CN111323111B - 一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统 - Google Patents

一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统 Download PDF

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Abstract

一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，由薄膜天线框架结构、阶跃激励装置、直流稳压电源及控制电路、扫描式激光测振仪、单点式激光测振仪、真空环境模拟器、数据采集与分析系统组成。薄膜天线框架结构将薄膜天线固定于外框架上，并通过调节螺栓的调力方式将不同的面内预应力导入到薄膜天线中。阶跃激励装置由不同型号和不同数量的电磁铁激励器组成，并由直流稳压电源及控制电路提供可调节的周期性阶跃激励信号，用于激励薄膜天线产生相应的模态振型。扫描式激光测振仪和单点式激光测振仪安装于真空环境模拟器外，发射的激光束穿过真空环境模拟器上的光学玻璃观察窗后，最终落到薄膜天线上。数据采集与分析系统通过对两台激光测振仪的返回信号进行采集和数据分析，最终得到薄膜天线的各阶模态频率和振型。

Description

一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统
技术领域
本发明涉及一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，可用于薄膜类结构在真空环境下的模态试验中，获得薄膜类结构的各阶模态频率和振型，为产品特性摸索和设计改进提供可靠依据。
背景技术
平面薄膜结构因具有质量轻、收纳体积小等优点而在大型航天器薄膜天线、太阳帆、遮光罩等方面具有良好的应用前景。平面薄膜结构的模态特性直接决定或很大程度上影响着结构的型面精度保持以及振动控制等方面，而模态分析的正确性需要通过开展地面试验来进行验证。目前关于平面薄膜结构的地面模态试验，多数是在大气环境下开展的，由于薄膜结构为轻质柔性结构，空气对其模态分析结果具有不可忽略的影响，它增加了质量并改变了结构的阻尼特性。为了更加准确地获得平面薄膜结构本身的模态特性，在真空环境下开展模态试验是十分必要的。
对于平面薄膜结构的模态激励方法，现有手段主要有声激励法、磁激励法、MFC贴片激励法等，但每种方法都有一定的应用局限性。声激励法无法用于真空环境下的测试，磁激励法和MFC贴片激励法需要在薄膜上粘贴小磁铁或MFC压电贴片，这同样会给薄膜引入一定的附加质量，尤其对于小型薄膜结构，会给测试结果带来误差。另外在用激光测振仪对薄膜的模态进行扫描测量时，国外研究人员采用了将激光测振仪放置在真空环境模拟器内的方法，这对设备安装空间提出了很高要求，不适用于小型真空环境模拟器，同时为了保护激光测振仪免受真空环境的影响，还需制作特殊的保护装置，这无疑增加了工装设计的难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，大大减少了设备安装的空间需求和复杂程度。
本发明采用的技术解决方案是：
一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，包括：薄膜天线测试组件、阶跃激励组件、测试环境组件和测试仪组件；
测试环境组件提供真空测试环境，薄膜天线测试组件设置在测试环境组件内部，阶跃激励组件用于提供阶跃激励，测试仪组件用于发射测试激光信号、采集反射激光信号以及进行模态分析。
进一步的，测试环境组件包括真空环境模拟器(3)和设置在真空环境模拟器(3)上的光学玻璃观察窗(11)，测试仪组件发射的测试激光信号从光学玻璃观察窗(11)进入真空环境模拟器(3)，薄膜天线反射的激光信号从光学玻璃观察窗(11)射出。
进一步的，阶跃激励组件包括阶跃激励装置(2)、直流稳压电源(9)和控制电路(10)；阶跃激励装置(2)设置在真空环境模拟器(3)内部，阶跃激励装置(2)通过穿舱电缆与真空环境模拟器(3)外的用于供电的直流稳压电源(9)相连接，直流稳压电源(9)由控制电路(10)进行控制，为阶跃激励装置(2)提供可调节的周期性阶跃脉冲信号。
进一步的，阶跃激励装置(2)采用一台或多台电磁铁激励器实现。
进一步的，电磁铁激励器的选型由所需的激励位移大小和激励力大小来进行确定，电磁铁激励器的数量及安装位置由仿真分析所得到的薄膜天线模态振型以及需要测量的模态阶数来进行确定。
进一步的，薄膜天线测试组件包括固定在真空环境模拟器(3)内的薄膜天线框架结构(1)和固定在薄膜天线框架结构(1)上的薄膜天线(102)；
薄膜天线框架结构(1)包括外框架(101)、夹具(103)、拉力传感器(104)、调节螺栓(105)和杆套(106)；薄膜天线(102)边缘焊接杆套(106)，并将铝棒套在杆套(106)内，通过夹具(103)将铝棒夹住，薄膜天线(102)整体通过夹具(103)夹在外框架(101)上；通过调节螺栓(105)来调节薄膜天线(102)上不同的拉力，并通过拉力传感器(104)测得拉力值。
进一步的，通过调节螺栓(105)和拉力传感器(104)，可将不同的面内预应力导入到薄膜天线(102)中。
进一步的，测试仪组件包括扫描式激光测振仪(4)、单点式激光测振仪(5)和数据采集与分析系统(6)；扫描式激光测振仪(4)和单点式激光测振仪(5)设置在真空环境模拟器(3)外，分别固定在两台三脚架上，扫描式激光测振仪(4)和单点式激光测振仪(5)同时发射预定波长的激光束，穿过真空环境模拟器(3)上的光学玻璃观察窗(11)后，激光束最终落到薄膜天线(102)上，通过数据采集与分析系统(6)采集两台激光测振仪的返回信号，并分析得到薄膜天线的模态频率和振型。
进一步的，薄膜天线(102)朝向光学玻璃观察窗(11)的一侧粘贴有等间距阵列式的漫反射纸。
进一步的，漫反射纸为圆形、正方形、三角形或者长方形，单个面积不超过5cm2。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明采用的阶跃激励装置，设计灵活性强，可根据需要对电磁铁激励器进行选型，并根据电磁铁激励器的数量及安装位置设计专用工装，满足测试需求，且易于实现，占用空间小，对薄膜天线不产生附加质量，能准确获得模态测试结果；
(2)本发明电磁铁激励器通过穿舱电缆与真空环境模拟器外的一台或多台直流稳压电源进行连接，同时直流稳压电源由自行设计的控制电路进行控制，为电磁铁激励器提供周期性的阶跃脉冲信号，且信号可调；
(3)本发明可获得调节螺栓拉力值与薄膜面内预应力值之间的对应关系(比如已知的数字散斑相关方法)，从而能够将不同的面内预应力导入到薄膜天线中，并获得对应的模态特性；
(4)本发明将两台激光测振仪放置在真空环境模拟器外，且在真空环境模拟器上安装光学玻璃观察窗，在大大减少了设备安装空间需求和复杂程度的同时，保证了测试结果的精度，实用性强。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图。
图2为本发明的薄膜天线框架结构组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的适用于薄膜天线在真空环境下进行模态测试的试验装置进行详细说明。
本发明提出一种适用于薄膜天线在真空环境下进行模态测试的系统，采用电磁铁激励器组成的阶跃激励装置，通过设计专用工装，可以灵活选择激励点位置、激励位移大小和激励力大小，从而激发出所需的模态振型，且不会对薄膜结构产生附加质量，保证测试结果的准确性。另外将两台激光测振仪放置在真空环境模拟器外，大大减少了对设备安装空间的需求，且真空环境模拟器上的光学玻璃观察窗不会使激光束产生畸变，有效保证测试结果的精度。同时，利用数字散斑相关方法可获得调节螺栓拉力值与薄膜面内预应力值之间的对应关系，在进行模态测试时，可以对平面薄膜结构引入不同的面内预应力，并获得相对应的模态振型，从而通过对比分析得到平面薄膜结构的动力学特性。
具体的，本发明提供的适用于薄膜天线在真空环境下进行模态测试系统，包括薄膜天线测试组件、阶跃激励组件、测试环境组件和测试仪组件；测试环境组件提供真空测试环境，薄膜天线测试组件设置在测试环境组件内部，阶跃激励组件用于提供阶跃激励，测试仪组件用于发射测试激光信号、采集反射激光信号以及进行模态分析。
如图1所示，测试环境组件包括真空环境模拟器3和设置在真空环境模拟器3上的光学玻璃观察窗11，测试仪组件发射的测试激光信号从光学玻璃观察窗11进入真空环境模拟器3，薄膜天线反射的激光信号从光学玻璃观察窗11射出。
阶跃激励组件包括阶跃激励装置2、直流稳压电源9和控制电路10；阶跃激励装置2设置在真空环境模拟器3内部，阶跃激励装置2由一台或多台电磁铁激励器组成，电磁铁激励器在通、断电时，其内部的金属杆来回移动，可作为薄膜天线102的有效激励源，且不会对天线造成附加质量，保证测试结果的准确性。
通过对薄膜天线102进行理论建模和仿真分析，可得到薄膜天线102在不同激励力大小和激励位移大小下的各阶模态频率和振型，根据模态振型可确定该模态的最佳激励位置。该阶跃激励装置2的设计灵活性在于，可以根据需要测试的模态振型来确定电磁铁激励器的数量及最佳安装位置，且根据激励位移大小和激励力大小可以对电磁铁激励器进行选型，以保证激励出想要的模态。同时设计专用工装对各台激励器进行安装，并固定在薄膜天线一侧，且激励器与薄膜天线的间距可调。各台电磁铁激励器通过穿舱电缆与真空环境模拟器3外的一台或多台直流稳压电源9进行连接，同时直流稳压电源9由控制电路10进行控制，该控制电路能够为电磁铁激励器提供周期性的阶跃脉冲信号，且周期可调。
如图2所示，薄膜天线测试组件包括固定在真空环境模拟器3内的薄膜天线框架结构1和固定在薄膜天线框架结构1上的薄膜天线102；
薄膜天线框架结构1由外框架101、夹具103、拉力传感器104、调节螺栓105和杆套106组成，且固定于真空环境模拟器3内。薄膜天线102由夹具103夹在外框架101上，外框架101起到支撑作用，薄膜天线102的尺寸和外框架101的尺寸可根据真空环境模拟器3的内部空间大小进行设计。薄膜天线102边缘焊接杆套106，并将一定直径的铝棒套在杆套106内，通过夹具103将铝棒夹住，然后通过调节螺栓105，来调节薄膜天线102上不同的拉力，并通过拉力传感器104，可以得到拉力值，调节螺栓105的数量可根据薄膜天线102的实际尺寸进行确定。通过以上调力方式，可将不同的面内预应力导入到薄膜天线102中。
为了准确获得拉力值和薄膜面内预应力值之间的对应关系，可采用数字散斑相关方法进行测量，测量时在薄膜天线表面喷涂散斑漆，通过调节螺栓105获得不同的拉力值，并在每个拉力值下进行应变测量，从而获得对应的薄膜面内预应力值。由于喷涂散斑漆会给薄膜天线带来附加质量，进而影响模态测试结果，因此试验时可制作两件完全一样的薄膜天线产品，一件用于数字散斑相关方法的测量，并获得拉力值和薄膜面内预应力值之间的对应关系，另一件用于模态测试，通过拉力传感器104显示的拉力值即可知道此时的薄膜面内预应力值，方法简单可行，且能避开散斑漆附加质量对模态测试结果产生的影响。
测试仪组件包括扫描式激光测振仪4、单点式激光测振仪5和数据采集与分析系统6；扫描式激光测振仪4和单点式激光测振仪5通过三角架I7和三角架II8安装于真空环境模拟器3外部，两台三角架固定在地面上，且三角架能够实现高度调节，并具有绕三个轴向的转动调节功能。两台激光测振仪发射的激光束穿过光学玻璃观察窗11后，直接落到薄膜天线102上，薄膜天线102上粘贴有等间距阵列式的小面积漫反射纸，在进行模态测试时，扫描式激光测振仪4的激光点将依次落在每一块漫反射纸上，并进行信号采集，同时单点式激光测振仪5的激光点落在其中某一块漫反射纸上，并同步进行信号采集，该信号是模态分析时的参考信号。数据采集与分析系统6通过对采集到的两台激光测振仪信号进行分析计算，最终得到薄膜天线的各阶模态频率和振型。
薄膜天线102朝向光学玻璃观察窗11的一侧粘贴有等间距阵列式的漫反射纸。漫反射纸为圆形、正方形、三角形或者长方形，单个面积不超过5cm2。
本发明提供的一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，激励方式简易可行，设计灵活性强，占用空间小，且不会对薄膜结构产生附加质量。利用数字散斑相关方法可获得调节螺栓拉力值与薄膜面内预应力值之间的对应关系，从而能够将不同的面内预应力导入到薄膜天线中。同时将激光测振仪放置在真空环境模拟器外，并采用光学玻璃观察窗来保证测试结果的精度，实用性强，大大减少了设备安装的空间需求和复杂程度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
以上所述是对本发明优选实施方式的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可做出多种等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请专利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，其特征在于包括：薄膜天线测试组件、阶跃激励组件、测试环境组件和测试仪组件；
测试环境组件提供真空测试环境，薄膜天线测试组件设置在测试环境组件内部，阶跃激励组件用于提供阶跃激励，测试仪组件用于发射测试激光信号、采集反射激光信号以及进行模态分析；
测试环境组件包括真空环境模拟器(3)和设置在真空环境模拟器(3)上的光学玻璃观察窗(11)，测试仪组件发射的测试激光信号从光学玻璃观察窗(11)进入真空环境模拟器(3)，薄膜天线反射的激光信号从光学玻璃观察窗(11)射出；
阶跃激励组件包括阶跃激励装置(2)、直流稳压电源(9)和控制电路(10)；阶跃激励装置(2)设置在真空环境模拟器(3)内部，阶跃激励装置(2)通过穿舱电缆与真空环境模拟器(3)外的用于供电的直流稳压电源(9)相连接，直流稳压电源(9)由控制电路(10)进行控制，为阶跃激励装置(2)提供可调节的周期性阶跃脉冲信号；
阶跃激励装置(2)采用一台或多台电磁铁激励器实现；
电磁铁激励器的选型由所需的激励位移大小和激励力大小来进行确定，电磁铁激励器的数量及安装位置由仿真分析所得到的薄膜天线模态振型以及需要测量的模态阶数来进行确定；
薄膜天线测试组件包括固定在真空环境模拟器(3)内的薄膜天线框架结构(1)和固定在薄膜天线框架结构(1)上的薄膜天线(102)；
薄膜天线框架结构(1)包括外框架(101)、夹具(103)、拉力传感器(104)、调节螺栓(105)和杆套(106)；薄膜天线(102)边缘焊接杆套(106)，并将铝棒套在杆套(106)内，通过夹具(103)将铝棒夹住，薄膜天线(102)整体通过夹具(103)夹在外框架(101)上；通过调节螺栓(105)来调节薄膜天线(102)上不同的拉力，并通过拉力传感器(104)测得拉力值；
测试仪组件包括扫描式激光测振仪(4)、单点式激光测振仪(5)和数据采集与分析系统(6)；扫描式激光测振仪(4)和单点式激光测振仪(5)设置在真空环境模拟器(3)外，分别固定在两台三脚架上，扫描式激光测振仪(4)和单点式激光测振仪(5)同时发射预定波长的激光束，穿过真空环境模拟器(3)上的光学玻璃观察窗(11)后，激光束最终落到薄膜天线(102)上，通过数据采集与分析系统(6)采集两台激光测振仪的返回信号，并分析得到薄膜天线的模态频率和振型。
2.根据权利要求1所述的一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，其特征在于：通过调节螺栓(105)和拉力传感器(104)，可将不同的面内预应力导入到薄膜天线(102)中。
3.根据权利要求1所述的一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，其特征在于：薄膜天线(102)朝向光学玻璃观察窗(11)的一侧粘贴有等间距阵列式的漫反射纸。
4.根据权利要求3所述的一种适用于薄膜天线在真空环境下的模态测试系统，其特征在于：漫反射纸为圆形、正方形、三角形或者长方形，单个面积不超过5cm2。
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