CN108958307A - 柔性圆环板振动检测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性圆环板振动检测控制装置及方法，所述装置包括柔性圆环板、振动控制机构、振动检测机构和控制组件，所述柔性圆环板垂直于水平面；所述振动控制机构用于驱动柔性圆环板产生振动和/或抑制柔性圆环板的振动；所述振动检测机构包括激光位移传感器、加速度传感器和压电传感器，所述激光位移传感器的激光测头对准柔性圆环板正面的圆周上，所述加速度传感器和压电传感器设置在柔性圆环板上；所述控制组件分别与振动控制机构、激光位移传感器、加速度传感器和压电传感器连接。本发明可以实现对柔性圆环板及类似结构的稳定、快速、高精度的振动检测与控制。

Description

柔性圆环板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，尤其是一种柔性圆环板振动检测控制装置及方法，属于柔性结构的振动检测与控制领域。

背景技术

圆环板结构在工程领域中使用广泛，而柔性结构可以增加有效载荷的重量，提高运载效率，并且在一定的弯曲扭转范围内不会发生破坏，二者的结合的优势使得柔性圆环板在飞机、太空舱、军事等领域均有应用，但由于结构大、刚性小且经常承受动载荷或受到外界干扰，会产生连续的多模态振动，起主要作用的低频大幅值振动需要较长时间才能稳定下来，这对于仪器的使用以及结构本身来说非常不利，因此，需要加入抑制器，对结构的振动进行主动抑制。

实际工程中的大型柔性板往往尺寸较大，不易被压电片、激振力锤激励起全面振动，无法模拟实际工作情况，也很难产生足够的力来抑制整个柔性板的振动。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种柔性圆环板振动检测控制装置，该装置可以实现对柔性圆环板及类似结构的稳定、快速、高精度的振动检测与控制。

本发明的另一目的在于提供一种柔性圆环板振动检测控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

柔性圆环板振动检测控制装置，包括柔性圆环板、振动控制机构、振动检测机构和控制组件，所述柔性圆环板垂直于水平面；

所述振动控制机构用于驱动柔性圆环板产生振动和/或抑制柔性圆环板的振动；

所述振动检测机构包括激光位移传感器、加速度传感器和压电传感器，所述激光位移传感器的激光测头对准柔性圆环板正面的圆周上，所述加速度传感器和压电传感器设置在柔性圆环板上；

所述控制组件分别与振动控制机构、激光位移传感器、加速度传感器和压电传感器连接。

进一步的，所述振动控制机构包括两个第一惯性驱动器、两个第二惯性驱动器和信号处理模块，所述两个第一惯性驱动器左右对称安装在柔性圆环板的正面，两个第二惯性驱动器上下对称安装在柔性圆环板的正面，所述第一惯性驱动器与信号处理模块连接，所述第二惯性驱动器与控制组件连接。

进一步的，所述信号处理模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器、功率放大器和第一惯性驱动器依次连接。

进一步的，所述加速度传感器包括两个第一加速度传感器和两个第二加速度传感器，两个第一加速度传感器左右对称安装在柔性圆环板的正面，并靠近柔性圆环板的外边界，两个第二加速度传感器分别安装在两个第一惯性驱动器上。

进一步的，所述压电传感器有多个，多个压电传感器对称粘贴在柔性圆环板的正反面，并靠近柔性圆环板的内边界。

进一步的，所述控制组件包括计算机、A/D采集卡、压电放大器、调理电路、D/A转换卡和放大器；

所述计算机通过A/D采集卡分别与激光位移传感器、压电放大器、调理电路连接，并依次通过D/A转换卡、放大器与振动控制机构连接，所述压电放大器与压电传感器连接，所述调理电路与加速度传感器连接。

进一步的，所述装置还包括支撑平台，所述柔性圆环板通过立柱固定在支撑平台上。

进一步的，所述装置还包括工作平台，所述激光位移传感器的激光测头设置在工作平台上。

进一步的，所述激光位移传感器的激光测头固定在端面连接板上，所述端面连接板与工作平台的竖向支撑杆滑动连接。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

柔性圆环板振动检测控制方法，所述方法包括：

在振动控制机构中，信号发生器产生激励信号，经功率放大器放大后发送给第一惯性驱动器，激起柔性圆环板的多模态振动；

激光位移传感器测得柔性圆环板相应点处位移振动信息，并经过A/D采集卡的第一通道传给计算机；

第一加速度传感器输出柔性圆环板外边界的振动加速度信息，经过调理电路低通滤波并放大后，由A/D采集卡的第二通道传入计算机；

压电传感器检测柔性圆环板内边界振动导致的应变信息，经压电放大器放大信号后，由A/D采集卡的第三通道传入计算机；

计算机对比分析激光位移传感器、第一加速度传感器以及压电传感器测得的振动信息，运行相应控制算法，输出控制信号，并依次通过D/A转换卡、放大器驱动第二惯性驱动器，抑制柔性圆环板的振动；

通过改变激振与控制的参数，反复试验，获取多次实验结果，对比寻找最优控制参数。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明将激光位移传感器的激光测头对准柔性圆环板正面的圆周上，并将加速度传感器和压电传感器设置在柔性圆环板上，结合激光位移传感器非接触测量、加速度传感器测量频带宽以及压电传感器灵敏度高的优点，实现多点多方式测量，使测量结果更精确、快速，以实现对柔性圆环板及类似结构的稳定、快速、高精度的振动检测与控制。

2、本发明的振动控制机构采用左右对称设置的惯性驱动器来驱动柔性圆环板，可激起柔性圆环板的多模态振动，并采用上下对称设置的惯性驱动器抑制柔性圆环板结构，惯性驱动器的驱动力大，功耗低，并对柔性圆环板均采用侧向安装方式，使得重力不会对结构横向振动产生影响。

3、本发明充分考虑了传感器以及作动器的优化配置，可以将激光位移传感器测量位置对准柔性圆环板的二阶模态振动位移最大处，将加速度传感器测量位置对准圆环板的一阶模态振动位移最大处，以及将压电传感器安装于应变最大处，使测量信噪比较高。

4、本发明不仅可进行柔性圆环板结构振动的检测与控制，还可进行模态试验，比较输入输出信号的相位关系，得到柔性圆环板的模态频率。

附图说明

图1为本发明实施例1的柔性圆环板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的柔性圆环板振动检测控制装置的主视图。

图3为本发明实施例1的柔性圆环板振动检测控制装置的左视图。

图4为本发明实施例1的第二加速度传感器安装在第一惯性驱动器上的示意图。

图5为本发明实施例1的柔性圆环板振动检测控制方法的流程图。

图6为本发明实施例1的柔性圆环板一阶模态图。

图7为本发明实施例1的柔性圆环板二阶模态图。

其中，1-柔性圆环板，2-法兰夹紧部件，3-连接板，4-立柱，5-支撑平台，501-第一竖向支撑杆，502-第一横向支撑杆，503-基板，6-第一惯性驱动器，7-第二惯性驱动器，8-信号发生器，9-功率放大器，10-激光位移传感器，11-第一加速度传感器，12-第二加速度传感器，13-压电传感器，14-工作平台，1401-第二竖向支撑杆，1402-第一层板，1403-第二层板，1404-第三层板，15-端面连接板，16-计算机，17-A/D采集卡，18-压电放大器，19-调理电路，20-D/A转换卡，21-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：

近年来出现的惯性驱动器能够很好地驱动或抑制柔性板的振动。该惯性驱动器的工作原理是，当电磁作动器收到信号时，驱动质量块的振动，由质量块加速度产生的惯性力来驱动或抑制柔性板的振动。该惯性驱动器具有体积小，驱动力大，低功耗，工作频带宽、容易在各种结构表面安装等优点。

激光位移传感器精度高、响应快，且非接触式测量，但易受外界影响，存在高频干扰。加速度传感器工作频带宽，易安装，但存在负载效应。压电传感器响应快，灵敏度高，对小幅值振动检测具有优势。将三者结合使用，得到多点多方式的测量信息，可实现精确有效快速的振动检测，进而通过惯性驱动器进行抑制。

如图1～图3所示，本实施例提供了一种柔性圆环板振动检测控制装置，该装置包括柔性圆环板1、振动控制机构、振动检测机构和控制组件，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信号流的传递方向，图3中的虚线表示激光位移传感器的激光测头方向。

所述柔性圆环板1垂直于水平面，其通过法兰夹紧部件2夹紧，法兰夹紧部件2另一端具有连接板3，该连接板3与立柱4固定连接。

优选地，为了更好地支撑柔性圆环板1，本实施例的柔性圆环板振动检测控制装置还包括支撑平台5，该支撑平台5包括四根第一竖向支撑杆501、八根第一横向支撑杆502和基板503，四根第一竖向支撑杆501的上端通过其中四根第一横向支撑杆502分别与基板503连接，四根第一竖向支撑杆501的中下部分别与另外四根第一横向支撑杆502连接；具体地，柔性圆环板1通过立柱4固定在基板503的上表面，侧向安装可以消除重力对振动方向的影响，柔性圆环板1距离支撑平台5一定间距，保证柔性圆环板1可自由振动，柔性圆环板1的内边界为夹紧端，而外边界为自由端。

在本实施例中，柔性圆环板1采用铝合金材质，弹性模量为70GPa，泊松比为0.3，密度为2.71g/cm³，几何尺寸为外直径1200mm，内直径100mm，厚度为2mm；支撑平台5由十二根型材(对应四根第一竖向支撑杆501和八根第一横向支撑杆502)支撑一块1500mm×1200mm的不锈钢板(对应基板503)组成，通过角铁与螺钉连接。

所述振动控制机构用于驱动柔性圆环板1产生振动和/或抑制柔性圆环板1的振动，包括两个第一惯性驱动器6、两个第二惯性驱动器7和信号处理模块，信号处理模块包括信号发生器8和功率放大器9，第一惯性驱动器6和第二惯性驱动器7均包括多个电磁作动器与质量块，第一惯性驱动器6的工作原理是：当电磁作动器收到信号时，驱动质量块的振动，由质量块加速度产生的惯性力来驱动柔性圆环板1的振动，第二惯性驱动器7的工作原理是：当电磁作动器收到信号时，驱动质量块的振动，由质量块加速度产生的惯性力来抑制柔性圆环板1的振动。

两个第一惯性驱动器6左右对称安装在柔性圆环板1的正面，具体地，两个第一惯性驱动器6距柔性圆环板1中心550mm～650mm，本实施例对称安装于直径为600mm的圆周上，通过螺栓固定连接，保证第一惯性驱动器6的力能良好施加给柔性圆环板1，信号发生器8、功率放大器9和第一惯性驱动器6依次连接，信号发生器8发出激振信号后，通过功率放大器9进行放大，传给两个第一惯性驱动器6，激起柔性圆环板1的横向振动。

两个第二惯性驱动器7上下对称安装在柔性圆环板1的正面，具体地，两个第二惯性驱动器7距柔性圆环板1中心550mm～650mm，本实施例对称安装于直径为600mm的圆周上，通过螺栓固定连接，保证第二惯性驱动器7的力能良好施加给柔性圆环板1，控制组件获取振动信息后，驱动两个第二惯性驱动器7，抑制柔性圆环板1的振动。

在本实施例中，第一惯性驱动器6和第二惯性驱动器7选用电磁驱动形式的IA-01，尺寸为Φ32mm×37mm，悬挂刚度为96N/m，阻尼率为0.4。

所述振动检测机构包括激光位移传感器10、第一加速度传感器11、第二加速度传感器12和压电传感器13。

激光位移传感器10包括激光测头和控制箱，激光位移传感器10的激光测头对准柔性圆环板1正面的圆周上，具体对准二阶主振型最大位置(二阶模态振动位移最大处)，激光测头分置四个，对称安装，配套控制箱未示出，因此可认为图中的10指的是激光测头，激光位移传感器10采用三角测量原理检测柔性圆环板1的离面振动，再传给控制组件。

为了方便对激光测头的测量间距进行调整，本实施例的柔性圆环板振动检测控制装置还包括工作平台14，该工作平台14包括四根第二竖向支撑杆1401和三块层板，三块层板从上到下分别第一层板1402、第二层板1403和第三层板1404，四根第二竖向支撑杆1401的上端分别第一层板1402的四个角固定连接，四根第二竖向支撑杆1401的中部分别与第二层板1403的四个角固定连接，四根第二竖向支撑杆1401的下部分别与第三层板1404的四个角固定连接，激光位移传感器10的激光测头设置在其中两根距离柔性圆环板1较近的第二竖向支撑杆1401上，具体地，其中两个激光测头设置在左边距离柔性圆环板1较近的第二竖向支撑杆1401上，另外两个激光测头设置在右边距离柔性圆环板1较近的第二竖向支撑杆1401上，通过移动工作平台14可以调整激光测头的测量间距；激光位移传感器10的激光测头固定在端面连接板15上，端面连接板15与第二竖向支撑杆1401滑动连接，通过移动端面连接板15在第二竖向支撑杆1401上的位置，可以调整激光测头的垂直位置。

所述第一加速度传感器11有两个，两个第一加速度传感器11左右对称安装在柔性圆环板1的正面，并靠近柔性圆环板的外边界(自由端)，即一阶主振型最大位置(一阶模态振动位移最大处)，通过螺栓固定，安装保证第一加速度传感器11的测量主轴方向与柔性圆环板1离面振动方向一致，第一加速度传感器11检测到振动信息后传给控制组件。

所述第二加速度传感器12也有两个，两个第二加速度传感器12分别安装在两个第一惯性驱动器6上，通过螺栓固定，由于两个第一惯性驱动器6左右对称，两个第二加速度传感器12也同样对称，第二加速度传感器12安装在第一惯性驱动器6上的示意图如图4所示，保证第二加速度传感器12与第一惯性驱动器6可视为一体，第二加速度传感器12的输出即为第一惯性驱动器6的激振加速度信号。

所述压电传感器13采用压电陶瓷片，其具有八个，其中四个压电传感器13粘贴在柔性圆环板1的正面，另外四个压电传感器13粘贴在柔性圆环板1的反面，并且柔性圆环板1正反面的压电传感器13相互对称，八个压电传感器13均靠近柔性圆环板1的内边界(夹紧端)，采取串联连接方式，当柔性圆环板1产生横向振动时，其夹紧端会产生较大应变，压电传感器13检测应变信息并转换为电压信号，并传给控制组件。

在本实施例中，激光位移传感器10的激光测头选用日本基恩士公司生产的LK-500，激光波长为670nm，最大功率为0.95mW，控制箱的控制器选用配套的LK-2500控制器进行激光光束调节，距离柔性圆环板1的350mm处，对称安装使激光测头对准柔性圆环板1正面直径为980mm的圆周上；第一加速度传感器11和第二加速度传感器12选用kistler公司的型号为8315A的单向电容式传感器，其标称灵敏度为2000mv/g，测量频率范围为0～1kHz，安装于柔性圆环板1正面直径1050mm的圆周上；八个压电传感器13几何尺寸为50mm×20mm×1mm，弹性模量为63Gpa。

所述控制组件包括计算机16、A/D采集卡17、压电放大器18、调理电路19、D/A转换卡20和放大器21，计算机16通过A/D采集卡17分别与激光位移传感器10、压电放大器18、调理电路19连接，压电放大器18与压电传感器13连接，调理电路19分别与第一加速度传感器11、第二加速度传感器12连接，其中放大器21为电磁放大器。

如上所述，柔性圆环板1被第一惯性驱动器6激励后，激光位移传感器10采用三角测量原理检测柔性圆环板1的离面振动，再通过A/D采集卡17的第一通道采集传给计算机16；第一加速度传感器11检测到振动信息后经调理电路19进行滤波放大等处理后，经A/D采集卡17的第二通道传给计算机16；压电传感器13检测应变信息并转换为电压信号，通过压电放大器18放大后，经A/D采集卡17的第三通道采集传给计算机16；计算机16获取振动信息后，结合三者多点振动信息，运行相应主动控制算法输出控制量，经D/A转换卡20转换为模拟量后，经放大器21放大后驱动两个第二惯性驱动器7，抑制柔性圆环板1的振动；其中，A/D采集卡17的三个通道采样频率相同，保证计算机16可同时更新三者数据，相互比较验证。

在本实施例中，A/D采集卡17选用研华PCL-813B 12位32路通道采集卡，可同时对激光位移传感器10、第一加速度传感器11、第二加速度传感器12、压电传感器13测量的振动信号进行采集转换；调理电路19选用KV-UAF42有源滤波器模块实现，低通滤波器带宽、中心频率、品质因子均可调整，内部包含放大电路，增益可达100倍。；D/A转换卡20选用研华PCL-727 12路D/A转换卡，将计算机16输出的数字信号转换为连续信号，接入放大器21，以驱动第二惯性驱动器7进行抑制。

如图1～图5所示，本实施例还提供了一种柔性圆环板振动检测控制方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、信号发生器8产生激励信号，经功率放大器9放大后发送给第一惯性驱动器6，激起柔性圆环板1的多模态振动。

步骤二、激光位移传感器10测得柔性圆环板1相应点处位移振动信息，并经过A/D采集卡17的第一通道传给计算机16。

步骤三、第一加速度传感器11输出柔性圆环板1外边界的振动加速度信息，经过调理电路低通滤波并放大后，由A/D采集卡17的第二通道传入计算机16。

步骤四、压电传感器13检测柔性圆环板1内边界振动导致的应变信息，经压电放大器18放大信号后，由A/D采集卡17的第三通道传入计算机16。

步骤五、计算机16对比分析激光位移传感器10、第一加速度传感器11以及压电传感器13测得的振动信息，运行相应控制算法，输出控制信号，并依次通过D/A转换卡20、放大器21驱动第二惯性驱动器7，抑制柔性圆环板1的振动。

步骤六、通过改变激振与控制的参数，反复试验，获取多次实验结果，对比寻找最优控制参数。

可以理解，上述步骤二、步骤三和步骤四可同时进行。

综上所述，本发明将激光位移传感器的激光测头对准柔性圆环板正面的圆周上，并将加速度传感器和压电传感器设置在柔性圆环板上，结合激光位移传感器非接触测量、加速度传感器测量频带宽以及压电传感器灵敏度高的优点，实现多点多方式测量，使测量结果更精确、快速，以实现对柔性圆环板及类似结构的稳定、快速、高精度的振动检测与控制。

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.柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：包括柔性圆环板、振动控制机构、振动检测机构和控制组件，所述柔性圆环板垂直于水平面；

所述振动控制机构用于驱动柔性圆环板产生振动和/或抑制柔性圆环板的振动；

所述振动检测机构包括激光位移传感器、加速度传感器和压电传感器，所述激光位移传感器的激光测头对准柔性圆环板正面的圆周上，所述加速度传感器和压电传感器设置在柔性圆环板上；

所述控制组件分别与振动控制机构、激光位移传感器、加速度传感器和压电传感器连接。

2.根据权利要求1所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述振动控制机构包括两个第一惯性驱动器、两个第二惯性驱动器和信号处理模块，所述两个第一惯性驱动器左右对称安装在柔性圆环板的正面，两个第二惯性驱动器上下对称安装在柔性圆环板的正面，所述第一惯性驱动器与信号处理模块连接，所述第二惯性驱动器与控制组件连接。

3.根据权利要求2所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述信号处理模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器、功率放大器和第一惯性驱动器依次连接。

4.根据权利要求2所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述加速度传感器包括两个第一加速度传感器和两个第二加速度传感器，两个第一加速度传感器左右对称安装在柔性圆环板的正面，并靠近柔性圆环板的外边界，两个第二加速度传感器分别安装在两个第一惯性驱动器上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述压电传感器有多个，多个压电传感器对称粘贴在柔性圆环板的正反面，并靠近柔性圆环板的内边界。

6.根据权利要求1-4任一项所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述控制组件包括计算机、A/D采集卡、压电放大器、调理电路、D/A转换卡和放大器；

所述计算机通过A/D采集卡分别与激光位移传感器、压电放大器、调理电路连接，并依次通过D/A转换卡、放大器与振动控制机构连接，所述压电放大器与压电传感器连接，所述调理电路与加速度传感器连接。

7.根据权利要求1-4任一项所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述装置还包括支撑平台，所述柔性圆环板通过立柱固定在支撑平台上。

8.根据权利要求1-4任一项所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述装置还包括工作平台，所述激光位移传感器的激光测头设置在工作平台上。

9.根据权利要求8所述的柔性圆环板振动检测控制装置，其特征在于：所述激光位移传感器的激光测头固定在端面连接板上，所述端面连接板与工作平台的竖向支撑杆滑动连接。

10.柔性圆环板振动检测控制方法，其特征在于：所述方法包括：

在振动控制机构中，信号发生器产生激励信号，经功率放大器放大后发送给第一惯性驱动器，激起柔性圆环板的多模态振动；

激光位移传感器测得柔性圆环板相应点处位移振动信息，并经过A/D采集卡的第一通道传给计算机；

第一加速度传感器输出柔性圆环板外边界的振动加速度信息，经过调理电路低通滤波并放大后，由A/D采集卡的第二通道传入计算机；

压电传感器检测柔性圆环板内边界振动导致的应变信息，经压电放大器放大信号后，由A/D采集卡的第三通道传入计算机；

计算机对比分析激光位移传感器、第一加速度传感器以及压电传感器测得的振动信息，运行相应控制算法，输出控制信号，并依次通过D/A转换卡、放大器驱动第二惯性驱动器，抑制柔性圆环板的振动；

通过改变激振与控制的参数，反复试验，获取多次实验结果，对比寻找最优控制参数。