CN109596295B - 一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，属于激光校准领域。本发明主要由激光绝对测量系统、靶标和三向线振动加速度计组成。所述的激光绝对测量系统用于保障采用同一束激光分为多路同步测量和实时显示多轴振动台产生的三维线振动，并实现三维线振动溯源到长度、时间基本量；通过靶标实现多轴振动台产生角振动和线振动的分离，能够直接通过反射面/棱镜反射的激光信号测量获得多轴振动台的三维线振动；并通过靶标实现安装三向线振动加速度计，并通过比较激光绝对测量系统测量得到的多轴振动台的三维线振动的标准值和三向线振动加速度计的输出。本发明能够保障多轴振动台线振动量值计量校准的准确和可靠。

Description

一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置

技术领域

本发明涉及一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，尤其涉及为多轴向振动台设计的专用计量校准装置，使其线振动量值可以溯源到基本量，并且可以对加速度计法测量进行量值传递，属于激光校准领域。

背景技术

目前用于环境试验的单轴向振动台的校准技术已经很成熟，包括JJG948-2018《电动振动试验系统检定规程》和JJG638-2015《液压振动试验系统检定规程》对单轴电动和液压振动台的校准方法和装置都进行了规定，其量值传递和准确性也得到了保障。

但是随着振动试验需要更真实的模拟自然环境下的三维运动，国内外开始生产研制多轴向振动台，其校准和量值的准确性评价问题也应运而生。其校准存在的主要难题是使用JJG948和JJG638中规定的方法，无法将三维运动产生的角振动和线振动进行分离，三维运动产生的角振动会对测量用三向线加速度计的输出产生附加影响，导致测量结果的量值不准确，并且其溯源性也无法保障。

因此需要设计一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，消除角振动对线振动测量的影响，并且将三维线振动溯源到长度、时间基本量，并且可以对三向线加速度计进行三维线振动的量值传递。

2008-10-08公开的专利：CN101281088A，题目：《三轴六自由度振动试验装置》，发明人：濮龙锋；李平；武元桢。公开了一种三轴六自由度振动试验装置，包括一个试件工作台，以试件工作台的重心为坐标原点，在水平X轴方向上设置第一振动发生器，与试件工作台间经第一球形连接器连接；在水平Y轴方向上并列设置第二振动发生器和第三振动发生器，第二振动发生器的振动体与试件工作台间经第二球形连接器连接，第三振动发生器的振动体与试件工作台间经第三球形连接器连接；在Z轴方向上并列设置第四振动发生器和第五振动发生器，第四振动发生器的振动体与试件工作台底面间经第四球形连接器连接，第五振动发生器的振动体与试件工作台底面间经第五球形连接器连接。该发明能模拟出真实环境下X、Y、Z三轴六自由度复合振动环境，更准确复现真实工况，最接近自然真实的环境，大幅提升振动试验结果的准确性。

2017-03-29公开的专利：CN106546401A，题目：《具有预紧结构的三轴向解耦装置及振动台》，发明人：仝宁可；付实现。公开了一种具有预紧结构的三轴向解耦装置，包括滑轨、X导向轴、Y导向轴以及Z导向轴，每根导向轴通过第一静压机构形成的静压油膜层浮动设置，每个第一静压机构还设置有预紧螺钉，预紧螺钉的一端与第一静压机构相对固定，预紧螺钉的另一端与另一同侧静压机构或另一异侧静压机构相对固定。该发明在连接方式上采用预紧螺钉的结构设计，在工作时，给其通入高压油，使两处油膜层处产生高压油膜，然后预紧螺钉的预紧力可以抵消高压油膜对外产生的张力，使其保证油膜层间隙，以及油膜层自身的刚度，提高三轴向解耦装置的工作稳定性及耐久性。

2017-07-14公开的专利：CN206330720U，题目：《具有静压导向功能的一体式三轴向解耦装置及振动台》，发明人：付实现；仝宁可。公开了一种具有静压导向功能的一体式三轴向解耦装置，包括连接主体、滑轨、X轴导向组件、Y轴导向组件以及Z轴导向组件，连接主体包括一壳体，滑轨设置在壳体的内部，壳体的侧壁分别设置有X轴通道、Y轴通道以及Z轴通道，X导向轴、Y导向轴以及Z导向轴分别穿设过X轴通道、Y轴通道以及Z轴通道，并分别通过第二静压机构形成的液压油膜层相对X轴通道、Y轴通道以及Z轴通道浮动设置。该实用新型将三轴向振动试验装置设计成一体式结构，不但提高了本试验装置的自身刚度，而且还提高了整体系统的稳定性。

2017-08-18公开的专利：CN107063443A，题目：《一种三维空间运动轨迹振动合成方法》，发明人：刘志华；蔡晨光；夏岩；李京胜。该发明公开公开了一种三维空间运动轨迹振动合成方法，属于振动校准领域，该方法包括理想空间运动轨迹的空间姿态和轨迹形状的描述、目标的X、Y、Z轴向幅值和相位的计算、振动控制器、三轴向振动台、X、Y、Z轴向正弦振动的生成、三维空间运动轨迹的合成。任意幅值和相位的X、Y、Z轴向正弦振动合成空间直线、空间圆形和空间椭圆三种类型的三维空间运动轨迹。通过正交矩阵和长短轴分别描述空间椭圆运动轨迹的空间姿态和轨迹形状。根据空间椭圆的姿态和形状计算目标的X、Y、Z轴向幅值和相位，通过迭代控制算法修正驱动信号，控制三轴向振动台合成所需的空间运动轨迹。该发明可以通过X、Y、Z轴向幅值和相位自由调整三维空间运动轨迹的姿态和形状。

现有专利都是通过多个振动台和解耦装置实现三维的复合振动，或者通过单一振动复合形成空间振动，没有考虑空间三维振动中角振动和线振动的相互间的影响。

发明内容

本发明公开的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置要解决的技术问题是：从三维振动中分离出线振动，实现激光绝对法溯源到长度、时间基本量，同时不受到角振动的影响，而且能够对三向线加速度计进行量值传递，保障多轴向振动台线振动量值计量校准的准确和可靠。

本发明目的是通过技术方案实现的。

本发明公开的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，主要由激光绝对测量系统、靶标和三向线振动加速度计组成。所述的激光绝对测量系统用于保障采用同一束激光分为多路同步测量和实时显示多轴向振动台产生的三维线振动，并实现三维线振动溯源到长度、时间基本量；通过靶标实现多轴向振动台产生角振动和线振动的分离，使得激光绝对测量系统不受到角振动的影响，能够直接通过反射面反射的激光信号测量获得多轴向振动台的三维线振动；通过靶标安装三向线振动加速度计，并通过比较激光绝对测量系统测量得到的多轴向振动台的三维线振动的标准值和三向线振动加速度计的输出，实现对三向线振动加速度计的三维线振动量值传递，进而从三维振动中分离出线振动，实现激光绝对法溯源到长度、时间基本量，同时不受到角振动的影响，而且能够对三向线加速度计进行量值传递，保障多轴向振动台线振动量值计量校准的准确和可靠。

所述的激光绝对测量系统主要由激光测振仪、激光测振同步器、三维线振动测量显示仪表组成。在使用激光测振仪测量时，通过激光测振同步器，将一台激光器输出的光信号分成多路具有同样特性的光信号，通过同步相位解调获得线振动的幅值和相位特性，从而保障沿XYZ正交坐标系的线振动信号的同步测量和能够溯源到长度、时间基本量。同时，对于测量得到的线振动信号，通过具有同步数据采集和分析的振动显示仪器，实现三维线振动量的实时显示，即实现保障沿XYZ正交坐标系的线振动信号能够同步测量和显示。

所述靶标主要由三向线加速度计安装面、多轴向振动台固定孔、静电磁场气液压悬浮场、浮球外壳、反射面、浮球和光反射体、安装基座组成；采用悬浮球结构分离线振动传递和角振动，浮球和光反射体采用静电磁场气液压悬浮场方式实现悬浮，当安装底座产生角振动时，由于悬浮的作用，使得浮球和光反射体不会受到切向力，相对惯性坐标不会产生运动；当安装底座产生线振动时，由于悬浮的径向力作用，使得线振动传递到靶标的激光绝对测量系统激光反射面上，反射面保障激光能够返回激光绝对测量系统镜头内，从而实现三维线振动的准确测量。

靶标的立方体角上设置三向线加速度计安装面，所述的三向线振动加速度计安装在三向线加速度计安装面上，并在三向线加速度计安装面上对安装位置进行约束。在量值传递时，激光绝对测量系统测量得到的标准三维线振动量值，比较三向线振动加速度计的输出，并进行相应的坐标转换，即能够实现对三向线振动加速度计的量值传递，获得相应的角振动修正值，使得角振动修正值用于多轴向振动台的现场计量校准中。

有益效果：

本发明公开的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，通过激光绝对测量系统(激光测振仪、激光测振同步器、三维线振动测量显示仪表)保障采用同一束激光分为多路同步测量和实时显示多轴向振动台产生的三维线振动，并实现三维线振动溯源到长度、时间基本量；通过靶标实现多轴向振动台产生角振动和线振动的分离，使得激光绝对测量系统不受到角振动的影响，能够直接通过反射面/棱镜反射的激光信号测量获得多轴向振动台的三维线振动；通过靶标实现安装三向线振动加速度计，并通过比较激光绝对测量系统测量得到的多轴向振动台的三维线振动的标准值和三向线振动加速度计的输出，实现对三向线振动加速度计的三维线振动量值传递。

附图说明

图1是本发明的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置总体结构示意图；

图2是本发明的靶标示意图。

其中：三维线振动测量显示仪表-1、激光测振同步器-2、激光测振仪-3、靶标-4、三向线加速度计安装面-5、多轴向振动台固定孔-6、静电磁场气液压悬浮场-7、浮球外壳-8、反射面-9、浮球和光反射体-10、安装基座-11。

具体实施方案

下面结合附图与实例，对本发明的实现进行详细描述。

总体结构如图1所示，并辅以靶标设计图如图2进行补充。本实施例公开的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，主要由激光绝对测量系统、靶标和三向线振动加速度计组成。校准对象为任意多轴向振动台。激光绝对测量系统(三维线振动测量显示仪表1、激光测振同步器2、激光测振仪3、靶标4)为实现量值溯源到长度、时间量的绝对法计量校准系统。靶标(三向线加速度计安装面5、多轴向振动台固定孔6、静电磁场气液压悬浮场7、浮球外壳8、反射面9、浮球和光反射体10、安装基座11)为消除角振动影响，传递多轴向振动台线振动，反射测量光信号，并实现绝对法向三向线振动加速度计传递的装置。

对多轴向振动台进行校准工作前，先做如下安装连接：将激光测振同步器2输出的多路光信号通过光纤连接到激光测振仪3的光信号输入端，将激光测振仪3的电信号输出连接到三维线振动测量显示仪表1的同步信号输入端。

本实施例公开的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置校准工作时，将靶标4的安装基座11通过其上的多轴向振动台固定孔6，使用螺栓连接到多轴向振动台的台面上，调整安装位置，保障浮球外壳8垂直于多轴向振动台台面，浮球和光反射体10的反射面9能够暴露在浮球外壳外。将激光绝对测量系统安装到正对反射面9的安装结构上，保证反射光能够沿原路返回。进行量值传递时，将三向线加速度计安装到三向线加速度计安装面5的固定位置处。

如上全部安装完成后，启动多轴向振动台，设置相应的多轴振动量值，启动激光绝对测量系统电源，三维线振动测量显示仪表1即可实时显示多轴向振动台三维线振动标准量值，同时三向线加速度计输出的线加速度值也可在三维线振动测量显示仪表上显示，比较多轴向振动台的三维线振动设置值和标准值之间的偏差，即可实现绝对校准。比较三向线加速度计输出的线加速度值和标准值之间的偏差，即能够实现量值传递。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，其特征在于：主要由激光绝对测量系统、靶标(4)和三向线振动加速度计组成；其中，靶标(4)包括静电磁场气液压悬浮场(7)、浮球外壳(8)与浮球和光反射体(10)；反射面(9)在浮球和光反射体(10)的外表面上；浮球和光反射体(10)与反射面(9)能够暴露在浮球外壳(8)外；浮球和光反射体(10)采用静电磁场气液压悬浮场(7)方式实现悬浮；当浮球外壳(8)产生角振动时，由于悬浮的作用，使得浮球和光反射体(10)不会受到切向力，相对惯性坐标不会产生运动；当浮球外壳(8)产生线振动时，由于悬浮的径向力作用，使得线振动传递到靶标(4)的反射面(9)上，反射面(9)保障激光能够返回激光绝对测量系统镜头内，从而实现三维线振动的准确测量；所述的激光绝对测量系统用于保障采用同一束激光分为多路同步测量和实时显示多轴向振动台产生的三维线振动，并实现三维线振动溯源到长度、时间基本量；通过靶标(4)实现多轴向振动台产生角振动和线振动的分离，使得激光绝对测量系统不受到角振动的影响，能够直接通过反射面(9)反射的激光信号测量获得多轴向振动台的三维线振动；通过靶标(4)安装三向线振动加速度计，比较激光绝对测量系统测量得到的多轴向振动台的三维线振动标准值和三向线振动加速度计的输出，实现对三向线振动加速度计的三维线振动量值传递，进而从三维振动中分离出线振动，实现激光绝对法溯源到长度、时间基本量，同时不受到角振动的影响，而且能够对三向线加速度计进行量值传递，保障多轴向振动台线振动量值计量校准的准确和可靠。

2.如权利要求1所述的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，其特征在于：所述的激光绝对测量系统主要由激光测振仪(3)、激光测振同步器(2)、三维线振动测量显示仪表(1)组成；在使用激光测振仪(3)测量时，激光测振同步器(2)将一台激光器输出的光信号分成多路具有同样特性的光信号，通过同步相位解调获得线振动的幅值和相位特性，从而保障沿XYZ正交坐标系的线振动信号的同步测量和能够溯源到长度、时间基本量；同时，对于测量得到的线振动信号，通过具有同步数据采集和分析的三维线振动测量显示仪表(1)，实现三维线振动量的实时显示，即实现保障沿XYZ正交坐标系的线振动信号能够同步测量和显示。

3.如权利要求1或2所述的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，其特征在于：所述靶标(4)还包括三向线加速度计安装面(5)、多轴向振动台固定孔(6)和安装基座(11)；

其中，靶标(4)的安装基座(11)通过其上的多轴向振动台固定孔(6)，使用螺栓连接到多轴向振动台的台面上，调整安装位置，保障浮球外壳(8)垂直于多轴向振动台台面，将激光绝对测量系统安装到正对反射面(9)的安装结构上，保证反射光能够沿原路返回；进行量值传递时，将三向线加速度计安装到三向线加速度计安装面(5)的固定位置处。

4.如权利要求1或2所述的一种多轴向振动台线振动的激光绝对校准装置，其特征在于：靶标(4)的立方体角上设置三向线加速度计安装面(5)，所述的三向线振动加速度计安装在三向线加速度计安装面(5)上，并在三向线加速度计安装面(5)上对安装位置进行约束；在量值传递时，将激光绝对测量系统测量得到的标准三维线振动量的值与三向线振动加速度计的输出比较，并进行相应的坐标转换，即能够实现对三向线振动加速度计的量值传递，获得相应的角振动修正值，使得角振动修正值用于多轴向振动台的现场计量校准中。

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