CN110542527B - 一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置及方法，包括太阳能板本体部分、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分；所述太阳能板本体部分包括中心毂、斜拉杆及N块太阳能板，所述振动激励部分包括激振器、信号发生器、功率放大器及信号发生器，所述振动检测部分包括压电应变片、电荷放大器、数据采集卡、激光位移传感器、控制器及计算机，所述振动控制部分包括压电陶瓷促动器及压电放大器。本发明只需对装置稍作改变，增加或减少振动检测和控制器件，即可实现对任意数量的各向展开太阳能板结构进行振动检测与控制分析。

Description

一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置及方法

技术领域

本发明涉及空间可展机构的振动测量领域，具体涉及一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置及方法。

背景技术

太阳能电池板是空间目标飞行器的重要组成部件，它为各种空间目标飞行器提供在轨稳定运行所需的电能。最早的太阳能板采用的安装形式为飞行器表面贴装，工作面积小且无法满功率工作，随着空间目标飞行器运行功率的增加，体装式太阳能板的缺点越发明显，空间目标飞行器急需突破星体表面积的限制以扩大太阳能板的工作面积和效率，由此，便诞生了折叠发射、入轨展开的空间可折展太阳能板，再伴随着对日定向技术的应用，可展太阳能电池板的应用成为技术主流。

可展太阳能板虽然解决了发电功率与效率的问题，但也为空间目标飞行器带来了新的技术问题。不同于质量集中的体装式星体，搭载可展开太阳能板的飞行器面临机构复杂程度增加，质量分配分散，可动部件增多等问题。而大面积的可展太阳能板在增加了受阳面积的同时也增加了受力面积，加上可动部件的配合间隙等因素，大面积可展开太阳能板在轨运行时受激引起振动的情况越发常见，这些振动虽然频率低、振幅小，但持续时间长，若不能对其研究清楚并采取有效的抑振措施，易与飞行器其他部件发生共振，极大地降低目标飞行器在轨运行的稳定性，甚至使目标飞行器脱轨失效而造成重大损失。

一般的空间可展结构在展开完成后，展开过程的可动关节会限位锁死。所以对单向展开太阳能板的振动研究，可先将其简化为一整块的柔性板材，按其实际安装的支承形式进行夹装，然后再进行振动测试研究。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的提供一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置，本发明采用多组独立的振动检测系统，同时考虑了多板振动情况下可能存在的板间振动耦合或多板共振。

本发明的次要目的是提供一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置，包括太阳能板本体部分、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述太阳能板本体部分包括中心毂、斜拉杆及N块太阳能板，所述N为奇数，所述N块太阳能板设置在中心毂的外圆周，所述太阳能板的一端通过合页铰链与中心毂的底端边缘连接，该端称为固定端，太阳能板的另一端称为自由端，所述斜拉杆的一端与中心毂的顶端连接，其另一端与太阳能板连接；

所述振动激励部分包括激振器、功率放大器及信号发生器，所述激振器的输出顶杆与中心毂连接，信号发生器产生交流信号，经由功率放大器将信号放大驱动激振器产生振动，从而激励太阳能板发生振动；

所述振动检测部分包括压电应变片、电荷放大器、数据采集卡、激光位移传感器、控制器及计算机，所述压电应变片粘贴在太阳能板的表面，激光位移传感器位于太阳能板自由端的下方，压电应变片检测太阳能板的振动信号后输入电荷放大器，通过数据采集卡输入计算机，所述激光位移传感器采集太阳能板自由端的振动位移信号通过控制器传输计算机；

所述振动控制部分包括压电陶瓷促动器及压电放大器，所述压电陶瓷促动器粘贴在太阳能板的表面，计算机根据振动信号得到控制信号，经过压电放大器驱动压电陶瓷促动器。

所述太阳能板本体部分包括五块结构尺寸相同的太阳能板，五块太阳能板设置在中心毂的外圆周，其中位于首尾的太阳能板夹角为120度，其他相邻太阳能板之间夹角为60度。

所述太阳能板距离底端三分之二处与斜拉杆连接，将太阳能板展开固定在水平面上。

本发明每块太阳能板粘贴一片压电应变片，距离固定端三分之一长度位置，且位于宽度方向的中点，压电应变片的长度方向与太阳能板的长度方向一致。

所述压电陶瓷促动器粘贴在距离太阳能板固定端50mm，每块太阳板粘贴四片，两两之间间隔25mm，四片并联连接。

所述中心毂为一个中空正六棱柱体。

所述激光位移传感器一共五组，每组包括两个激光位移传感器。

一种空间多能板展开结构的振动检测装置的方法，包括如下：

初始化计算机和控制器，设置各激光位移传感器的采样频率为统一频率，设置数据采集卡的采集速度与激光位移传感器的采样频率相同；

启动信号发生器，设置波形与频率，信号经功率放大器放大后驱动激振器，激振器激励太阳能板产生振动；

控制器与数据采集卡以相同的采样频率采集数据，并将所采集到的数据传输到计算机，计算机分析处理后输出各太阳能板的振动信息；

关闭激振器停止振动激励，计算机根据压电应变片和激光位移传感器采集的振动信息进行运算后发出振动控制信号到压电放大器，信号经过放大后驱动压电陶瓷促动器对太阳能板的振动进行控制；

改变振动信号频率或波形、改变数据采样频率进行多次实验，对比分析不同参数下振动控制效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用压电应变片和激光位移传感器同时检测太阳能板不同位置的振动变形，采集多组振动数据，相对于单点测振方法能够更加全面地检测太阳能板的振动变形情况；

(2)本发明采用两个激光位移传感器同时检测同一块太阳能板自由端两侧的振动位移的方法，通过计算两组位移数据与静态位移的差值即可得到太阳能板的弯曲和扭曲信息；

(3)本发明采用五块太阳能板非对称安装且安装方向各不相同的方式，很好地模拟了质量和受力不对称情况下各板之间的振动影响；

(4)基于本发明的技术原理，只需对装置稍作改变，增加或减少振动检测和控制器件，即可实现对任意数量的各向展开太阳能板结构进行振动检测与控制分析。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的俯视图；

图4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4所示，一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置，包括太阳能板本体部分、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述太阳能板本体部分包括：

安装太阳能板的中心毂9，五块材料与尺寸均相同的太阳能板，太阳能板为矩形结构，五块太阳板具体为第一太阳能板1、第二太阳能板5、第三太阳能板7、第四太阳能板10、第五太阳能板11，五根长度一致的太阳能板斜拉杆8，以及连接太阳能板与斜拉杆的连接件6，中心毂为一个中空正六棱柱体，顶部的五个支柱与斜拉杆连接，底部的三个支脚与导向滑轨15相连接，滑轨安装在直角支座14上；五块太阳能板展开安装在同一水平面上，但长度方向各不相同，除第一太阳能板与第五太阳能板之间的夹角为120°外，其余的相邻两板夹角均为60°，太阳能板的一端采用两个合页铰链2与中心毂直接连接，在距离太阳能板固定端400mm处使用一个连接件将太阳能板与斜拉杆的一端连接，斜拉杆的另一端固定到中心毂顶部的支柱上，从而将太阳能板展开固定在同一水平面上，太阳能板的下表面距离安装测试台台面200mm，本实施例中的斜拉杆由上下两段组成，中间使用一个套筒螺母连接，转动套筒螺母可以微调太阳能板与水平面之间的夹角，斜拉杆采用的是质量轻、强度高的碳纤维管。

所述太阳能板的个数为奇数，且每块板的展开方向各不相同，整体的质量不完全对称，各太阳能板之间的振动相互影响，整体的振动形态较为复杂。

所述的太阳能板共有五块，每一块都有独立的振动激励源和振动检测传感器，利用该装置可进行单板振动激励测试和多板同时振动激励测试。

所述振动激励部分包括，激振器16、信号发生器23、功率放大器24，激振器16位于中心毂9的中心下方，激振器的安装底座使用螺栓固定在安装测试平台17，激振器16的输出顶杆与中心毂连接，信号发生器产生一定的交流信号，经由功率放大器将信号放大至合适的电压电流，驱动激振器产生振动，从而激励太阳能板发生振动。

所述振动检测部分包括，压电应变片12、电荷放大器19、激光位移传感器3、控制器20级计算机22，压电应变片粘贴在太阳能板的表面，每块板粘贴一片，粘贴位置为太阳能板上表面宽度方向的中线、距离太阳能板固定端200mm处，压电应变片的长度方向与太阳能板的长度方向相同，激光位移传感器位于太阳能板自由端的下方，与太阳能板下表面的距离约为85mm，激光位移传感器通过钣金件4固定在测试安装台17上，用于检测太阳能板自由端两侧的振动位移，当太阳能板发生振动时，压电应变片感知振动并将振动转变成电信号传输到电荷放大器19，电荷放大器将压电应变片的电信号进行线性放大以方便数据采集卡21进行振动数据采集，最后将采集到的数据传输到计算机22进行分析；同一时间激光位移传感器3在控制器20的作用下采集太阳能板自由端的振动位移数据，控制器对激光位移传感器所采集到的数据进行记录并传输给计算机，经计算机分析处理得到每块太阳能板的振动信息。

所述的激光位移传感器共有5组，每组中的两个激光位移传感器连接同一个控制器，两个激光位移传感器在控制器的控制下以相同的采样频率检测太阳能板自由端的振动位移，控制器经过内部运算之后将两组振动位移数据及其差值传输给计算机，计算机再分析处理得出太阳能板的弯曲和扭曲信息。

振动控制部分包括

压电陶瓷促动器13、压电放大器18，压电陶瓷促动器13粘贴在太阳能板的上表面，距离太阳能板固定端越50mm，每块太阳能板粘贴4片，每两片之间的间隔为25mm，四片并联连接，压电放大器18接收来自计算机的控制信号，并将信号放大后驱动压电陶瓷促动器，使其变形方向与太阳能板的变形方向相反，从而控制太阳能板的振动。

本发明的控制过程：

初始化计算机和控制器，设置各激光位移传感器的采样频率为统一频率，设置数据采集卡的采集速度与激光位移传感器的采样频率相同；

启动信号发生器，设置波形与频率，信号经功率放大器放大后驱动激振器，激振器激励太阳能板产生振动；

控制器与数据采集卡以相同的采样频率采集数据，并将所采集到的数据传输到计算机，计算机分析处理后输出各太阳能板的振动信息；

关闭激振器停止振动激励，计算机根据压电应变片和激光位移传感器采集的振动信息进行运算后发出振动控制信号到压电放大器，信号经过放大后驱动压电陶瓷促动器对太阳能板的振动进行控制；

改变振动信号频率或波形、改变数据采样频率进行多次实验，对比分析不同参数下振动控制效果。

图1中的虚线表示了各仪器之间的电气连接关系，箭头方向则是表示信号传输的方向。

在本实施例中，采用了五块环氧树脂材料板来近似模拟太阳能展开板，其尺寸为600mm×200mm×2mm，环氧树脂材料的密度为1.84g/cm³,弹性模量为E_p＝34.64Gpa，泊松比为0.38，用于连接中心毂和环氧树脂板的合页铰链为铝合金材质。

压电陶瓷促动器的几何尺寸为50mm×15mm×2mm，定制自长沙鹏翔电子科技有限公司，由富士C-82型压电陶瓷材料制成，该材料的密度为7.5×10³kg/m³，弹性模量为620GPa，泊松比为0.34，压电常数为600m/V；压电应变片由压电陶瓷制成，尺寸为40mm×10mm×1mm。

激光位移传感器采用的是日本OPTEX FA公司的CD5系列激光位移传感器，具体型号为CD5-85，采用CCD图像传感器，漫反射模式检测，检测距离85mm，测量的位移范围为±20mm，分辨率为1μm，最小采样周期为100μs；与之配套的控制器为OPTEX FA公司的CD5A-N型控制器，带有USB通讯接口，一个控制器最多可连接三个激光位移传感器。

电荷放大器采用江苏联能电子有限公司的YE5853型电荷放大器，数据采集卡采用台湾研华科技的型号为USB-5817的8通道、16位精度数据采集卡，使用USB接口与计算机通讯。

信号发生器的型号为YMC9200数字信号发生器，制造商为扬州英迈可测控技术有限公司，输出信号幅度：±10Vp；激振器采用扬州英迈可测控技术有限公司生产的MS系列模态激振器，具体型号为MS-200，单台激振器的最大激振力为200N，最大振幅为±10mm，激振频率范围0～4kHz，输出信号频率范围：0～30kHz；压电放大器选用由华南理工大学研制的型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器，最大放大倍数位52倍。

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 (4)

1.一种空间多太阳能板展开结构的振动检测装置，其特征在于，包括太阳能板本体部分、振动激励部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述太阳能板本体部分包括中心毂、斜拉杆及五块结构尺寸相同的太阳能板，五块太阳能板设置在中心毂的外圆周，其中位于首尾的太阳能板夹角为120度，其他相邻太阳能板之间夹角为60度，所述太阳能板的一端通过合页铰链与中心毂的底端边缘连接，该端称为固定端，太阳能板的另一端称为自由端，所述斜拉杆的一端与中心毂的顶端连接，其另一端与太阳能板连接；

所述振动激励部分包括激振器、功率放大器及信号发生器，所述激振器的输出顶杆与中心毂连接，信号发生器产生交流信号，经由功率放大器将信号放大驱动激振器产生振动，从而激励太阳能板发生振动；

所述振动检测部分包括压电应变片、电荷放大器、数据采集卡、激光位移传感器、控制器及计算机，所述压电应变片粘贴在太阳能板的表面，激光位移传感器位于太阳能板自由端的下方，压电应变片检测太阳能板的振动信号后输入电荷放大器，通过数据采集卡输入计算机，所述激光位移传感器采集太阳能板自由端的振动位移信号通过控制器传输计算机；

所述振动控制部分包括压电陶瓷促动器及压电放大器，所述压电陶瓷促动器粘贴在太阳能板的表面，计算机根据振动信号得到控制信号，经过压电放大器驱动压电陶瓷促动器；

太阳能板距离底端三分之二处与斜拉杆连接，将太阳能板展开固定在水平面上；

所述中心毂为一个中空正六棱柱体；

所述激光位移传感器一共五组，每组包括两个激光位移传感器。

2.根据权利要求1所述的振动检测装置，其特征在于，每块太阳能板粘贴一片压电应变片，距离固定端三分之一长度位置，且位于宽度方向的中点，压电应变片的长度方向与太阳能板的长度方向一致。

3.根据权利要求1所述的振动检测装置，其特征在于，所述压电陶瓷促动器粘贴在距离太阳能板固定端50mm处，每块太阳板粘贴四片，两两之间间隔25mm，四片并联连接。

4.一种应用于权利要求1-3任一项所述的振动检测装置的方法，其特征在于，包括如下：

初始化计算机和控制器，设置各激光位移传感器的采样频率为统一频率，设置数据采集卡的采集速度与激光位移传感器的采样频率相同；

启动信号发生器，设置波形与频率，信号经功率放大器放大后驱动激振器，激振器激励太阳能板产生振动；

控制器与数据采集卡以相同的采样频率采集数据，并将所采集到的数据传输到计算机，计算机分析处理后输出各太阳能板的振动信息；

关闭激振器停止振动激励，计算机根据压电应变片和激光位移传感器采集的振动信息进行运算后发出振动控制信号到压电放大器，信号经过放大后驱动压电陶瓷促动器对太阳能板的振动进行控制；

改变振动信号频率或波形、改变数据采样频率进行多次实验，对比分析不同参数下振动控制效果。