，单面粘贴，可用于检测第三柔性板3的振动信息，第四压电传感器12安装在第四柔性板4上，具体安装在第四柔性板4宽度方向中线上且距第一端(固定端)150mm处，姿态角为0°，单面粘贴，可用于检测第四柔性板4的振动信息，压电驱动器17安装在第一柔性板1上，具体沿第一柔性板1的宽度方向中线对称粘贴在第一柔性板1靠近固定端70mm处，姿态角为0°，双面粘贴，每面六片，共计十二片，用于通过第一柔性板1抑制柔性铰接板的振动。

为了稳定支撑第一柔性板1、第二柔性板2、第三柔性板3和第四柔性板4，本实施例的柔性板弯曲振动检测控制装置还包括夹紧部件21、支座22和平板23，夹紧部件21夹紧第一柔性板1的第一端(固定端)，并通过支座22固定平板23上。

所述气浮平衡系统包括第一气浮垫24、第二气浮垫25和气动回路，第一气浮垫24与第二柔性板2的下端连接，具体与第二柔性板2的下端中线边缘连接，第二气浮垫25与第四柔性板4的下端连接，与第四柔性板4的下端中线边缘连接，气动回路分别与第一气浮垫24、第二气浮垫25连接，用于向第一气浮垫24、第二气浮垫25提供加压气体，使整块柔性铰接板保持平衡，气动回路包括气泵26、气动三联件27和开关阀28，气泵26、气动三联件27和开关阀28依次连接，开关阀28采用二位三通阀，其分别与第一气浮垫24、第二气浮垫25连接，第一气浮垫24和第二气浮垫25由气动回路驱动喷气产生一层气体薄膜，对第二柔性板2和第四柔性板4进行重力支撑，使整块柔性铰接板保持平衡。

由于柔性铰接板距离平板23有一定距离，为了使第一气浮垫24、第二气浮垫25更好地产生气体薄膜，本实施例的柔性板弯曲振动检测控制装置还包括第一支撑平台29，第一支撑平台29采用大理石材料制成，设置在第一气浮垫24、第二气浮垫25的下方，第一支撑平台29与第一气浮垫24、第二气浮垫25有1mm的间距，气动回路向第一气浮垫24、第二气浮垫25提供加压气体后，使第一气浮垫24、第二气浮垫25与第一支撑平台29之间形成一层气体薄膜；进一步地，第一支撑平台29包括第一基板2901和四根第一支撑脚，四根第一支撑脚分别与第一基板2901的下表面固定连接，气动回路向第一气浮垫24、第二气浮垫25提供加压气体后，使第一气浮垫24、第二气浮垫25与第一基板2901的上表面之间形成一层气体薄膜。

在本实施例中，第一柔性板1、第二柔性板2、第三柔性板3和第四柔性板4的的材料、尺寸等参数完全相同，均为环氧树脂材料薄板，几何尺寸为500mm×500mm×2mm。环氧树脂的弹性模量为Ep＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m³；第一柔性铰链18、第二柔性铰链19和第三柔性铰链20的上、下两块柔性铰链尺寸为99mm×71.5mm×2mm；第一加速度传感器7和第二加速度传感器8选用Kistler公司的型号为8310B2的电容式传感器，其标称灵敏度为1000mv/g，测量频率范围为0-250Hz；第一压电传感器9、第二压电传感器10、第三压电传感器11和第四压电传感器12由压电陶瓷材料构成，几何尺寸为30mm×10mm×1mm；压电驱动器17由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为50mm×15mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为Ep＝63Gpa，d31＝-166pm/V；气动三联件27包括空气过滤器、减压阀和油雾器，采用日本SMC的，型号AC40，最高使用压力1MPa，设定压力范围0.05-0.85MPa，过滤精度5m，使用油透平一号油(ISO VG32)。

如图1～图6所示，第一激光位移传感器13对准第一柔性板1，具体地，对准第一柔性板1的宽度方向中线上的第二端(自由端)边缘，用于检测第一柔性板1第二端(自由端)附近的弯曲振动，第二激光位移传感器14对准第二柔性板2，具体地，对准第二柔性板2的宽度方向中线上的第二端(自由端)边缘，用于检测第二柔性板2第二端(自由端)附近的弯曲振动，第三激光位移传感器15对准第三柔性板3，具体地，对准第三柔性板3的宽度方向中线上的第二端(自由端)边缘，用于检测第三柔性板3第二端(自由端)附近的弯曲振动，第四激光位移传感器16对准第四柔性板4，具体地，对准第四柔性板4的宽度方向中线上的第二端(自由端)边缘，用于检测第四柔性板4第二端(自由端)附近的弯曲振动，

为了使第一激光位移传感器13、第二激光位移传感器14、第三激光位移传感器15和第四激光位移传感器16能够稳定工作，本实施例的柔性板弯曲振动检测控制装置还包括第二支撑平台30，第一激光位移传感器13、第二激光位移传感器14、第三激光位移传感器15和第四激光位移传感器16垂直于水平面依次设置，并固定在第二支撑平台30上；进一步地，第二支撑平台30包括第二基板3001和四根第二支撑脚3002，四根第二支撑脚3002分别与第二基板3001的下表面固定连接，相邻的两根第二支撑脚3002之间设有横向支撑杆3003，使得整个支撑平台30更稳固，其中第一激光位移传感器13通过第一底座31固定在第二基板3001的上表面，第二激光位移传感器14通过第二底座32固定在第二基板3001的上表面，第三激光位移传感器15通过第三底座33固定在第二基板3001的上表面，第四激光位移传感器16通过第四底座34固定在第二基板3001的上表面。

在本实施例中，第一激光位移传感器13、第二激光位移传感器14、第三激光位移传感器15、第四激光位移传感器16采用型号相同的由日本基恩士(KEYENCE)公司生产的激光位移传感器，每台激光位移传感器和传感器控制器38构成一套激光位移检测设备，每套激光位移检测设备分别由一个激光探头(激光位移传感器)、一个传感器控制器和一根延长电缆组成，其型号分别为LK-500、LK-2500和LK-C2；每台激光位移传感器采用24V直流电源供电，提供长距离和高精度两种测量模式，可以根据不同的测量环境和对象，在传感器控制器38上进行测量模式的选择；长距离测量模式下，其重复精度为50μm，激光探头和被测表面的基准距离为500mm，测量量程为-250～+250mm，对应的模拟输出电压为-5～+5V。在高精度测量模式下，其重复精度为10μm，激光探头和被测表面的基准距离为350mm，测量量程为-100～+100mm，对应的模拟输出电压为-10～+10V；因此，使用长距离测量模式可以将激光探头安装在距离被测物一定距离之外的位置，或者得到一个较大的测量范围，而使用高精度测量模式可以获得高分辨率；对于两种测量模式，激光位移检测设备的线性度为±0.1％，采样周期为24μs，当被测表面与激光探头之间的距离超过测量范围时，其模拟输出电压都将保持为12V；第二支撑平台30由三种长度分别为2000mm、600mm、500mm的铝型材组装而成，第二基板3001为一块2120mm×720mm×8mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

如图1～图5、图7所示，所述视觉系统5设置在支架6上，用于检测各柔性板之间的柔性铰链，所述支架6包括两根竖直支撑杆601和一根水平支撑杆602，两根竖直支撑杆601的一端分别与水平支撑杆602的两端的固定连接，两根竖直支撑杆601的另一端固定在平板23上，本实施例的视觉系统5为三目视觉系统，其包括第一工业相机501、第二工业相机502、第三工业相机503、第一云台504、第二云台505、第三云台506、第一滑块507、第二滑块508、第三滑块509和导轨510，导轨510固定在支架6上，具体固定在支架6的水平支撑杆602上，第一滑块507、第二滑块508和第三滑块509滑动设置在导轨510上，即第一滑块507、第二滑块508和第三滑块509沿导轨510移动，第一工业相机501的镜头竖直向下对准第一柔性铰链18的上柔性铰链，用于检测第一柔性铰链18附近位移变化(附近的第一柔性板1和第二柔性板2上端微小位移变化量)，第二工业相机502的镜头竖直向下对准第二柔性铰链19的上柔性铰链，用于检测第二柔性铰链19附近位移变化(附近的第二柔性板2和第三柔性板3上端微小位移变化量)，第三工业相机503的镜头竖直向下对准第三柔性铰链20的上柔性铰链，用于检测第三柔性铰链20附近位移变化(附近的第三柔性板3和第四柔性板4上端微小位移变化量)，第一云台504、第二云台505和第三云台506均为球形云台，第一工业相机501设置在第一云台504上，使得第一工业相机501的镜头角度可以通过第一云台504自由调整，第二工业相机502设置在第二云台505上，使得第二工业相机502的镜头角度可以通过第二云台504自由调整，第三工业相机503设置在第三云台506上，使得第三工业相机503的镜头角度可以通过第三云台506自由调整，第一云台504固定在第一滑块507上，第二云台505固定在第二滑块508上，第三云台506固定在第三滑块509上，也就是说通过调整第一滑块507、第二滑块508和第三滑块509的位置，可以相应调整第一工业相机501、第二工业相机502和第三工业相机503的位置，即第一工业相机501、第二工业相机502和第三工业相机503的竖直方向固定，水平方向可自动移动。

所述控制组件包括计算机35、运动控制卡36、端子板37、传感器控制器38、驱动电路39、压电放大器40和电荷放大器41，计算机35、运动控制卡36和端子板37依次连接，运动控制卡36分别与传感器控制器38、驱动电路39连接，端子板37分别与压电放大器40、电荷放大器41连接。

所述计算机35分别与视觉系统5的第一工业相机501、第二工业相机502、第三工业相机503连接，第一工业相机501、第二工业相机502、第三工业相机503检测的振动信号直接输入至计算机35中进行处理，得到各柔性铰链(第一柔性铰链18、第二柔性铰链19和第三柔性铰链20)附近相应的弯曲振动反馈信号。

所述传感器控制器38分别与第一激光位移传感器13、第二激光位移传感器14、第三激光位移传感器15、第四激光位移传感器16连接，第一激光位移传感器13、第二激光位移传感器14、第三激光位移传感器15、第四激光位移传感器16检测的振动信号经过激光位移传感器控制器38输出到运动控制卡36，通过运动控制卡36内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机35中，再经计算机35进行后续处理。

所述驱动电路39为开关阀驱动电路，其与气浮平衡系统的开关阀28连接，计算机35将控制信号经过运动控制卡36输入驱动电路39，由驱动电路39驱动开关阀28，使得气泵26、气动三联件27和开关阀28构成的气动回路向第一气浮垫24、第一气浮垫25提供加压气体。

所述压电放大器40与压电驱动器17连接，计算机35的振动反馈信号经由运动控制卡的D/A转换模块输出，再通过端子板37的信息传递，经过压电放大器40放大信号，输出到压电驱动器41中进行响应，通过第一柔性板1控制柔性铰接板的振动。

所述电荷放大器41分别与第一加速度传感器7、第二加速度传感器8、第一压电传感器9、第二压电传感器10、第三压电传感器11、第四压电传感器12连接，将第一加速度传感器7、第二加速度传感器8检测的振动信号经过电荷放大器41放大处理后，经由端子板37的传输，输出至运动控制卡36，通过运动控制卡36内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机35中，再经计算机35进行后续处理，同时将第一压电传感器9、第二压电传感器10、第三压电传感器11、第四压电传感器12检测到的振动信号经过电荷放大器41放大处理后，经由端子板37的传输，输出至运动控制卡36，通过运动控制卡36内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机35中，再经计算机35进行后续处理。

在本实施例中，第一工业相机501、第二工业相机502、第三工业相机503选用德国的Basler公司的CMOS相机，其型号为Basler acA1600-60gc，采集的图像大小为1600×1200像素，约为200万像素，帧率为60帧/秒，其镜头接口为C接口，各台工业相机与计算机35的接口为GigE，其传输速度要优于USB接口；选用的计算机35的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可安装运动控制卡36；运动控制卡36选用由固高公司生产的运动控制卡，其型号为GTS-400-PV-PCI；与运动控制卡配合使用的四轴端子板37型号为GT2-400-ACC2-V-AD16；工作时，端子板37的CN16接用户提供的外部24V直流电源，CN17接口与运动控制卡36连接。CN1～CN4接口提供四路模拟电压输出，输出范围为-10～+10V；压电放大器40可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零件组成，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利申请中有详细介绍，放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V；电荷放大器41选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。

如图1～图8所示，本实施例还提供了一种柔性板弯曲振动检测控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、视觉系统4的第一工业相机501、第二工业相机502、第三工业相机503分别检测第一柔性铰链18、第二柔性铰链19和第三柔性铰链20附近位移变化，第一加速度传感器7检测第二柔性板2自由端边缘的振动信号，第二加速度传感器8检测第四柔性板2自由端边缘的振动信号，第一压电传感器9检测第一柔性板1固定端附近的弯曲振动，第二压电传感器10检测第二柔性板2固定端附近的弯曲振动，第三压电传感器11检测第三柔性板3固定端附近的弯曲振动，第四压电传感器12检测第四柔性板4固定端附近的弯曲振动，第一激光位移传感器13检测第一柔性板1自由端附近的弯曲振动，第二激光位移传感器13检测第二柔性板2自由端附近的弯曲振动，第三激光位移传感器15检测第三柔性板3自由端附近的弯曲振动，第四激光位移传感器16检测第四柔性板4自由端附近的弯曲振动；

步骤二、将第一工业相机501、第二工业相机502、第三工业相机503检测到的振动信号直接输入至计算机中；将第一加速度传感器7、第二加速度传感器8检测的振动信号经过电荷放大器41放大处理后，经由端子板37的传输，输出至运动控制卡36，通过运动控制卡36内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机35中；将第一压电传感器9、第二压电传感器10、第三压电传感器11、第四压电传感器12检测到的振动信号经过电荷放大器41放大处理后，经由端子板37的传输，输出至运动控制卡36，通过运动控制卡36内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机35中；将第一激光位移传感器13、第二激光位移传感器14、第三激光位移传感器15、第四激光位移传感器16检测到的振动信号通过传感器控制器38传输至运动控制卡36，通过运动控制卡36内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机35中；

步骤三、计算机35根据检测到的振动信号，运行相应的主动控制算法，得到相应的振动反馈信号经由运动控制卡36的D/A转换模块输出，再通过端子板37的信息传递，经过压电放大器40放大信号，输出到压电驱动器17中进行响应，通过第一柔性板1控制柔性铰接板的振动；

步骤四、通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到柔性铰接板的振动特性及控制效果。

实施例2：

本实施例的主要特点是：柔性板还可以为两块，相应地，加速度传感器可以为一个或两个，气浮垫可以为一个，压电传感器可以为两片，激光位移传感器为两台，工业相机为一台，云台为一个，滑块为一个；柔性板也可以为三块，相应地，加速度传感器可以为一个或两个，气浮垫可以为一个或两个，压电传感器可以为三片，激光位移传感器为三台，工业相机为两台，云台为两个，滑块为两个；同理，柔性板为五块以上也是类似的设计。其余同实施例1。

综上所述，本发明通过合理的机械结构设计，将至少两块完全相同的柔性板垂直于水平面，并通过柔性铰链依次铰接，形成柔性铰接板，其动力学特性与实际的太阳能帆板结构更为接近，有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，为研究铰链连接对于柔性铰接板振动的影响提供了良好的条件；同时，采用压电陶瓷片传感器和加速度传感器的接触测量方式检测柔性铰接板振动信号，以及采用激光位移传感器和工业相机的非接触测量方式时检测柔性铰接板振动信号，相比其他单一检测装置，采用接触式测量与非接触式测量相结构的多传感器融合，有效减轻柔性铰接板的负载效应，使得测量的数据更加精确，得到的柔性铰接板振动信息更加完整，能够充分反映柔性铰接板振动模态的全局特性。

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 (10)

1.柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：包括至少两块柔性板、振动检测机构、驱动机构和控制组件；

所述至少两块柔性板垂直于水平面，并通过柔性铰链依次铰接在一起，形成柔性铰接板；

所述振动检测机构包括视觉系统、支架、至少一个加速度传感器、至少两片压电传感器和至少两台激光位移传感器，所述视觉系统设置在支架上，用于检测各柔性板之间的柔性铰链，每个加速度传感器设置在其中一块柔性板上，所述压电传感器、激光位移传感器和柔性板均为一一对应，每片压电传感器设置在对应的柔性板上，每台激光位移传感器对准对应的柔性板；

所述驱动机构包括压电驱动器和气浮平衡系统，压电驱动器设置在一块柔性板上，所述气浮平衡系统与至少一块柔性板连接；

所述控制组件分别与视觉系统、加速度传感器、压电传感器、激光位移传感器、压电驱动器、气浮平衡系统连接。

2.根据权利要求1所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述气浮平衡系统包括至少一个气浮垫和气动回路，每个气浮垫与其中一块柔性板的下端连接，所述气动回路与气浮垫连接，用于向气浮垫提供加压气体。

3.根据权利要求2所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述气动回路包括气泵、气动三联件和开关阀，所述气泵、气动三联件和开关阀依次连接，所述开关阀与气浮垫连接。

4.根据权利要求2或3所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述装置还包括第一支撑平台，所述第一支撑平台设置在气浮垫的下方，所述气动回路向气浮垫提供加压气体后，使气浮垫与第一支撑平台之间形成一层薄膜。

5.根据权利要求1所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述视觉系统包括至少一台工业相机、至少一个云台、至少一个滑块以及一条导轨，所述导轨固定在支架上，所述工业相机、云台和滑块均为一一对应，每个滑块滑动设置在导轨上，每台工业相机的镜头竖直向下对准相邻两块柔性板之间的柔性铰链，且每台工业相机设置在对应的云台上，每个云台固定在对应的滑块上。

6.根据权利要求1所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述控制组件包括计算机、运动控制卡、端子板、传感器控制器、驱动电路、压电放大器和电荷放大器，所述计算机、运动控制卡和端子板依次连接，所述运动控制卡分别与传感器控制器、驱动电路连接，所述端子板分别与压电放大器、电荷放大器连接；

所述计算机与视觉系统连接，所述传感器控制器与激光位移传感器连接，所述驱动电路与气浮平衡系统连接，所述压电放大器与压电驱动器连接，所述电荷放大器分别与加速度传感器、压电传感器连接。

7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述柔性铰链包括上柔性铰链和下柔性铰链。

8.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述装置还包括夹紧部件、支座和平板，所述夹紧部件夹紧其中一块柔性板的一端，并通过支座固定在平板上。

9.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的柔性板弯曲振动检测控制装置，其特征在于：所述装置还包括第二支撑平台，所述激光位移传感器固定在第二支撑平台上。

10.基于权利要求1-9任一项所述装置的柔性板弯曲振动检测控制方法，其特征在于：所述方法包括：

视觉系统的每台工业相机检测相邻两块柔性板之间的柔性铰链附近位移变化，每个加速度传感器检测所在柔性板自由端边缘的振动信号，每片压电传感器检测对应柔性板固定端附近的弯曲振动，每台激光位移传感器检测对应柔性板自由端附近的弯曲振动；

将工业相机检测到的振动信号直接输入至计算机中；将加速度传感器检测的振动信号经过电荷放大器放大处理后，经由端子板的传输，输出至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；将压电传感器检测到的振动信号经过电荷放大器放大处理后，经由端子板的传输，输出至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；将激光位移传感器检测到的振动信号通过传感器控制器传输至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

计算机根据检测到的振动信号，运行相应的主动控制算法，得到相应的振动反馈信号经由运动控制卡的D/A转换模块输出，再通过端子板的信息传递，经过压电放大器放大信号，输出到压电驱动器中进行响应，控制柔性铰接板的振动；

通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到柔性铰接板的振动特性及控制效果。