CN109186742A - 一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置与方法，包括圆柱环形薄壳本体部分，振动检测部分及驱动控制部分；所述振动检测部分包括一对CCD相机、压电传感器、电荷放大器、A/D采集卡及计算机，所述驱动控制部分包括惯性质量激振器单元及压电陶瓷驱动器单元。本装置采用两种测量方式，多传感器融合的控制模式，能精确对圆柱环形薄壳进行测量与控制。

Description

一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置与方法

技术领域

本发明涉及检测控制领域，具体涉及一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置与方法。

背景技术

圆柱环形薄壳结构在航空器、潜艇、火箭、飞机及轨道列车等工业制造领域应用广泛，它们许多重要部件都采用圆柱环形薄壳结构。然而圆柱环形薄壳的振动及其产生的噪声普遍存在：航空航天领域，航空器轨道舱的振动及其噪声；军事领域，潜水艇的圆柱环形薄壳结构的振动及其噪声；生活实际中，轨道列车在行驶过程中发动机的振动及其产生的噪声；汽车制造业也存在发动机的振动及其产生的噪声这一隐患；育婴箱的微小振动及其噪声；存有液体或是气体的圆柱环形薄壳结构的压力容器的振动及其噪声等等。这些振动及其噪声会为设备甚至整个系统带来极其严重的影响，因此对圆柱环形薄壳振动噪声的研究、精确测量及控制就显得尤为重要。

在研究圆柱环形薄壳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有着举足轻重的重要性，其中振动检测环节司感知被测物振动状态之功能，振动控制环节司响应被测物振动状态之功能。因此，振动检测装置、振动控制装置的选型及相应的振动检测方法、振动控制方法的实施显得尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术中圆柱环形薄壳结构的振动检测与控制技术的缺点与不足，本发明提供一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置与方法。

本装置采用采用一对CCD相机组成的双目视觉系统作为主要的振动检测部分，能即时的将被测物体的振动信息反馈至计算机；选用惯性质量激振器和两个压电陶瓷驱动器作为振动控制部分，多传感器融合能实现对被控物体的振动进行精准控制。

本发明采用如下技术方案：

一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，包括圆柱环形薄壳本体部分，振动检测部分及驱动控制部分；

所述圆柱环形薄壳本体部分包括圆柱环形薄壳，所述圆柱环形薄壳通过固定支座固定在实验台上，所述圆柱环形薄壳的外表面设有多个标志点；

所述振动检测部分包括一对CCD相机、压电传感器、电荷放大器、A/D采集卡及计算机，所述一对CCD相机设置在圆柱环形薄壳的上方，多个标志点在CCD相机的视野范围内，所述压电传感器设置在圆柱环形薄壳的内表面，压电传感器检测圆柱环形薄壳的振动信号经过电荷放大器及A/D采集卡后输入计算机，所述CCD相机与计算机连接；

所述驱动控制部分包括惯性质量激振器单元及压电陶瓷驱动器单元；

所述惯性质量激振器单元包括惯性质量激振器、功率放大器及信号发生器，所述惯性质量激振器设置在圆柱环形薄壳外表面，信号发生器与功率放大器及惯性质量激振器依次连接；

所述压电陶瓷驱动器单元包括压电陶瓷驱动器、放大电路及D/A转换器，所述计算机输出信号经过D/A转换器及放大电路后驱动压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器设置在圆柱环形薄壳的外表面。

所述多个标志点等间距贴在圆柱环形薄壳的中间位置；

所述压电传感器由多片压电陶瓷片构成，与圆柱环形薄壳的外表面标志点位置一一对应。

所述惯性质量激振器位于圆柱环形薄壳的中间位置，安装平面平行于实验台。

所述压电陶瓷驱动器具体为两个，对称安装在惯性质量激振器的两侧。

还包括约束挡板，约束挡板设置在圆柱环形薄壳的两端。

本装置还包括桁架及桁架支座，所述桁架支座固定在实验台上，所述桁架与桁架支座连接水平安放在圆柱环形薄壳正上方。

所述圆柱环形薄壳的厚度为0.3mm。

一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置的方法，包括如下步骤：

信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送惯性质量激振器，进一步激励圆柱环形薄壳振动；

一对CCD相机检测圆柱环形薄壳的振动信息输入计算机，同时压电传感器检测圆柱环形薄壳的振动信息，经由电荷放大器及A/D采集卡转换后输入计算机；

计算机通过对振动信息进行处理得到控制信号，经D/A转换器转换、放大电路驱动压电陶瓷驱动器实现抑制圆柱环形薄壳的振动。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过测量多个处于不同位置的标志点，由此可对圆柱环形薄壳的多阶模态进行检测，相较于现有技术，其优势在于：与被测物体非接触，不影响被测物体的动态性能；系统结构简单，易于操作；可多点检测，减小实验误差，提高测量精度等；

(2)用惯性式激振器和两个压电陶瓷驱动器作为振动控制部分，这种多传感器融合的控制模式，能精确地对圆柱环形薄壳本体部分进行控制，具有响应速度快、测量精度高、误差小等优点；

(3)使用惯性式激振器作为激励输入设备，其具有稳定性好、频带宽、环境适应性强、低耗等优点，能有效提高本装置的性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的标志点分布图；

图3是图1的主视图；

图4是图1的俯视图；

图5是图1的左视图；

图6是本发明的工作流程图。

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5所示，一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，包括圆柱环形薄壳本体部分，振动检测部分及驱动控制部分；

所述圆柱环形薄壳本体部分包括圆柱环形薄壳1、固定支座7、实验台2、挡板17，所述实验台铝型材座，用于支撑整个装置。所述固定支座通过螺纹联结对称放置在实验台上，所述圆柱环形薄壳以圆弧相接的方式水平放置在固定支座上，两端固定支座仅提供竖向约束；所述挡板安装在实验台上，位置分别处于靠近圆柱环形薄壳的两端，用于挡住圆柱环形薄壳的横向跳动。

所述振动检测部分包括一对CCD相机6、压电传感器9、电荷放大器14、A/D采集卡15及计算机16；

所述圆柱环形薄壳的外表面设有多个标志点，多个标志点构成阵列，多个标志点等间距贴在圆柱环形外壳的中间位置，标志点在一对CCD相机的视野范围内，还包括用于固定一对CCD相机所需的桁架5及桁架支座8，所述桁架支座通过螺纹联结固定在实验台上，桁架通过与桁架支座间的螺纹联结水平安放在圆柱环形薄壳正上方，一对CCD相机安装在桁架5的中间位置，相机镜头正对着圆柱环形薄壳外表面贴装的标志点，一对CCD相机通过USB数据线与计算机连接。

通过测量多个处于不同位置的标志点，可对圆柱环形薄壳的多阶模态进行检测，相较于现有技术，其优势在于：与被测物体非接触，不影响被测物体的动态性能；系统结构简单，易于操作；可多点检测，减小实验误差，提高测量精度等。

所述压电传感器由过个压电陶瓷片构成，压电陶瓷片贴在圆柱环形薄壳的内壁，与标志点在圆柱环形薄壳的外表面的位置的空间坐标相同，且一一对应。

压电传感器检测的圆柱环形薄壳的振动信号，需经过电荷放大器放大，经过A/D采集卡采集后传输到计算机。

所述驱动控制部分包括惯性质量激振器单元及压电陶瓷驱动器单元；

所述惯性质量激振器单元包括惯性质量激振器4、功率放大器10及信号发生器11，所述惯性质量激振器安装在圆柱环形薄壳的外表面，且位于中间位置，本实施例中的中间位置是圆柱环形薄壳的长轴中间，其安装平面相切于圆柱环形薄壳外表面且平行于实验台。

所述压电陶瓷驱动器单元包括压电陶瓷驱动器3、放大电路12及D/A转换器13，计算机对两种振动信息进行比较处理后得到控制信号，输出D/A转换器及放大电路驱动压电陶瓷驱动器对圆柱环形薄壳进行控制，从而实现对圆柱环形薄壳的振动控制。

使用惯性质量激振器和两个压电陶瓷驱动器作为振动控制部分，这种多传感器融合的控制模式，能精确地对圆柱环形薄壳本体部分进行控制，具有响应速度快、测量精度高、误差小等优点。

如图6所示，本发明的控制过程为：

信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送惯性质量激振器，进一步激励圆柱环形薄壳振动。

在圆柱环形薄壳振动的过程中，一对CCD相机检测其振动信息，同时多个压电传感器检测振动信息进行对比。

所述压电传感器检测的振动信息经由电荷放大器14放大及A/D采集卡15转换后传送至计算机中。

计算机对CCD相机的振动信息及压电传感器检测的振动信息进行对比分析，从而获得更准确的振动信息，得到控制信号，控制信号经D/A转换器转换，放大电路放大后驱动压电陶瓷驱动器抑制振动。

通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到圆柱环形薄壳的振动特性及控制效果。

在本实施例中，被测对象圆柱环形薄壳长度为980mm，外径为200mm，厚度为0.3mm，材料选用铝合金，材料密度为2770kg/m³，泊松比为0.31，弹性模量为193GPa。

压电陶瓷驱动器长度为40mm，宽度为20mm，高度为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；惯性质量激振器选用Micromega公司生产的型号为ADD-45N型惯性质量激振器，其振荡有效范围为2Hz～2kHz，具有稳定性好、环境适应性强、低耗等优点。

CCD相机选用映美精公司生产的CCD相机，型号为The Imaging Source DFK21BU04USB2.0彩色工业相机，图像分辨率为640×480像素，帧速率为60fps；镜头选用Computar公司生产的工业镜头，型号为M1614-MP，镜头焦距为16mm，最大成像尺寸为8.8mm×6.6mm，分辨率为100lpm，接口类型为C-接口；压电传感器长度为40mm，宽度为20mm，高度为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。

D/A转换器选用Intersil公司生产的型号为ISL5857型高速D/A转换器，其分辨率为12位，最大转换率为260MSPS，电压为3.3V，温度范围为-40℃～85℃；A/D采集卡选用ISLA222S12型高速输出ADC，其分辨率为12位，最大转换率位125MSPS，温度范围为-40℃～85℃；计算机选用台湾研华科技公司生产的IPC610机箱，PCA-6006主板，Pentium IV 2.4GIntel CPU。

图1中虚线指示了各个设备之间的连线关系。

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)

1.一种基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，其特征在于，包括圆柱环形薄壳本体部分，振动检测部分及驱动控制部分；

所述圆柱环形薄壳本体部分包括圆柱环形薄壳，所述圆柱环形薄壳通过固定支座固定在实验台上，所述圆柱环形薄壳的外表面设有多个标志点；

所述振动检测部分包括一对CCD相机、压电传感器、电荷放大器、A/D采集卡及计算机，所述一对CCD相机设置在圆柱环形薄壳的上方，多个标志点在CCD相机的视野范围内，所述压电传感器设置在圆柱环形薄壳的内表面，压电传感器检测圆柱环形薄壳的振动信号经过电荷放大器及A/D采集卡后输入计算机，所述CCD相机与计算机连接；

所述驱动控制部分包括惯性质量激振器单元及压电陶瓷驱动器单元；

所述惯性质量激振器单元包括惯性质量激振器、功率放大器及信号发生器，所述惯性质量激振器设置在圆柱环形薄壳外表面，信号发生器与功率放大器及惯性质量激振器依次连接；

所述压电陶瓷驱动器单元包括压电陶瓷驱动器、放大电路及D/A转换器，所述计算机输出信号经过D/A转换器及放大电路后驱动压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器设置在圆柱环形薄壳的外表面。

2.根据权利要求1所述的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，其特征在于，所述多个标志点等间距贴在圆柱环形薄壳的中间位置；

所述压电传感器由多片压电陶瓷片构成，与圆柱环形薄壳的外表面标志点位置一一对应。

3.根据权利要求1所述的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，其特征在于，所述惯性质量激振器位于圆柱环形薄壳的中间位置，安装平面平行于实验台。

4.根据权利要求1所述的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器具体为两个，对称安装在惯性质量激振器的两侧。

5.根据权利要求1所述的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，其特征在于，还包括约束挡板，约束挡板设置在圆柱环形薄壳的两端。

6.根据权利要求1-5任一项所述的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，其特征在于，还包括桁架及桁架支座，所述桁架支座固定在实验台上，所述桁架与桁架支座连接水平安放在圆柱环形薄壳正上方。

7.根据权利要求1所述的圆柱环形薄壳振动检测控制装置，其特征在于，所述圆柱环形薄壳的厚度为0.3mm。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的基于视觉的圆柱环形薄壳振动检测控制装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送惯性质量激振器，进一步激励圆柱环形薄壳振动；

一对CCD相机检测圆柱环形薄壳的振动信息输入计算机，同时压电传感器检测圆柱环形薄壳的振动信息，经由电荷放大器及A/D采集卡转换后输入计算机；

计算机通过对振动信息进行处理得到控制信号，经D/A转换器转换、放大电路驱动压电陶瓷驱动器实现抑制圆柱环形薄壳的振动。