CN109596297A - 一种垂向振动测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂向振动测试装置，包括：受力调节机构、弹簧振子、限位装置、测试模块、电机和支撑装置。本发明通过簧片的限制和试件受力调节机构，使试件产生较为纯净的垂向振动。与现有同类装置相比，本发明使试件产生的垂向振动有了很大的改善。其中的试件受力调节机构可以对试件受力的作用线以及质心进行精确的调节，解决了现有振动测试装置中力的作用线和质心不能进行联调的缺陷。此外，利用簧片来限制由于加工误差以及安装误差引起的试件在非敏感轴以外自由度上的运动，解决了现有振动测试装置交叉耦合较大的缺陷。

Description

一种垂向振动测试装置

技术领域

本发明属于环境试验技术领域，更具体地，涉及一种垂向振动测试装置。

背景技术

垂向振动测试装置广泛用于惯性传感器的振动测试，比如加速度传感器垂向标度因子的标定，重力梯度仪共模抑制比的测量等。随着对上述传感器性能要求的提高，现实需求对垂向振动测试装置的振动水平也提出了更为苛刻的要求。就单轴重力梯度仪(敏感轴沿铅垂向)而言，可以将其外部振动噪声分为垂向振动和除垂向以外的其他自由度的振动，二者分别以共模噪声和交叉耦合噪声的形式作用到重力梯度仪的输出端，显然，无法区分输出结果哪一部分来自共模噪声，哪一部分来自由交叉耦合噪声。因此，要准确地评估共模噪声对重力梯度仪的影响，即测出共模抑制比，就要从系统的输入出发：在激励重力梯度仪做垂向振动时，尽可能不让其在其他自由度上振动。

现有的技术中，我们可以通过给多自由振动测试装置输入垂向激励信号的方式来实现对被测试件的垂向激励，但是，由于多自由度振动测试装置交叉耦合较大，无法使试件产生较纯净的垂向振动。一些单自由度振动测试装置也能实现垂向的振动，但是它们仍存在一定的问题，现有技术多是通过限制导杆的自由度，并把被测试件与导杆固连在一起的方式来实现对被测试件的单自由度激励，其垂向振动的精度就取决于导杆与试件的安装精度，而现有的安装精度无法满足重力梯度仪共模抑制比测试实验的需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种交叉耦合系数小，振动较为纯净的垂向振动测试装置，旨在解决现有振动测试装置中力的作用线和质心不能进行联调的问题。

本发明提供了一种垂向振动测试装置，包括：弹簧振子、电机、限位装置、受力调节机构、测试模块和支撑装置；所述电机用于为垂向激振测试装置中的弹簧振子做受迫振动所需要的驱动力；所述限位装置用于限制试件的水平运动；所述受力调节机构用于精确调节试件受力的作用线和试件的质心，使试件受力的作用线沿铅垂向并且过试件的质心；所述测试模块用于测试试件的倾斜角和试件的加速度大小，并根据测试的结果对所述受力调节机构做相应的调节；所述支撑装置用于支撑和连接垂向振动测试装置的各个模块，使其构成一个整体。

更进一步地，限位装置包括：第一簧片和第二簧片；所述第一簧片和所述第二簧片分别位于试件的上、下两端，用于限制试件的水平运动提高振动测试装置的交叉耦合。

更进一步地，受力调节机构包括：XY位移台、质心调节机构和水平调节机构；所述XY位移台的一端固定在支撑板上，XY位移台的另一端连接直管，用于调节位于其上端部件的位置；所述质心调节机构用于对试件的质心进行调节；所述水平调节机构用于调节第一簧片和第二簧片的水平。

更进一步地，质心调节机构包括：滑块、丝杠、外上板、螺纹杆以及螺帽；所述螺帽的一端与钢丝绳安装件固定的钢丝绳的一端相连，所述螺帽的另一端与螺纹杆相连，螺纹杆下端连接外上板，外上板上边呈径向均布四组滑块和丝杠，通过调节滑块在丝杠上的位置即可实现对试件的质心进行调节。

更进一步地，水平调节机构包括：上支架杆、第一簧片固定环、下支架杆和第二簧片固定环；所述上支架杆的一端与支撑装置中的支撑板焊接，所述上支架杆的另一端具有螺纹，且所述上支架杆的另一端穿过第一簧片固定环上的通孔后用螺母固定；下支架杆的一端与第一簧片固定环焊接，下支架杆的另一端具有螺纹，且下支架杆的另一端穿过第二簧片固定环上的通孔后用螺母固定；第一簧片固定环设置在第一簧片的外侧，第二簧片固定环设置在第二簧片的外侧，第一簧片固定环和第二簧片固定环同时工作，分别用于调节第一簧片和第二簧片的水平。

更进一步地，第一簧片固定环的通孔位置上、下均安装有螺母，下螺母用于调节第一簧片固定环的水平，上螺母用于当水平调节后锁死第一簧片固定环；所述第二簧片固定环的通孔位置上下均安装有螺母，下螺母用于调节第二簧片固定环的水平，上螺母用于当水平调节后锁死第二簧片固定环。

本发明通过簧片的限制和试件受力调节机构，使试件产生较为纯净的垂向振动。与现有同类装置相比，本发明使试件产生的垂向振动有了很大的改善。其中的试件受力调节机构可以对试件受力的作用线以及质心进行精确的调节，解决了现有振动测试装置中力的作用线和质心不能进行联调的缺陷。此外，利用簧片来限制由于加工误差以及安装误差引起的试件在非敏感轴以外自由度上的运动，解决了现有振动测试装置交叉耦合较大的缺陷。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

(1)垂向振动测试装置经过质心调节机构、垂向调节、以及水平调节机构的联调，能够精确地把音圈电机输出力的作用线调节到铅垂线上并且过试件的质心。

(2)由于第一簧片和第二簧片固定在试件的上、下两端，最大限度地增加了垂向振动测试装置的倾斜刚度，再加上其垂向刚度小、水平刚度大的特点，垂向振动测试装置在激励试件进行垂向振动的同时，能够有效限制其在其他自由度上的振动。此外，与气浮滑轨，静压轴承等相比，簧片具有易控、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的垂向振动测试装置装配图；

图2为本发明实施例提供的垂向振动测试装置剖面图；

图3为本发明实施例提供的质心调节机构；

图4本发明实施例提供的音圈电机安装示意图。

其中，1是XY位移台，2是直管，3是支撑板，4是中固定环，5是上支架杆，6是第一簧片固定环，7是质心调节机构，8是下支架杆，9是第一簧片，10是试件，11是第二簧片固定环，12是第二簧片，13是加速度计，14是垂向振动测试装置外支架；15是电机，16是弹簧，17是倾斜仪，18是盲法兰，19是钢丝绳连接件，20是水平调节机构，21是CF100盲法兰，22是钢丝绳安装件；23是滑块，24是丝杠，25外上板，26螺纹杆，27螺帽，28是动子，29是定子。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过簧片的限制和试件受力调节机构，使试件产生较为纯净的垂向振动。与现有同类装置相比，本发明使试件产生的垂向振动有了很大的改善。其中的试件受力调节机构可以对试件10受力的作用线以及质心进行精确的调节，解决了现有振动测试装置中力的作用线和质心不能进行联调的缺陷。此外，利用簧片来限制由于加工误差以及安装误差引起的试件在非敏感轴以外自由度上的运动，解决了现有振动测试装置交叉耦合较大的缺陷。

本发明中，垂向振动测试装置的结构参照图1-4，包括：弹簧振子、电机、限位装置、受力调节机构、测试模块和支撑装置；所述电机用于为垂向激振测试装置中的弹簧振子做受迫振动所需要的驱动力；所述限位装置用于限制试件的水平运动；所述受力调节机构用于精确调节试件受力的作用线和试件的质心，使试件受力的作用线沿铅垂向并且过试件的质心；所述测试模块用于测试试件的倾斜角和试件的加速度大小，并根据测试的结果对所述受力调节机构做相应的调节；所述支撑装置用于支撑和连接垂向振动测试装置的各个模块，使其构成一个整体。

弹簧振子包括：弹簧16和试件10，弹簧16的一端与电机15的动子28的一端连接，动子28的另一端与钢丝绳安装件22连接，钢丝绳安装件固定钢丝绳的一端，钢丝绳的另一端连接质心调节机构7，质心调节机构7的外侧连接至第一簧片9的内侧，质心调节机构7的下表面连接试件10的一端，试件10的另一端连接第二簧片12的内侧；弹簧16的另一端通过与钢丝绳的一端连接，钢丝绳的另一端用钢丝绳安装件连接19，钢丝绳安装件焊接在CF100盲法兰18上。当调节XY位移台使其在水平方向(X/Y向)移动时，XY位移台就会带动固定在其上的整个装配体在X/Y向移动，进而带动钢丝绳安装件22所固定的钢丝绳的上端移动。

其中，受力调节机构包括：XY位移台1、质心调节机构7和水平调节机构20；XY位移台1的一端固定在支撑板3上，XY位移台1的另一端连接直管2，用于调节位于其上端部件的位置；

质心调节机构7中央的螺帽27一端与钢丝绳安装件22固定的钢丝绳的一端相连，另一端与螺纹杆26相连，螺纹杆26下端连接外上板25，外上板25上边呈径向均布四组圆柱形滑块23和丝杠24，通过调节滑块23在丝杠24上的位置即可实现对试件10的质心进行调节；

水平调节机构20用于调节第一簧片9和第二簧片12的水平；水平调节机构20包括：上支架杆5、第一簧片固定环6、下支架杆8和第二簧片固定环11，上支架杆5的一端与支撑装置中的支撑板3焊接，上支架杆5的另一端具有螺纹，且上支架杆5的另一端穿过第一簧片固定环6上的通孔后用螺母固定(其中，第一簧片固定环6的通孔位置上下均安装有螺母，下螺母用于调节第一簧片固定环6的水平，上螺母用于当水平调节后锁死第一簧片固定环6)；下支架杆8的一端与第一簧片固定环6焊接，下支架杆8的另一端具有螺纹，且下支架杆8的另一端穿过第二簧片固定环11上的通孔后用螺母固定(其中，第二簧片固定环11的通孔位置上下均安装有螺母，下螺母用于调节第二簧片固定环11的水平，上螺母用于当水平调节后锁死第二簧片固定环11)；第一簧片固定环6设置在第一簧片9的外侧，第二簧片固定环11设置在第二簧片12的外侧，第一簧片固定环6和第二簧片固定环11同时工作，分别用于调节第一簧片9和第二簧片12的水平。

限位装置包括：第一簧片9和第二簧片12；第一簧片9和第二簧片12二者位于试件10的上、下两端，其本身具有水平刚度大，垂向刚度小的特点，这中特性能够限制试件10的水平运动提高振动测试装置的交叉耦合。

测试模块包括：加速度计13和倾斜仪17；倾斜以17安装在试件10上部的安装槽中，用于测试试件10倾斜角的大小，可以根据倾斜仪17的实时输出对水平调节机构20中的螺母进行相应的调节，当倾斜仪17输出为零时，表明第一簧片固定环6、第二簧片固定环11已经水平；加速度计13安装在试件10的下端用于测量试件10被激振后的加速度，同时还可以间接地评估第一簧片固定环6和第二簧片固定环11的同轴度，该同轴度可以根据加速度计13的输出来判断(加速度13可以同时输出试件10在两个水平(X和Y)方向以及垂向(Z)方向的加速度)。理论上，当加速度计13实时输出的水平加速度为零时，表明第一簧片固定环6、第二簧片固定环11已经同轴。

支撑装置包括：直管2、支撑板3、中固定环4和外支架14，直管2一端焊接有一个CF100焊接法兰，CF100焊接法兰上端与盲法兰18用螺栓连接，直管2另一端焊接有CF100盲法兰21(中间有四个通孔)，CF100盲法兰21用螺栓安装在XY位移台的一端；支撑板3上端连接XY位移台，下端与外支架14固连；中固定环4焊接在上支架杆5的中间位置，用于提高测试装置的稳定性；外支架14下端装有调节脚，用于调节支撑板的水平。

钢丝绳安装件22固定的钢丝绳的下端与质心调节机构7中央的螺帽27相连；质心调节机构7中的外上板25上表面紧贴第一簧片9的内环下表面，外上板25下表面紧贴试件10的上端，最后用螺栓将三者固连在一起；第一簧片9的外环下表面与第一簧片固定环6上表面紧贴；试件10下端与第二簧片12内环上表面紧贴，并用螺栓固定，外环上表面与第二簧片固定环11下表面紧贴同样用螺栓固定；第一簧片固定环6与第二簧片固定环11用上支架杆5和下支架杆8连接。

综上所述：弹簧16和试件10构成弹簧振子，电机2提供弹簧振子受迫振动的动力，对于本发明实施例必不可少；受力调节机构：XY位移台1、质心调节机构7以及水平调节机构20在调节试件10的受力方向和受力质心以及弥补安装误差中发挥了关键的作用，对于本发明实施例必不可少；第一簧片9和第二簧片12在限制试件10除垂向以外其他自由度上的振动中起到了不可替代的作用，也是必不可少的；加速度计13和倾斜仪17主要用于对评估垂向激励振动测试装置的姿态和激振效果，也是必不可少的；其他部件虽然没有起到至关重要的作用，但是在连接和固定支撑主要部件的过程中起着重要的作用，因此也是必不可少的。

本发明中电机15是音圈电机，该音圈电机可以输出与输入电流信号线性相关的力信号，这样我们就能够根据我们的需求轻易的获得激励试件10做受迫振动所需要的力。

本发明中质心调节机构7中，除了上述的圆柱体外，调节滑块23可以为其他任意的形状。该形状可以是立方体、长方体等。

本发明中弹簧16与弹簧连接件19以及试件10上端与音圈电机动子下端之间用具有轴向刚度大径向刚度小且经济的钢丝绳连接。另外，除了上述的钢丝绳外，该钢丝绳可以为任意其他刚度比较大的细长结构。

通过对本发明实施例装置的描述可以看出该装置的本质是一个在垂向上做受迫振动的弹簧振子结构，其中弹簧振子的垂向刚度有两部分组成：图2中的弹簧16的刚度和图1中第一簧片9和第二簧片12的垂向刚度；弹簧振子中的振子由质心调节机构7、试件10以及音圈电机15的动子28共同组成。当给音圈电机15的定子29上的螺线管线圈通入交变电流时，动子28就会输出一个交变的力，该交变力通过钢丝绳把激励力作用到试件10上，试件就会在垂向上做往复振动。

试验时，为了保证试件严格地沿垂向做往复振动，必须保证施加到试件10上的力过试件10的质心并且保证力的作用线沿铅垂方向，如果试件10受力不过质心，试件10就会受到一个不为零的力矩，在该力矩的作用下，试件10就会发生旋转；如果试件10受力不沿铅垂向，试件10就会在水平方向上发生平动。为了满足上述两个条件试验时要对该装置进行一系列的调节。

在试验时，先通过调节调节脚的长短，实现对支撑板3的水平调节，这样就可以保证音圈电机15的定子29的安装面处在水平的位置，使其对动子28的作用力沿铅垂向；因为音圈电机15和弹簧16、盲法兰18、钢丝绳连接件19、直管2及CF100的盲法兰21构成的装配体整体用螺栓固定在XY位移台1上，因此调节XY位移台1既可以实现对钢丝绳安装件22与钢丝绳之间的连接点的调节，调节上述连接点与钢丝绳和螺帽27的连接点的连线处于铅垂向；然后通过改变质心调节机构7上四个滑块23在丝杠24上的位置，使质心调节机构7和试件10构成的整体的质心过上述沿铅垂向的连线；与此同时，还要对图2中水平调节机构20(共有六个，第一簧片固定环6和第二簧片固定环11分别有三个，每一个调节机构由夹在固定环上下端的一对螺母组成，调节时先把上端的螺母松开，通过顺、逆时针旋转下端的螺母就可以实现对第一簧片固定环6和第二簧片固定环11上下的调节，联合调节三组螺母就可以实现对固定环水平的调节；由于第一簧片固定环6和第二簧片固定环11上供上支架杆5和下支架杆8螺纹部分穿过的通孔的直径大于支架杆的直径，因此不仅可以对第二簧片固定环11进行水平的调节还能对其轴线进行微调，使其与第一簧片固定环6同轴)进行调节，确保图2中的第一簧片固定环6、第二簧片固定环11水平并使二者同轴。水平的程度由倾斜仪实时给出，根据倾斜仪的实时输出对水平调节机构20中的螺母进行相应的调节，当倾斜仪输出为零时，表明第一簧片固定环6、第二簧片固定环11已经水平；两者的同轴度可以根据加速度计13的输出来判断。调节加速度计13水平加速度输出接近零的过程就是，提高第一簧片固定环6、第二簧片固定环11同轴度的过程，同轴度提高的过程就是垂向激励振动测试装置交叉耦合减小的过程。最后给图2中的音圈电机15通入激励电流，上述弹簧振子中的试件10就会在音圈电机动子28的带动下沿铅垂向做往复振动。该垂向激励振动测试装置的交叉耦合便可以根据加速度计13输出的三个分量计算得出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种垂向振动测试装置，其特征在于，包括：弹簧振子、电机、限位装置、受力调节机构、测试模块和支撑装置；

所述电机用于为垂向激振测试装置中的弹簧振子做受迫振动所需要的驱动力；

所述限位装置用于限制试件的水平运动；

所述受力调节机构用于精确调节试件受力的作用线和试件的质心，使试件受力的作用线沿铅垂向并且过试件的质心；

所述测试模块用于测试试件的倾斜角和试件的加速度大小，并根据测试的结果对所述受力调节机构做相应的调节；

所述支撑装置用于支撑和连接垂向振动测试装置的各个模块，使其构成一个整体。

2.如权利要求1所述的垂向振动测试装置，其特征在于，所述限位装置包括：第一簧片和第二簧片；

所述第一簧片和所述第二簧片分别位于试件的上、下两端，用于限制试件的水平运动提高振动测试装置的交叉耦合。

3.如权利要求2所述的垂向振动测试装置，其特征在于，所述受力调节机构包括：XY位移台、质心调节机构和水平调节机构；

所述XY位移台的一端固定在支撑板上，XY位移台的另一端连接直管，用于调节位于其上端部件的位置；

所述质心调节机构用于对试件的质心进行调节；

所述水平调节机构用于调节第一簧片和第二簧片的水平。

4.如权利要求3所述的垂向振动测试装置，其特征在于，所述质心调节机构包括：滑块、丝杠、外上板、螺纹杆以及螺帽；

所述螺帽的一端与钢丝绳安装件固定的钢丝绳的一端相连，所述螺帽的另一端与螺纹杆相连，螺纹杆下端连接外上板，外上板上边呈径向均布四组滑块和丝杠，通过调节滑块在丝杠上的位置即可实现对试件的质心进行调节。

5.如权利要求3或4所述的垂向振动测试装置，其特征在于，所述水平调节机构包括：上支架杆、第一簧片固定环、下支架杆和第二簧片固定环；

所述上支架杆的一端与支撑装置中的支撑板焊接，所述上支架杆的另一端具有螺纹，且所述上支架杆的另一端穿过第一簧片固定环上的通孔后用螺母固定；下支架杆的一端与第一簧片固定环焊接，下支架杆的另一端具有螺纹，且下支架杆的另一端穿过第二簧片固定环上的通孔后用螺母固定；第一簧片固定环设置在第一簧片的外侧，第二簧片固定环设置在第二簧片的外侧，第一簧片固定环和第二簧片固定环同时工作，分别用于调节第一簧片和第二簧片的水平。

6.如权利要求5所述的垂向振动测试装置，其特征在于，所述第一簧片固定环的通孔位置上、下均安装有螺母，下螺母用于调节第一簧片固定环的水平，上螺母用于当水平调节后锁死第一簧片固定环；

所述第二簧片固定环的通孔位置上下均安装有螺母，下螺母用于调节第二簧片固定环的水平，上螺母用于当水平调节后锁死第二簧片固定环。