CN109000783A - 一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种帆结构的非接触式振动检测装置与方法，包括太阳帆结构本体部分及振动激励检测部分；所述太阳帆结构本体部分包括太阳帆模型及固定支撑臂，所述振动激励检测部分包括激振器、计算机、投点器、功率放大器及双目视觉检测系统。本发明对太阳帆结构模型进行振动检测具有重要的意义。

Description

一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置与方法

技术领域

本发明涉及太阳帆结构的振动检测领域，具体涉及一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置与方法。

背景技术

自二十世纪60年代起，为解决航天器大尺寸结构发射包络限制等问题，空间可展开结构技术得以产生，并朝着轻量、易折叠、全展面积巨大等趋势发展。空间可展开太阳帆航天器利用被太阳光照射时产生的压力进行宇宙航行。这种动力来源称为“光压”，光具有波粒二象性，当光子的动量作用在反射性能很强的帆面上时，其产生的冲量会对反射平面形成推力；一个光子产生的推力是微乎其微的，但当太阳帆面面积足够大时，就会聚集较大的推力；由于太空是真空的，因此这种恒定的推力会持续推动空间可展开太阳帆航天器航行。这种既不需要燃料又可以持续飞行于太空的航天器正渐渐吸引各国航空航天科研人员的注意，越来越多的航天科研机构也展开了空间可展开太阳帆航天器的研究。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研制的IKAROS号是世界上首个试飞成功的太阳帆飞船，IKAROS帆面采用边长约14m的正方形薄膜，表面5％的面积贴覆着柔性薄膜太阳能电池组件，验证了太阳能发电在太阳帆上的应用可行性，目前IKAROS太阳帆飞船已用于金星探测。美国航空航天局(NASA)研发的Nano Sail-D太阳帆是另一款成功实现升空的小型太阳帆，它的帆面选用厚度为2.0um的CP1聚酰亚胺薄膜材料，正面镀铝；支撑杆选用可卷曲材料，从而能够存储于很小的空间里。德国航空航天局(DLR)和欧洲航天局(ESA)联合开发了一款20m x 20m的太阳帆模型，这种空间可展开太阳帆帆面结构模型是采用4块等腰直角三角形的聚合物薄膜和4根可压缩的支撑架结构组成。本发明的太阳帆结构本体部分的帆面结构采用的就是这类模型，目的是对现有空间可展开太阳帆帆面结构模型在展开过程中必不可少的振动进行研究，通过在升空前进行多次的振动检测试验及其他必要试验以探究其实用性能，确保空间可展开太阳帆航天器升空后能实现展开操作。实际中，因展开机构的振动及其他因素的综合影响，可能会导致帆面在太空中无法如预期般展开。2015年，英国萨里空间中心(SSC)设计的DeorbitSail立方星航天器升空，但在太空航行中，其帆面未能成功展开。因此，对太阳帆结构模型进行振动检测具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置与方法。

本装置用投点器在空间可展开太阳帆模型表面投射形成数个投射点，而后信号发生器发出信号经功率放大器放大后传至激振器，引起太阳帆结构本体部分的振动；一对高速相机组成的双目视觉系统采集投射点在振动过程中的信息，采集的振动信息传输给计算机，经分析可得空间可展开太阳帆模型的振动状态。

本发明采用如下技术方案：

一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置，包括太阳帆结构本体部分及振动激励检测部分；

所述太阳帆结构本体部分包括太阳帆模型及固定支撑臂，所述固定支撑臂用于支撑展开的太阳帆模型，使太阳帆模型保持竖直放置状态，所述固定支撑臂通过龙门结构固定在实验台上；

所述振动激励检测部分包括激振器、计算机、投点器、功率放大器及双目视觉检测系统，所述激振器共有两台，对称设置在太阳帆模型上，计算机与功率放大器连接，功率放大器驱动激振器激起太阳帆模型的振动；

所述投点器设置在太阳帆模型的前方，在太阳帆模型的正面投射形成多个投射点；

所述双目视觉检测系统设置在太阳帆模型的前方，太阳帆模型在其视野范围内，所述双目视觉检测系统检测投影点的振动信息，传输给计算机得到展开太阳帆模型的振动状态。

所述双目视觉检测系统包括一对高速相机、液压云台及相机滑轨，所述一对高速相机安装在液压云台上，液压云台安装在相机滑轨上。

所述太阳帆模型由四根等长的可伸缩支撑杆及四块相等的等腰直角三角形帆面薄膜构成。

本装置还包括检测装置台，双目视觉检测系统及投点器设置在检测装置台上。

所述投点器设置在一对高速相机之间。

一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置的方法，包括如下步骤：

第一步，投点器在空间展开的太阳帆模型正面投射形成多个投射点；

第二步，计算机发出信号经功率放大器放大后传至激振器，激起太阳帆模型表面振动；

第三步，双目视觉检测系统采集投射点在振动过程中的信息，传输给计算机，计算机经过分析得到太阳帆模型的振动状态。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用一对高速相机组成的双目视觉系统对太阳帆结构本体部分进行振动检测，其优点是：不用直接接触被测物体，故而不影响被测物体的动态性能；使用投射器可一次性在空间可展开太阳帆模型表面投射形成数个投射点，而后双目视觉系统同时检测数个投射点，可有效提高实验精度；

(2)本发明使用两台放置在不同位置处的激振器进行激振，可进行单台激励、两台同时激励，丰富椭圆柱形壳表面的形变方式；激振器具有高效、不失真的特点，可以有效提高实验装置的性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明太阳帆模型的主视图；

图3是本发明的左视图。

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

如图1-图3所示，一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置，包括太阳帆结构本体部分及振动激励检测部分；

所述太阳帆结构本体部分包括太阳帆模型1、固定支撑臂4及实验台6。

所述太阳帆模型由四根等长的可伸缩支撑杆1-1及四块相等的等腰直角三角形帆面薄膜1-2构成。太阳帆模型在展开过程中，可伸缩支撑杆逐步伸长，压缩的帆面薄膜逐步展开，直至完全展开。所述固定支撑臂用于支撑展开后的太阳帆模型，并使展开后的太阳帆模型保持竖直放置状态，固定支撑臂与太阳帆模型的连接位置以螺纹联接的方式固定在龙门结构上，龙门结构的底部固定在实验台上，所述实验台6为铝型材座，置于空间可展开太阳帆模型后端。

所述固定支撑臂用于支撑展开的太阳帆模型，使太阳帆模型整个平面保持竖直放置状态，且太阳帆模型的一条对角线平行于水平面，另一条垂直于水平面。

所述振动激励检测部分包括激振器5、计算机12、投点器11、功率放大器3及双目视觉检测系统，所述激振器及激振器台座放置在实验台6上，所述激振器有两台，对称设置在太阳帆模型的对角线上，激振器顶杆与太阳帆模型的可伸缩支撑杆接触，计算机产生信号输入功率放大器3，进一步驱动激振器激起展开的太阳帆模型表面的振动。

所述双目视觉检测系统包括一对高速相机10、液压云台9及相机滑轨8，所述一对高速相机10安装在液压云台9上，液压云台安装在相机滑轨上。

所述液压云台9为液压式调节云台，可承载较重型相机，通过调节液压云台9的调节旋钮可对高速相机10的拍摄角度进行微调；所述液压云台9安装在相机滑轨8上，在滑轨上来回移动液压云台9可改变相机的拍摄位置；当激励引起帆面薄膜1-2的振动，双目视觉系统采集空间可展开太阳帆模型1表面上投射点2在振动过程中的信息，采集的振动信息传输给计算机12，经分析可得空间可展开太阳帆模型1的振动状态。

所述相机滑轨设置在检测装置台上，投点器设置在两个高速相机的中间位置。

计算机还包括显示屏13。

本发明的工作过程：

投点器在空间展开的太阳帆模型正面投射形成多个投射点；

计算机发出信号经功率放大器放大后传至激振器，激起太阳帆模型表面振动；

双目视觉检测系统采集投射点在振动过程中的信息，传输给计算机，计算机经过分析得到太阳帆模型的振动状态。

经过反复实验，将求得的数据进行整合以减小实验误差。

本实施例中，被测对象空间可展开太阳帆模型的帆面结构主要由4根等长的支撑杆和4块全等的等腰直角三角形帆面薄膜组成。其中帆面薄膜两直角边边长为1000mm，厚度为7.5μm，材料选用聚酰亚胺Kapton薄膜，两面镀铝以提高对太阳光的反射率；可伸缩性支撑杆材料选用碳纤维复合材料(CFRP)，由树脂注射成型(RI)技术制造，这种支撑杆可卷曲缠绕在中心轴上，向其中充气可使支撑杆逐步展开，且支撑杆在展开后仍具有足够的刚度。

激振器选用南京佛能科技实业有限公司生产的HEV系列激振器，该系列激振器体积小，重量轻。选用型号为HEV-50的激振器，其最大激振力为50N，频宽范围为0～3000Hz，最大振幅±5mm，具有高效、节能和失真度小等优点。

高速相机选用日本NAC图像技术有限公司生产的高速摄像机，型号为HX-7S，HX-7S高速摄像机紧凑轻巧，高清分辨率时可达2000fps，电子快门可达10毫秒至1.1微秒，分辨率为2560x1920像素，具有高分辨率，高感光度，独立以及超快的成像技术；液压云台选用菲曼斯公司生产的液压云台，其上配有水平仪用于校验平台的水平度。滑轨选用菲曼斯公司生产的型号为Famous F8PRO摄影滑轨，滑轨材质为碳纤维，重量轻，抗张强度高，移动平滑流畅。高速相机安装在液压云台上，通过调节液压云台的调节旋钮可对高速相机的拍摄角度进行微调；液压云台安装在相机滑轨上，在滑轨上来回移动液压云台可改变相机的拍摄位置。检测装置台7由铝型材、铝板及角件等组成，用于支撑本发明的非接触式振动检测系统。投点器选用Geodetic System公司生产的型号为PRO-SPOT/A型投点器，单次可投射多达2000多个点，精度达到10μm。

计算机选用台湾研华科技公司生产的IPC610机箱，PCA-6006主板，Pentium IV2.4G 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 (6)

1.一种太阳帆结构的非接触式振动检测装置，其特征在于，包括太阳帆结构本体部分及振动激励检测部分；

所述太阳帆结构本体部分包括太阳帆模型及固定支撑臂，所述固定支撑臂用于支撑展开的太阳帆模型，使太阳帆模型保持竖直放置状态，所述固定支撑臂通过龙门结构固定在实验台上；

所述振动激励检测部分包括激振器、计算机、投点器、功率放大器及双目视觉检测系统，所述激振器共有两台，对称设置在太阳帆模型上，计算机与功率放大器连接，功率放大器驱动激振器激起太阳帆模型的振动；

所述投点器设置在太阳帆模型的前方，在太阳帆模型的正面投射形成多个投射点；

所述双目视觉检测系统设置在太阳帆模型的前方，太阳帆模型在其视野范围内，所述双目视觉检测系统检测投影点的振动信息，传输给计算机得到展开太阳帆模型的振动状态。

2.根据权利要求1所述的非接触式振动检测装置，其特征在于，所述双目视觉检测系统包括一对高速相机、液压云台及相机滑轨，所述一对高速相机安装在液压云台上，液压云台安装在相机滑轨上。

3.根据权利要求1所述的非接触式振动检测装置，其特征在于，所述太阳帆模型由四根等长的可伸缩支撑杆及四块相等的等腰直角三角形帆面薄膜构成。

4.根据权利要求1所述的非接触式振动检测装置，其特征在于，还包括检测装置台，双目视觉检测系统及投点器设置在检测装置台上。

5.根据权利要求2所述的非接触式振动检测装置，其特征在于，投点器设置在一对高速相机之间。

6.一种根据权利要求2所述的非接触式振动检测装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，投点器在空间展开的太阳帆模型正面投射形成多个投射点；

第二步，计算机发出信号经功率放大器放大后传至激振器，激起太阳帆模型表面振动；

第三步，双目视觉检测系统采集投射点在振动过程中的信息，传输给计算机，计算机经过分析得到太阳帆模型的振动状态。