CN111442889A - 振动试验应力应变限幅控制系统及其控制方法 - Google Patents

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赛建刚
段炯
马研
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Abstract

本发明公开了一种振动试验应力应变限幅控制系统及其控制方法，旨在解决现有技术中存在的加速度限幅控制方法只能对试件在振动试验中的加速度响应进行限幅控制，无法直观地从试件结构特性、材料特性的角度对试件进行有效保护，而且加速度阈值地选取没有任何权威数据和方法可供参考，非常依赖试验人员的主观经验，往往会与实际情况有很大偏差的技术问题，本发明包括振动台、动态应变仪、振动控制测量系统、振动台功放以及至少一个应变传感器；本发明通过直接测量试件应力应变，从而在根本上从试件结构特性、材料特性的角度对试件进行有效保护。

Description

振动试验应力应变限幅控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种振动试验控制系统，具体涉及一种振动试验应力应变限幅控制系统及其控制方法。
背景技术
振动试验是目前产品可靠性评估的一种重要方法，广泛地应用于航天、航空、船舶、电子、汽车等领域。
振动试验主要有正弦振动试验和随机振动试验两种，常见的振动试验设备有机械振动台、液压振动台和电磁振动台。振动试验的工作原理：振动台通过控制器产生振动或冲击波形信号，信号经过振动台功放进行功率放大，然后驱动振动台动圈在励磁线圈的磁场内做切割磁力线运动，同时振动控制测量系统通过加速度计采集到的加速度反馈信号不断修正输出波形，达到闭环控制的目的。
在振动试验过程中，因试件结构、材料较为复杂，试件的振动响应往往比振动台输入要大，有时甚至会将输入放大几十倍甚至上百倍；近年来，在振动测量技术发展的基础上，常常采用限幅控制的方法以保护试件的安全。
目前的限幅控制方法主要采用的是加速度限幅控制方法，即在试件表面安装加速度传感器，测量试件在振动试验中的加速度响应，同时在振动控制与测量软件中设定试件某些频段的加速度响应阈值，一旦超过该阈值，控制软件将降低控制振动台在该频段的输出加速度，使试件加速度响应低于设定阈值，以达到限幅控制的目的。
然而，申请人认识到，加速度限幅控制方法只能对试件在振动试验中的加速度响应进行限幅控制，无法直观地从试件结构特性、材料特性的角度对试件进行有效保护；而且加速度阈值地选取没有任何权威数据和方法可供参考，非常依赖试验人员的主观经验，往往会与实际情况有很大偏差。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的加速度限幅控制方法只能对试件在振动试验中的加速度响应进行限幅控制，无法直观地从试件结构特性、材料特性的角度对试件进行有效保护，而且加速度阈值地选取没有任何权威数据和方法可供参考，非常依赖试验人员的主观经验，往往会与实际情况有很大偏差的技术问题，而提供一种振动试验应力应变限幅控制系统及其控制方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种振动试验应力应变限幅控制系统，其特殊之处在于：包括振动台、动态应变仪、振动控制测量系统、振动台功放以及至少一个应变传感器；
所述振动台用于放置待振动的试件；
所述应变传感器设置于试件上，并与动态应变仪的输入端连接；
所述动态应变仪的输出端与振动控制测量系统连接；
所述振动控制测量系统用于根据获取的动态应变仪输出信号和设定的应力应变限幅阈值，控制振动台功放的振动功率；
所述振动台功放的输出端与振动台连接。
进一步地，所述应变传感器粘贴于试件的薄弱部位和/或敏感部位。
进一步地，所述动态应变仪的型号为YE3817C。
进一步地，所述应变传感器的型号为BE120。
进一步地，所述试件为航天相机；
所述应变传感器粘贴于航天相机的镜筒外壁。
进一步地，所述试件为航天转台；
所述应变传感器粘贴于航天转台的光学玻璃侧面以及编码器外壳上。
进一步地，所述试件为红外高精度黑体；
所述应变传感器粘贴于红外高精度黑体的安装面上。
基于上述的振动试验应力应变限幅控制系统，本发明还提供了的一种振动试验应力应变限幅控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、根据待振动试件的应力应变能力在振动控制测量系统内设定应力应变限幅阈值；
步骤2、开始试验，振动控制测量系统通过振动台功放控制振动台振动；
步骤3、试件开始振动，应变传感器感应试件的应力应变信号，并将其传输于动态应变仪；
步骤4、动态应变仪将应力应变信号转化为电压信号后，传输至振动控制测量系统；
步骤5、振动控制测量系统获取反映应力应变的电压信号，并与设定的应力应变限幅阈值作对比；
若超出限幅阈值，则振动控制测量系统控制振动台功放降低振动功率，使其处于限幅阈值之内，然后继续试验；
若在限幅阈值之内，则保持振动台功放的功率继续试验。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过直接测量试件应力应变，从而在根本上从试件结构特性、材料特性的角度对试件进行有效保护。
2.本发明中的应变传感器及动态应变仪工作稳定可靠，价格低廉，经济实用。
3.本发明不需要过多更换原有振动控制测量系统的硬件及软件，只需要在硬件前端增加与原系统接口匹配的动态应变仪，并在试件上粘贴应变传感器，将应变传感器的采集信号转化为电压信号并进行放大后输入振动控制测量系统；试件的应力应变限幅阈值可直接选取其制备材料的屈服强度乘以一定的安全系数而得；而且通过应力应变分析还能够得到试件材料损伤、结构损伤以及疲劳寿命。
附图说明
图1是本发明一种振动试验应力应变限幅控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种振动试验应力应变限幅控制系统及其控制方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
本发明一种振动试验应力应变限幅控制系统，如图1所示，包括振动台、动态应变仪、振动控制测量系统、振动台功放以及至少一个应变传感器；振动台用于放置待振动的试件；应变传感器粘贴于试件的薄弱部位或敏感部位，若同一试件上既包括薄弱部位，又包括敏感部位，则薄弱部位和敏感部位均粘贴应变传感器，且数量不限。
所谓薄弱部位，即指施加振动应力时，试件的机械结构容易产生损伤或破坏的位置，如薄壁结构表面、运动部件连接处等；
所谓敏感部位，即指施加振动应力时，影响试件主要性能或功能的位置，如玻璃材料表面、关键电子部件的安装面等；
例如：
一、若试件为航天相机，则应变传感器粘贴于航天相机的镜筒外壁；
二、若试件为航天转台，则应变传感器粘贴于航天转台的光学玻璃侧面以及编码器外壳上；
三、若试件为红外高精度黑体，则应变传感器粘贴于红外高精度黑体的安装面上。
应变传感器与动态应变仪的输入端连接；动态应变仪的输出端与振动控制测量系统连接；应变传感器用于获取试件的应力应变信号，并将该信号传输于动态应变仪；动态应变仪将收到的信号转化为电压信号并进行放大后，从其输出端传输于振动控制测量系统；振动控制测量系统用于根据获取的动态应变仪输出信号和设定的应力应变限幅阈值，控制振动台功放的振动功率；振动台功放的输出端与振动台连接，使得振动台按输出功率振动。
其中动态应变仪的型号优选YE3817C、应变传感器的型号优选BE120。
本发明一种振动试验应力应变限幅控制方法，其工作步骤如下：
步骤1、根据待振动试件的应力应变能力在振动控制测量系统内设定应力应变限幅阈值；
步骤2、开始试验，振动控制测量系统通过振动台功放控制振动台振动；
步骤3、试件开始振动，应变传感器感应试件的应力应变信号，并将其传输于动态应变仪；
步骤4、动态应变仪将应力应变信号转化为电压信号后，传输至振动控制测量系统；
步骤5、振动控制测量系统获取反映应力应变的电压信号，并与设定的应力应变限幅阈值作对比；
若超出限幅阈值，则振动控制测量系统控制振动台功放降低振动功率，使其处于限幅阈值之内，然后继续试验；
若在限幅阈值之内，则保持振动台功放的功率继续试验。
本发明通过测量振动试验中试件的应力应变响应，继而进行限幅控制，达到防止过试验、保护试件的目的。

Claims (8)

1.一种振动试验应力应变限幅控制系统，其特征在于：包括振动台、动态应变仪、振动控制测量系统、振动台功放以及至少一个应变传感器；
所述振动台用于放置待振动的试件；
所述应变传感器设置于试件上，并与动态应变仪的输入端连接；
所述动态应变仪的输出端与振动控制测量系统连接；
所述振动控制测量系统用于根据获取的动态应变仪输出信号和设定的应力应变限幅阈值，控制振动台功放的振动功率；
所述振动台功放的输出端与振动台连接。
2.根据权利要求1所述的振动试验应力应变限幅控制系统，其特征在于：所述应变传感器粘贴于试件的薄弱部位和/或敏感部位。
3.根据权利要求1或2所述的振动试验应力应变限幅控制系统，其特征在于：所述动态应变仪的型号为YE3817C。
4.根据权利要求3所述的振动试验应力应变限幅控制系统，其特征在于：所述应变传感器的型号为BE120。
5.根据权利要求4所述的振动试验应力应变限幅控制系统，其特征在于：
所述试件为航天相机；
所述应变传感器粘贴于航天相机的镜筒外壁。
6.根据权利要求4所述的振动试验应力应变限幅控制系统，其特征在于：
所述试件为航天转台；
所述应变传感器粘贴于航天转台的光学玻璃侧面以及编码器外壳上。
7.根据权利要求4所述的振动试验应力应变限幅控制系统，其特征在于：
所述试件为红外高精度黑体；
所述应变传感器粘贴于红外高精度黑体的安装面上。
8.基于权利要求1所述的振动试验应力应变限幅控制系统的一种振动试验应力应变限幅控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据待振动试件的应力应变能力在振动控制测量系统内设定应力应变限幅阈值；
步骤2、开始试验，振动控制测量系统通过振动台功放控制振动台振动；
步骤3、试件开始振动，应变传感器感应试件的应力应变信号，并将其传输于动态应变仪；
步骤4、动态应变仪将应力应变信号转化为电压信号后，传输至振动控制测量系统；
步骤5、振动控制测量系统获取反映应力应变的电压信号，并与设定的应力应变限幅阈值作对比；
若超出限幅阈值，则振动控制测量系统控制振动台功放降低振动功率，使其处于限幅阈值之内，然后继续试验；
若在限幅阈值之内，则保持振动台功放的功率继续试验。
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