CN108981895B - 一种空间多维度外力感知机械测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间多维度外力感知机械测量仪，包括底座、副矢方向振动测量机构、主矢方向振动测量机构、振动频次测量机构、控制箱及处理系统；副矢方向振动测量机构安装在底座上方，用来测试副矢平面振动参量；主矢方向振动测量机构安装在底座与副矢方向振动测量机构之间，用来测试主矢方向振动参量；振动频次测量机构安装在底座上，用来记录振动频次。本发明采用了空间柔性测试系统，通过外力对刚性板的冲击效应产生的弹性振动效果获取对应的冲量，对获得的冲量进行分析并还原刚性板所受冲击力的运动参数，从而分析出实际的受力情况。

Description

一种空间多维度外力感知机械测量仪

技术领域

本发明属于机械测试领域，具体涉及航海中的潮汐浮动探测、空气流阻探测、瞬间冲击力探测以及空间多自由度振动状态时域分析。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对于空间瞬态力的研究也不断深入，目前对于低维度的空间力研究已经取得丰硕的成果。相比于低维度空间瞬态力，多维度空间瞬态力复杂多变且难以测量。机械的多状态受力耦合往往使所研究对象的状态变得更加复杂多变。目前国内外对于多维度空间力的研究逐渐增多，但在多维度空间力的测量上却很少有人涉及，其中最主要的原因是无法对多维度空间瞬态力进行直接准确测量，只能通过间接的方法来计算物体所受的力，但所得出的结果往往与实际受力大小存在很大偏差，这在很大程度上增加了空间力测量的难度，限制了人们对于多维度空间力更进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术不足的情况下，提供一种空间多维度外力感知机械测量仪，其采用了空间柔性测试系统，通过外力对刚性板的冲击效应产生的弹性振动效果获取对应的冲量，对获得的冲量进行分析并还原刚性板所受冲击力的运动参数，从而分析出实际的受力情况。本发明实用性较高，适用范围较广，可以应用于很多领域对多维度空间瞬态力的测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种空间多维度外力感知机械测量仪，包括底座、副矢方向振动测量机构、主矢方向振动测量机构、振动频次测量机构、控制箱及处理系统；副矢方向振动测量机构安装在底座上方，用来测试副矢平面振动参量；主矢方向振动测量机构安装在底座与副矢方向振动测量机构之间，用来测试主矢方向振动参量；振动频次测量机构安装在底座上，用来记录振动频次及振动能量；控制箱及处理系统安装在底座上，且分别与副矢方向振动测量机构、主矢方向振动测量机构、振动频次测量机构电连接；所述副矢方向振动测量机构包括三角形刚性板、空心圆支撑架，空心圆支撑架通过支撑架支撑杆固定在底座上方，三角形刚性板通过三根拉伸弹簧与空心圆支撑架弹性连接，每根拉伸弹簧末端均内置有一个副矢测量传感器。

所述的一种空间多维度外力感知机械测量仪，主矢方向振动测量机构包括三根可动导向测量指示杆，三根可动导向测量指示杆分别通过导向座分布安装在底座上，每根可动导向测量指示杆外均设有压力弹簧，三个压力弹簧的末端与三角形刚性板连接，且压力弹簧末端分别内置有压电传感器。

所述的一种空间多维度外力感知机械测量仪，振动频次测量机构包括频次测量传感器，频次测量传感器安装在所述可动导向测量指示杆末端且通过传感器托盘固定在底座上。

所述的一种空间多维度外力感知机械测量仪，控制箱及处理系统内包括：

能量频次记录电路，其与所述振动频次测量机构电连接，将测量信号依次通过脉冲记录仪、电平转换电路、脉冲调理电路和存储器，进入处理显示电路；

主矢振动测量电路，其与所述主矢方向振动测量机构电连接，将测量信号依次经过电荷放大器、信号调理电路、脉冲记录仪、A/D转换和存储器，进入处理显示电路；

副矢振动测量电路，其与所述副矢方向振动测量机构电连接，将测量信号依次放大器、脉冲记录仪、信号调理电路、A/D转换和存储器，进入处理显示电路；

处理显示电路对收集到的信号进行处理及显示。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1.由于多维度的空间外力复杂多变，使用现有的方法测量空间多维度力难度较大且难以测量到准确的结果，从而无法正确复现实际所受的空间力状况，对所研究的对象不能得出正确的结论。本发明所提出的一种空间多维度外力感知机械测量仪对所采集的实时信号进行处理与计算，通过统计学学反映的单向弱矢量体规律反向推理能够准确复现物体所受到的多维度空间外力情况。

2.本发明中所应用的空间多维度外力感知机械测量仪结构简单，集成化程度高，原理易懂，所需成本较低，使用范围较广，在实际生产与应用中可大大提高工作效率。

附图说明

图1为空间瞬态力分析图解；

图2为主矢方向测试系统原理图；

图3为副矢平面二自由度测试系统及其原理图；

图4为副矢平面方向二自由度振动系统测量模型图；

图5为机械测量仪轴测图

图6为机械测量仪仰视图

图7为机械测量仪左视图

图8为机械测量仪俯视图

图9为机械测量仪右视图

图10为空间多维度外力感知机械测量仪的测量电路

图中：1.三角形刚性板；2.一号拉伸弹簧；3.二号拉伸弹簧；4.三号拉伸弹簧；5.空心圆支撑架；6.线束管；7.卡锁；8.支撑架支撑杆；9.可动导向测量指示杆；10.固定导向杆；11.压力弹簧；12.压电传感器支撑弹簧；13.导向座；14.传感器支撑架；15.线束盒；16.控制箱及处理系统；17.显示器；18.控制箱支撑板；19.线束；20.底座；21.传感器外罩；22.传感器托盘；23.副矢测量传感器；24.压电传感器；25.传感器固定螺栓；26.传感器托架连接螺栓；27.移动滚轮；28.传感器固定套；29.频次测量传感器

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案：

具体工作过程中，空间瞬态力在短时间作用产生一个空间的瞬时冲量与受力面的夹角为α，如图1所示：可以将此冲量向垂直于受力面的正方向(x方向)和受力平面(y方向)方向分解，于是/>分解为/>(主矢方向)和/>(副矢方向)。

对于主矢方向，如图2所示，本发明把该方向受力冲击测试系统简化为单自由度阻尼振动系统，其中m是受力部位的抽象质量，c是受力部位的抽象阻尼，k是受力部位的抽象刚度，整个系统可以抽象为x方向的单自由度阻尼系统。由压电传感器24可以检测到主矢方向外力的幅值信号F_x(t)，频次测量传感器29可以检测到主矢方向的振动频率，通过相关计算可以得到相位信息，至此整个主矢方向的振动参量就可实时确定。

对于副矢方向，本发明假设受力部位刚度、阻尼各向同性，质量具有离散简化性，且阻尼也具有离散简化性，于是副矢方向受力模型将简化为如图3所示副矢平面内零初始状态的二自由度振动系统，其中m是抽象集中质量，c是抽象集中阻尼，k是抽象刚度,o是零初始点，当在A、B、C受到分力信号时，如图4所示，副矢方向的振动向主振方向f偏移，传感器23测得幅值信号进行矢量合成可得到外力作用点、副矢方向的主振方向f、二自由度振动系统在主振方向和垂直于主振方向的振动幅值，传感器23测得的频率信息可以得到二自由度振动系统在主振方向和垂直于主振方向的频率信息，传感器23测得的时差可以得到系统相位信息。

通过相干分析可以得到主矢方向和副矢方向的相干性，从而得到整个系统的振动信息，进而得到外作用力的特性图谱。经过控制箱16中的内置处理器对信号进行处理得到外作用力的相关信息。

空间多维度外力感知机械测量仪的机械结构与具体实施：

如图5至图9所示，一种空间多维度外力感知机械测量仪，包括底座20、副矢方向振动测量机构、主矢方向振动测量机构、振动频次测量机构、控制箱及处理系统16。副矢方向振动测量机构安装在底座20上方，用来测试副矢平面振动参量；主矢方向振动测量机构安装在底座20与副矢方向振动测量机构之间，用来测试主矢方向振动参量；振动频次测量机构安装在底座20上，用来记录振动频次以及振动能量；控制箱及处理系统16通过控制箱支撑板18固定在底座边缘，显示器17安装在控制箱及处理系统16上；控制箱及处理系统16实现了整个测试仪的信息传输、处理。

副矢方向振动测量机构包括三角形刚性板1、空心圆支撑架5，空心圆支撑架5通过支撑架支撑杆8固定在底座20上方，三角形刚性板1通过三根拉伸弹簧2、3、4与空心圆支撑架5弹性连接，三根拉伸弹簧分别通过卡锁7连接在三角形刚性板1的三角形顶点位置，每根拉伸弹簧末端与空心圆支撑架5连接处均内置有一个副矢测量传感器23，用来测试副矢平面振动参量，通过所得振动参量可得到外力作用的副矢平面振动状态。其中，三角形刚性板1、拉伸弹簧2、3、4、卡锁7和副矢测量传感器23实现了副矢方向的测量机构；空心圆支撑架5和支撑架支撑杆8为副矢方向测量机构的支撑。

主矢方向振动测量机构包括三根可动导向测量指示杆9，三根可动导向测量指示杆9分别通过导向座13分布安装在底座20上，每根可动导向测量指示杆9外均设有压力弹簧11，三个压力弹簧11的末端与三角形刚性板1连接，且压力弹簧11末端分别内置有压电传感器24，在底座20与三角形刚性板1之间还设置有固定导向杆10，固定导向杆10上设有压电传感器支撑弹簧12，用来支撑压电传感器24，压电传感器可用来测试主矢方向振动参量，通过所得振动参量可得到外力的作用主方向振动状态，采用三个压电传感器目的还有均分主矢方向误差的作用；可动导向测量指示杆9、压力弹簧11、压电传感器24和频次测量传感器29实现了主矢方向的测量机构；固定导向杆10、压电传感器支撑弹簧12、导向座13为主矢方向测量机构的支撑。

在三个可动导向测量指示杆9末端各装有频次测量传感器29来记录振动频次，从而估计瞬态力产生振动时所拥有的能量，底座20内设有传感器托盘22，传感器支撑架14固定在传感器托盘22上，传感器支撑架14、传感器外罩21、传感器托盘22、传感器固定螺栓25、传感器托架连接螺栓26和传感器固定套28实现了频次测量传感器29的安装。

控制箱及处理系统16通过控制箱支撑板18固定在底座边缘，显示器17安装在控制箱及处理系统16上。控制箱及处理系统16、显示器17和控制箱支撑板18实现了整个测试仪的信息传输、处理。

控制箱内设有线束盒15，使控制箱及处理系统16分别通过线束19连通各传感器，线束管6、线束19和线束盒15实现了整个测试系统电路管线的排布。

底座20底部设有多个移动滚轮27，实现了整个测试仪的支撑与移动。

空间多维度外力感知机械测量仪的工作原理为：

所受到的多维度空间瞬态外力通过与刚性板的碰撞接触，产生相应振动，由于空间瞬态力产生的振动状态是弹性耦合的多自由度振动，并且符合牛顿小运动假设，忽略振动状态的小转动效应。本发明将振动状态简化分解为主矢方向的单自由度振动系统和垂直于主矢方向的平面二自由度振动系统。当受到外力冲击时将引起轻质刚性板带动三个吊弹簧在测量面内形成平面振动，产生该副矢参量的时间响应，通过测量振动的幅值、频率和相位可以得到副矢振动状态，同时在垂直于副矢平面方向引起了纵向主矢运动，通过测量振动的幅值、频率和相位可以得到主矢振动状态。如此便得到了空间瞬态力引起的空间振动状态的副矢平面二自由度和主矢振动状态的分解参量，并把所得副矢平面力幅值参量合成可得到外力的作用矢量点，至此整个瞬态外力引起的振动状态参量便确定。在三个拉伸弹簧末端内置有副矢测量传感器，用来测试副矢平面振动参量，通过所得振动参量可得到外力作用的副矢平面振动状态；在三个压力弹簧的末端内置有压电传感器，用来测试主矢方向振动参量，通过所得振动参量可得到外力的作用主方向振动状态，采用三个压电传感器目的还有均分主矢方向误差的作用。通过拉伸弹簧和压簧的运动参量可综合得出整个外力对刚性板作用后产生的力和运动状态，在三个可动导向测量指示杆末端各装有频次测量传感器来记录振动频次，从而估计瞬态力产生振动时所拥有的能量。对拉伸弹簧和压簧末端所得振动状态信号进行相关分析，可从噪声背景中提取各项振动信号，并通过相干分析可得到纵向力和横向力的相干程度最后对整个运动过程中产生振动的矢量体进行概率统计，从而可以估计瞬态作用力的原始空间状态。

空间多维度外力感知机械测量仪的测量电路与具体实施：

如图10所示：空间多维度外力感知机械测量仪的测量电路包括：能量频次记录电路、主矢振动测量电路、副矢平面振动测量电路和处理显示电路。

能量频次记录电路：实现振动能量和振动频次、主矢方向的振动幅值的测量。具体包括频次测量传感器、脉冲记录仪、电平转换电路、脉冲调理电路和存储器组成。

对于主矢振动测量电路：包含4路，各组态模式一致，主要由压电晶体传感器、电荷放大器、信号调理电路、脉冲记录仪、A/D转换和存储电路组成，其中三路取平均做为主矢振动参量测量，另一路信号作为测量故障诊断校准，脉冲记录仪对测量信号的脉动进行相关的处理。

对于副矢振动测量电路：包含3路，各组态模式一致，主要由副矢测量传感器、放大器、脉冲记录仪、信号调理电路、A/D转换和存储电路组成。其中，脉冲记录仪对测量信号的脉动进行相关的处理。

对于处理显示电路：主要由处理器、显示器和相关的电路组成，实现了信号的显示与处理。

如图10所示，控制箱内内置有脉冲记录仪，电平转换电路，脉冲调理电路，幅频记录器，信号处理器，存储器实现对三路数字量开关信号的处理。通过放大电路、信号调理电路、AD采集、振动记录仪数据缓存器实现对压电传感器所采集的模拟量运动参量进行存储。上位机对整个信号进行处理实现对整个外力测量状态的计算与推理，在这里对所采集的信号使用小波变换进行分析，刚性板所受到的冲量为瞬间时变信号，小波变换能有效的从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，解决了傅立叶变换不能解决的许多困难问题。通过获得的特征图谱来反向推理各状态参数，从而还原原始瞬态力。

通过刚性板的空间振动分析可以表征一个物体在空间的振动状态，通过底座传感器托架上内置的频次测量传感器和拉伸弹簧所在的频次测量传感器，通过统计理论来得出整个物体在空间震动的衰减频次，进而对外力作用下物体的空间运动状态进行时域和频域的估计。

使用本空间多维度外力感知机械测量仪实现了一个多维度的机械运动感知，并对测量所得信号进行初期运动规律的分析，通过概率统计振动状态矢量参量来反向还原初始受力状态，从而实现测量、分析和动态还原为一体的空间多维运动状态感知。在信号相关处理后，得到主矢、副矢各振动参量的相干程度，以及各参量的作用频次作为主要影响因子来衡量外界瞬态力的矢量性能，得出它的强弱程度、作用方向、作用频次。三个拉簧末端副矢测量传感器所采集到的信号幅值参量矢量合成来求解外界瞬态力的作用点和作用方向；压簧末端传感器采集到的幅值信号可以得到外界瞬态力引起振动效应的主振强度，从而得到外界瞬态力的强度；可动导向测量指示杆末端频次传感器可以测量振动频次，可以得到主矢方向外界瞬态力所携带的能量；根据各传感器所得到的信号时差可以得到外界瞬态力所包含的相位信息；最后通过处理器进行各参量的统计学处理得到外界状态力的规律，从而还原瞬态力。

Claims (2)

1.一种空间多维度外力感知机械测量仪，其特征在于，包括底座、副矢方向振动测量机构、主矢方向振动测量机构、振动频次测量机构、控制箱及处理系统；副矢方向振动测量机构安装在底座上方，用来测试副矢平面振动参量；主矢方向振动测量机构安装在底座与副矢方向振动测量机构之间，用来测试主矢方向振动参量；振动频次测量机构安装在底座上，用来记录振动频次；控制箱及处理系统安装在底座上，且分别与副矢方向振动测量机构、主矢方向振动测量机构、振动频次测量机构电连接；

所述副矢方向振动测量机构包括三角形刚性板、空心圆支撑架，空心圆支撑架通过支撑架支撑杆固定在底座上方，三角形刚性板通过三根拉伸弹簧与空心圆支撑架弹性连接，每根拉伸弹簧末端均内置有一个副矢测量传感器；

所述主矢方向振动测量机构包括三根可动导向测量指示杆，三根可动导向测量指示杆分别通过导向座分布安装在底座上，每根可动导向测量指示杆外均设有压力弹簧，三个压力弹簧的末端与三角形刚性板连接，且压力弹簧末端分别内置有压电传感器；在底座与三角形刚性板之间还设置有固定导向杆，固定导向杆上设有压电传感器支撑弹簧，用来支撑压电传感器；可动导向测量指示杆、压力弹簧、压电传感器和频次测量传感器构成了主矢方向的测量机构；固定导向杆、压电传感器支撑弹簧、导向座为主矢方向测量机构的支撑；所述三根可动导向测量指示杆末端各装有频次测量传感器，底座内设有传感器托盘，传感器支撑架固定在传感器托盘上。

2.如权利要求1所述的一种空间多维度外力感知机械测量仪，其特征在于，所述控制箱及处理系统内包括：

能量频次记录电路，其与所述振动频次测量机构电连接，将测量信号依次通过脉冲记录仪、电平转换电路、脉冲调理电路和存储器，进入处理显示电路；

主矢振动测量电路，其与所述主矢方向振动测量机构电连接，将测量信号依次经过电荷放大器、信号调理电路、脉冲记录仪、A/D转换和存储器，进入处理显示电路；

副矢振动测量电路，其与所述副矢方向振动测量机构电连接，将测量信号依次放大器、脉冲记录仪、信号调理电路、A/D转换和存储器，进入处理显示电路；

处理显示电路对收集到的信号进行处理及显示。