CN202002788U - 一种双向摆式强迫振动装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双向摆式强迫振动装置，包括遥控器、控制电路、复位模块、调相模块、调频模块、调幅模块和机械运行部分，其中，遥控器、复位模块、调相模块、调频模块、调幅模块分别与控制电路连接，调相模块、调频模块、调幅模块分别与机械运行部分相连接。本装置能实现两个方向的振动幅值和频率可调，可用于强迫振动风洞实验，通过本装置获得的模型表面风压风洞试验数据能够反映模型在双向的气动弹性效应随运动强度的变化规律与特点及双轴气弹效应的相互影响，对高层、高耸结构气弹效应识别风洞试验方法的改进以及高层、高耸结构抗风研究与设计具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型属于建筑工程领域，尤其涉及一种双向摆式强迫振动装置。
背景技术
近年来，随着经济建设的飞速发展和轻质高强材料在建筑工程中的广泛采用，大量阻尼小、质量轻的超高层建筑、高耸结构在我国大中城市中兴建。超高层建筑、高耸结构是典型的风敏感结构，因而对其结构抗风设计的要求相当高，尤其是必须准确把握其结构风致振动时的气动弹性效应。目前，对风敏感结构中的高柔结构的气动弹性效应研究的主要途径是通过强迫振动风洞试验获得模型表面风压数据随运动强度的变化规律，进而分析体系的气动参数和荷载的气动弹性效应改变量。因此，设计合理、有效的强迫振动风洞试验装置就是研究高柔结构气动弹性效应、把握其在强风作用下的实际行为的关键步骤。在高层、高耸结构强迫振动风洞实验装置研制方面，加拿大的 B.J.Vickery和Andrew Steckley[1-2]在上世纪90年代研制了可变幅值、变频率的单向摆式强迫振动装置，但不能测试、把握高柔结构在两个主轴向同时发生不同频率、不同幅值的风致振动时的双向气弹效应及其相关性。
文中涉及的参考文献如下：
[1] B.J.Vickery, A.Steckley, Aerodynamic Damping and Vortex Excitation on an Oscillation Prism in Turbulent Shear Flow[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic, 49(1993): 121-140.
[2] B.J.Vickery, et. On the Measurement of Motion Induced Forces on Models in Turbulent Shear Flow[J], Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic, 36(1990): 339-350.
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种可变幅值、变频率的双向摆式强迫振动装置。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种双向摆式强迫振动装置，包括遥控器（1）、控制电路（2）、复位模块（3、4）、调相模块（5、6）、调频模块（7、8）、调幅模块（9、10）和机械运行部分（11）；其中，机械运行部分（11）包括轮盘（11a、11b）、滑块（11c、11d）、杆体（11e）、底座（11f）、活动台（11g）和光轴支架（11h）；轮盘（11a、11b）和光轴支架（11h）装置在底座（11f）上；光轴支架（11h）有上下两层，均平行于底座（11f），一层呈“ 
”型，另一层呈
型，活动台（11g）固定置于光轴支架（11h）中部，杆体（11e）垂直底座（11f）且其下端固定在活动台（11g）中心孔内，轮盘（11a）、轮盘（11b）分别联接带动滑块（11c）、滑块（11d），滑块（11c）、滑块（11d）分别固定在光轴支架（11h）不同层的外边，且滑块（11c）、滑块（11d）呈直角位置关系；遥控器（1）、复位模块（3、4）、调相模块（5、6）、调频模块（7、8）、调幅模块（9、10）分别与控制电路（2）连接，遥控器（1）、复位模块（3、4）、调相模块（5、6）、调频模块（7、8）、调幅模块（9、10）分别与控制电路（2）连接，调相模块（5）、调相模块（6）分别固定在轮盘（11a）、轮盘（11b）上、调频模块（7）、调频模块（8）分别连接驱动轮盘（11a）、轮盘（11b）相连，调幅模块（9）、调幅模块（10）分别连接驱动滑块（11c）、滑块（11d）相连。
上述遥控器（1）由依次连接的输入按键（1a）、单片机（1b）、显示屏（1c）组成，输入按键（1a）与单片机（1b）配合实现输入、确定、启停功能，输入按键（1a）输入的信息会实时呈现在显示屏（1c）上。
上述控制电路（2）由单片机（2a）、接收遥控器数据电路（2b）、接收复位信号电路（2c）、接收相位信号电路（2d）、发出频率控制信号电路（2e）和发出幅值控制信号电路（2f）组成，接收遥控器数据电路（2b）、接收复位信号电路（2c）、接收相位信号电路（2d）、发出频率控制信号电路（2e）、发出幅值控制信号电路（2f）均与单片机（2a）相连，其中，控制电路（2）通过接收遥控器数据电路（2b）与遥控器（1）相连，控制电路（2）通过接收复位信号电路（2c）与复位模块（3、4）相连，控制电路（2）通过接收相位信号电路（2d）与调相模块（5、6）相连，控制电路（2）通过发出频率控制信号电路（2e）与调频模块调频模块（7、8）相连，控制电路（2）通过发出幅值控制信号电路（2f）与调幅模块（9、10）相连。
上述复位模块（3、4）均由依次连接的复位开关、开关接口和高电平信号发出电路组成，高电平信号发出电路与控制电路（2）中的接收复位信号电路（2c）相连。
上述调相模块（5、6）均由光耦、挡板、相位开关接口和电平信号发出电路组成，其中，光耦通过相位开关接口与电平信号发出电路相连，挡板置于光耦槽内，电平信号发出电路与控制电路（2）中的接收相位信号电路（2d）相连，调相模块（5）和调相模块（6）的挡板分别固定在机械运行部分（11）的轮盘（11a）和轮盘（11b）上。
上述调频模块（7、8）均由依次连接的信号隔离电路、功率驱动电路、直流电机组成，其中，信号隔离电路与控制电路（2）中的发出频率控制信号电路（2e）相连。
上述调幅模块（9、10）均由依次连接的脉冲转化电路、驱动电路、步进电机组成，其中，脉冲转化电路与控制电路（2）中的发出幅值控制信号电路（2f）相连。
本实用新型的装置可用于强迫振动风洞试验，将本装置固定在风洞地板上，建筑物模型固定在机械运行部分中的杆体上，操作人员通过遥控器输入需要的频率、振幅和相位信息，遥控器将数据信号发送到控制电路，控制电路在接收复位模块、调相模块以及遥控器的信号后向调频模块和调幅模块发出信号，调幅模块根据输入振幅驱动步进电机控制与其连接的滑块滑至对应的幅值位置，调频模块中的直流电机按输入频率转动，转动的直流电机驱动与其连接的轮盘，轮盘带动与其连接的滑块，滑块带动光轴支架，光轴支架带动活动台运动，从而带动活动台中间的杆体振动，固定在杆体上的建筑物模型即可按照输入的频率和振幅进行双向的强迫振动。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：
1、经激光位移计测量，杆体振动的频率和振幅与遥控器输入的频率和振幅一致，该实用新型提高了实验数据的客观性，使得风洞实验与真实情况更为接近，且实验效率较高；
2、通过本装置获得的模型表面风压风洞试验数据能够反映模型在双向的气动弹性效应随运动强度的变化规律与特点及双轴气弹效应的相互影响，对高层、高耸结构气弹效应识别风洞试验方法的改进以及高层、高耸结构抗风研究与设计具有重要意义。
附图说明
图1是本实用新型的外观略图；
图2是本实用新型电路部分的框架图；
图3是本实用新型机械部分的俯视图；
图4是本实用新型机械部分的左视图；
图5是本实用新型遥控器电路图；
图6是本实用新型控制电路的电路框图；
图7是本实用新型控制电路的电路图；
图8是本实用新型复位模块的电路图；
图9是本实用新型调相模块的电路图及其与其他模块的连接；
图10是本实用新型调频模块的电路图；
图11是本实用新型调幅模块的电路图。
具体实施方式
本实用新型的装置中有两个复位模块、两个调相模块、两个调频模块和两个调幅模块，机械部分中的呈直角关系的两个滑块分别对应一个复位模块、一个调相模块、一个调频模块和一个调幅模块，两个滑块在复位模块、调相模块、调频模块和调幅模块的作用下向不同的方向运动，由于滑块的运动会导致固定在活动台上的杆体的运动，从而实现了杆体在两个方向振动的幅值和频率可调。
下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型的一种双向摆式强迫振动装置由电路部分和机械部分组成，包括遥控器（1）、控制电路（2）、复位模块（3、4）、调相模块（5、6）、调频模块（7、8）、调幅模块（9、10）和机械运行部分（11）；其中，机械运行部分（11）包括轮盘（11a、11b）、滑块（11c、11d）、杆体（11e）、底座（11f）、活动台（11g）和光轴支架（11h）；轮盘（11a、11b）和光轴支架（11h）装置在底座（11f）上；光轴支架（11h）有上下两层，均平行于底座（11f），一层呈“
”型，另一层呈型，活动台（11g）固定置于光轴支架（11h）中部，杆体（11e）垂直底座（11f）且其下端固定在活动台（11g）中心孔内，轮盘（11a）、轮盘（11b）分别联接带动滑块（11c）、滑块（11d），滑块（11c）、滑块（11d）分别固定在光轴支架（11h）不同层的外边，且滑块（11c）、滑块（11d）呈直角位置关系；遥控器（1）、复位模块（3、4）、调相模块（5、6）、调频模块（7、8）、调幅模块（9、10）分别与控制电路（2）连接，调频模块（7）、调频模块（8）分别连接驱动轮盘（11a）、轮盘（11b）相连，调幅模块（9）、调幅模块（10）分别连接驱动滑块（11c）、滑块（11d）相连。
除了遥控器（1）外，所有部件都安装在机箱内，杆体从机箱中伸出，如图1所示。图2为本实用新型电路部分的框架图，图3为本实用新型机械部分俯视图，图4为本实用新型机械部分的左视图。
图5为遥控器的电路图，本实用新型中的遥控器（1）用于输入频率、幅值和相位信息，由依次连接的输入按键（1a）、单片机（1b）、显示屏（1c）组成，其中，输入按键（1a）有三个，单片机（1b）采用2051型号单片机，显示盘（1c）为液晶显示屏，输入按键（1a）与单片机（1b）配合实现输入、确定和启停功能，通过输入按键输入的信息会实时地呈现在液晶显示屏上。
图6为控制电路的电路框图，图7为其电路图。控制电路（2）由单片机（2a）、接收遥控器数据电路（2b）、接收复位信号电路（2c）、接收相位信号电路（2d）、发出频率控制信号电路（2e）和发出幅值控制信号电路（2f）组成；接收遥控器数据电路（2b）、接收复位信号电路（2c）、接收相位信号电路（2d）、发出频率控制信号电路（2e）、发出幅值控制信号电路（2f）均与单片机（2a）相连。接收遥控器数据电路（2b）用来接收遥控器（1）的数据；接收复位信号电路（2c）用来接收复位模块（3、4）的复位信号；接收相位信号电路（2d）用来接收调相模块（5、6）的相位信息；发出频率控制信号电路（2e）用来向调频模块（7、8）发出控制信号；发出幅值控制信号电路（2f）用来向调幅模块（9、10）发出幅值信号。单片机（2a）为控制电路（2）的核心，本实施例中单片机（2a）采用2051型号单片机。
图8为复位模块电路图，复位模块（3、4）均由复位开关、开关接口和高电平信号发出电路组成，复位开关通过开关接口与高电平信号发出电路相连，高电平信号发出电路与控制电路（2）中的接收复位信号电路（2c）相连。当滑块滑至复位开关处时，滑块触及复位开关，高电平信号发出电路发送一高电平信号至控制电路（2），表示复位完毕。
图9为调相模块的电路图，调相模块（5、6）均由光耦、挡板、相位开关接口和电平信号发出电路组成，其中，光耦通过相位开关接口与电平信号发出电路相连，挡板置于光耦槽内，电平信号发出电路与控制电路（2）中的接收相位信号电路（2d）相连，调相模块（5）和调相模块（6）的挡板分别固定在机械运行部分（11）的轮盘（11a）和轮盘（11b）上。当挡板未进入光耦槽内时，相位开关接口为高电平，当挡板进入光耦槽内挡住光线时，相位开关接口为变为低电平。
光耦是以光为媒介来传输电信号，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。在本实施例的调相模块中，挡板的移动会挡住光信号，因此输出端的电流会发生变化，从而可通过电流变化来反映由挡板位置代表的相位位置，由于挡板固定在机械运行部分（11）的轮盘上，轮盘的运动最终导致杆体的运动，因此可通过调相模块来监控杆体的相位信息。
图10是调频模块（7、8）的电路图，调频模块（7、8）由依次连接的直流电机、功率驱动电路、信号隔离电路组成，其中，信号隔离电路与控制电路（2）中的发出频率控制信号电路（2e）相连，本模块通过调节脉宽进行调速，从而实现直流电机的振动频率调节。当控制电路（2）所发出的脉宽可调的信号，经过信号隔离电路后，驱动功率驱动电路从而驱动直流电机转动。直流电机的转动会带动与其相连的轮盘转动，轮盘转动带动与之相连的滑块往复滑移，滑块与杆体相连，从而使杆体往复振动。
图11是调幅模块（9、10）的电路图，调幅模块（9、10）由依次连接的步进电机、驱动电路和脉冲转化电路组成，脉冲转化电路与控制电路（2）中的发出幅值控制信号电路（2f）相连，脉冲转化电路接收控制电路（2）发出的单一脉冲序列及方向信号，对接收的脉冲信号进行脉冲整形，将单一的脉冲转化成可以驱动步进电机的四相脉冲，该四相脉冲通过驱动电路进行功率放大后，用于驱动步进电机。
本实用新型的电路部分有如下三种工作模式：
1、电复位模式：
1）通电时，控制电路（2）控制调幅模块（9、10）自动运行，调幅模块（9、10）通过各自的步进电机控制与其连接的滑块靠近复位开关附近；
2）当滑块碰到复位开关时，说明幅值已经调节为零，此时复位模块（3、4）向控制电路（2）发送已复位信号；
3）调幅模块（9、10）和复位模块（3、4）静止，等待摇控器（1）的指令；
2、数据输入模式：
完成电复位模式后，操作者可以通过遥控器（1）输入所需要的频率、幅值、相位信息，并将数据信息传至控制电路（2）；
3、运行模式：
1）控制电路（2）根据接收到的遥控器（1）的幅值信息，控制调幅模块（9、10）驱动与其连接的滑块滑至对应的幅值；
2）完成上一步骤后，控制电路（2）启动调频模块（7、8），并将遥控器（1）发送的频率信息发至调频模块（7、8），调频模块（7、8）控制直流电机按接收频率转动，并驱动与其连接的轮盘转动，轮盘（11a）的转动驱动滑块（11c）运动，滑块（11c）的运动带动光轴支架（11h）沿X轴方向移动，轮盘（11b）的转动驱动滑块（11d）运动，滑块（11d）的运动带动光轴支架（11h）沿Y轴方向移动，光轴支架（11h）的移动带动活动台（11g）的运动，从而带动杆体（11e）的双向振动，如图3所示；
3）在运行过程下，调相模块（5、6）通过光耦和挡板实时检测滑块（11c）和滑块（11d）在X轴与Y轴方向的位置信息并将该信息传至控制电路（2）；
4）控制电路（2）根据调相模块（5、6）反馈回来的滑块位置信息重新调节调频模块（7、8），使得滑块在X轴与Y轴的相位关系达到预先输入要求；
5）若遥控器（1）无下一步指今，则循环执行步骤3）～4），当遥控器（1）有新的指今，则结束循环。
Claims (7)
1.一种双向摆式强迫振动装置，其特征在于，包括：
遥控器（1）、控制电路（2）、复位模块（3、4）、调相模块（5、6）、调频模块（7、8）、调幅模块（9、10）和机械运行部分（11）；
机械运行部分（11）包括轮盘（11a、11b）、滑块（11c、11d）、杆体（11e）、底座（11f）、活动台（11g）和光轴支架（11h）；轮盘（11a、11b）和光轴支架（11h）装置在底座（11f）上；光轴支架（11h）有上下两层，均平行于底座（11f），一层呈“ 
”型，另一层呈
型，活动台（11g）固定置于光轴支架（11h）中部，杆体（11e）垂直底座（11f）且其下端固定在活动台（11g）中心孔内，轮盘（11a）、轮盘（11b）分别联接带动滑块（11c）、滑块（11d），滑块（11c）、滑块（11d）分别固定在光轴支架（11h）不同层的外边且两滑块之间呈直角位置关系；
遥控器（1）、复位模块（3、4）、调相模块（5、6）、调频模块（7、8）、调幅模块（9、10）分别与控制电路（2）连接，调相模块（5）、调相模块（6）分别固定在轮盘（11a）、轮盘（11b）上、调频模块（7）、调频模块（8）分别连接驱动轮盘（11a）、轮盘（11b）相连，、调幅模块（9）、调幅模块（10）分别连接驱动滑块（11c）、滑块（11d）相连。
2.根据权利要求1所述的双向摆式强迫振动装置，其特征在于：
所述的遥控器（1）由依次连接的输入按键（1a）、单片机（1b）、显示屏（1c）组成。
3.根据权利要求1所述的双向摆式强迫振动装置，其特征在于：
所述的控制电路（2）由单片机（2a）、接收遥控器数据电路（2b）、接收复位信号电路（2c）、接收相位信号电路（2d）、发出频率控制信号电路（2e）和发出幅值控制信号电路（2f）组成，接收遥控器数据电路（2b）、接收复位信号电路（2c）、接收相位信号电路（2d）、发出频率控制信号电路（2e）、发出幅值控制信号电路（2f）均与单片机（2a）相连，其中，控制电路（2）通过接收遥控器数据电路（2b）与遥控器（1）相连，控制电路（2）通过接收复位信号电路（2c）与复位模块（3、4）相连，控制电路（2）通过接收相位信号电路（2d）与调相模块（5、6）相连，控制电路（2）通过发出频率控制信号电路（2e）与调频模块调频模块（7、8）相连，控制电路（2）通过发出幅值控制信号电路（2f）与调幅模块（9、10）相连。
4.根据权利要求1所述的双向摆式强迫振动装置，其特征在于：
所述的复位模块（3、4）均由依次连接的复位开关、开关接口和高电平信号发出电路组成，高电平信号发出电路与控制电路（2）中的接收复位信号电路（2c）相连。
5.根据权利要求1所述的双向摆式强迫振动装置，其特征在于：
所述的调相模块（5、6）均由光耦、挡板、相位开关接口和电平信号发出电路组成，其中，光耦通过相位开关接口与电平信号发出电路相连，挡板置于光耦槽内，电平信号发出电路与控制电路（2）中的接收相位信号电路（2d）相连，调相模块（5）和调相模块（6）的挡板分别固定在机械运行部分（11）的轮盘（11a）和轮盘（11b）上。
6.根据权利要求1所述的双向摆式强迫振动装置，其特征在于：
所述的调频模块（7、8）均由依次连接的信号隔离电路、功率驱动电路、直流电机组成，其中，信号隔离电路与控制电路（2）中的发出频率控制信号电路（2e）相连。
7.根据权利要求1所述的双向摆式强迫振动装置，其特征在于：
所述的调幅模块（9、10）均由依次连接的脉冲转化电路、驱动电路、步进电机组成，其中，脉冲转化电路与控制电路（2）中的发出幅值控制信号电路（2f）相连。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111005 Termination date: 20140121 |