CN103323097B - 一种超低频高精度微振动测量*** - Google Patents

Abstract

一种超低频高精度微振动测量***，由底座、四个转接块、四个应变式力传感器、负载盘、动态应变仪、48片应变片及数据采集和处理***组成；应变式力传感器上贴有应变片；应变式力传感器位于负载盘和转接块之间，通过螺栓拧紧连接；转接块位于底座侧表面，通过螺栓与底座侧表面拧紧连接；通过对四个应变式力传感器上粘贴的应变片进行合理组合并与动态应变仪连接组成12个全桥电路，测出扰动源的三个动态力和三个动态力矩。扰动源既装在测试***内部，也可以装在测试***外部。各应变片通过导线与动态应变仪连接，动态应变仪通过导线与数据采集和处理***连接；本发明能精确测量微小扰动源的振动力和振动力矩，测量的频率范围精确到0Hz，测量可靠性高。

Description

一种超低频高精度微振动测量***

技术领域

本发明涉及一种超低频高精度微振动测量***，可用于对航天器内部微小扰动载荷在六个自由度上的振动信号进行动态测量。

背景技术

目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对指向精度和稳定度均提出了很高的要求。另外，在现代航天器姿态控制***中，反作用轮、单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制***中的重要元件，它们在提供必要的控制动力的同时，也会引起一些有害振动(为简单起见，下面将上述三种***统称为扰动源)。这些扰动主要由飞轮不平衡、轴承扰动、电机扰动、电机驱动误差等引起的，其中电机扰动是导致太阳翼驱动机构振动的最主要原因，而且电机扰动的低频区域情况复杂，这些扰动力和扰动力矩会降低体太空中精密性仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰动的动态特性，对于分析并消除扰动从而提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。

由于航天器扰动源的扰动很小，个别有效载荷如动量轮在空间三个方向只能产生几十毫牛顿甚至几毫牛顿的微弱扰动，要想在具有相对强烈干扰背景噪音的地面实验室中测量此类扰动十分困难，而其对应传感器的精度要求非常高。另外，压电式力传感器在低频区域精确度较低，不能满足对太阳翼驱动机构振动的测试要求。

目前，国内外尚未见有关此类超低频微小振动测量***的文献报导。

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，提供一种超低频高精度微振动测量***，测量并分析航天器运行过程中，扰动源在空间六个自由度上的动态特性，克服了压电式力传感器在低频区域精确度较低的不足，为提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计提供可靠的测试数据。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超低频高精度微振动测量***，其测量频率可低至0Hz，其振动力和振动力矩的精度分别优于10^-3N和10^-3Nm；该测量***包括底座1、测力装置2、动态应变仪3以及数据采集和处理***4；测力装置2由四个应变式力传感器5、四个转接块6、负载盘7和48片应变片11组成；四个转接块6分别位于底座1的四个侧表面上，每个转接块6均通过三个螺栓拧紧于底座1的侧表面上；四个应变式力传感器5位于四个转接块6的上表面和负载盘7下表面之间，每个应变式力传感器5分别通过四个螺栓拧紧于转接块6的上表面和负载盘7的下表面；四个应变式力传感器5均有形状相同的三部分组成，其中两部分位于水平方向上，另一部分位于竖直方向上，且每一部分均在圆弧对应的平面位置处贴有4片应变片11，每部分的四片应变片11和动态应变仪3组成一个全桥，这样构成两个水平方向上的全桥8、9和竖直方向上的全桥10，两个水平方向上的全桥8、9保证能测量沿Z轴的振动力和绕X、Y轴的振动力矩，竖直方向上的全桥10保证能测量沿X、Y轴的振动力和绕Z轴的振动力矩；四个应变式力传感器5上的应变片11通过信号传输线与动态应变仪3相连；动态应变仪3输出通过信号传输线与数据采集和处理***4相连；当微小扰动源产生振动时，四个应变式力传感器5上的应变片11与动态应变仪3组成的全桥产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理***4转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础准确分析出微小扰动源的振动特性。

本发明的原理是：本发明包括底座、四个转接块、四个应变式力传感器、48片应变片、负载盘、动态应变仪以及数据采集和处理***；扰动源安装在负载盘的中心处，四个应变式力传感器的水平部分上粘贴的应变片与动态应变仪组成的全桥用于测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；四个应变式力传感器的竖直部分上粘贴的应变片和动态应变仪组成的全桥用于测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩；四个应变式力传感器上粘贴的应变片通过信号传输线与动态应变仪相连；动态应变仪输出通过信号传输线与数据采集和处理***相连；当微小扰动源产生振动时，四个应变式力传感器上粘贴的应变片与动态应变仪组成的全桥产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理***转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础可以准确分析出微小扰动源的振动特性。

所述的四个转接块为不锈钢块，且对称地分布在底座的四个侧表面上。

所述的四个应变式力传感器为铝制元件，其上贴有应变片。

所述的四个应变式力传感器分别位于四个转接块的上表面上，且对称地分布在负载盘下表面上，并位于负载盘的边缘。

所述的负载盘的形状为内圆外方。

所述的底座的上部四个侧面分别与四个转接块连接；下部通过20个螺栓与地基连接。

所述的需要通过螺栓连接处的螺栓必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高该测量***的刚度，保证其测量精度。

所述的测量***内部是空的，可以将扰动源安装在测量***内部，也可以将扰动源安装在测量***外部。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明通过对四个普通的应变式力传感器上粘贴的应变片与动态应变仪组成的全桥进行合理布置，从而使得六个自由度的微扰动信号可以利用现有的应变式力传感器来测量，克服了缺少高精度三向传感器的问题，使得测量精度大大提高。

（2）本发明应用的是应变式力传感器，可以克服压电式力传感器低频区域精确度较低的不足。

（3）本发明测量装置和被测量试件分离，不需要在被测量试件上安装附加设备和传感器，不影响被测试件的动态特性，不损伤被测试件结构，试验完毕后试件还可以正常使用。

（4）本发明的扰动源可以置于测量***内部或外部，提高了测量***的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1中测力装置示意图；

图3为本发明实施例1中应变式力传感器示意图；

图4为本发明实施例1中全桥电路示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，一种超低频高精度微振动测量***包括：底座1、测力装置2、动态应变仪3以及数据采集和处理***4；测力装置2由四个应变式力传感器5、四个转接块6和负载盘7组成；四个转接块6分别位于底座1的四个侧表面上，每个转接块6均通过三个螺栓拧紧于底座1的侧表面上；四个应变式力传感器5位于四个转接块6的上表面和负载盘7下表面之间，每个应变式力传感器5分别通过四个螺栓拧紧于转接块6的上表面和负载盘7的下表面；四个应变式力传感器5均有形状相同的三部分组成，其中两部分位于水平方向上，另一部分位于竖直方向上，且每一部分均在圆弧对应的平面位置处贴有4片应变片11，每部分的四片应变片11和动态应变仪3可以组成一个全桥，水平方向上的全桥8、9保证其能测量沿Z轴的振动力和绕X、Y轴的振动力矩，竖直方向上的全桥10保证其能测量沿X、Y轴的振动力和绕Z轴的振动力矩；四个应变式力传感器5上的应变片11通过信号传输线与动态应变仪3相连；动态应变仪3输出通过信号传输线与数据采集和处理***4相连；当微小扰动源产生振动时，四个应变式力传感器5上的应变片11与动态应变仪3组成的全桥产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理***4转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础准确分析出微小扰动源的振动特性。

在实施例1中底座1为铝框底座，负载盘7的形状为内圆外方形，也是铝质材料，扰动源安装在负载盘7的中心处。四个应变式力传感器5对称地分布在负载盘7下表面，且位于负载盘7边缘；四个应变式力传感器5均有形状相同的三部分组成（其中两部分位于水平方向上，一部分位于竖直方向上），每一部分上的粘贴的应变片11均可以和动态应变仪3组成一个全桥，其中水平方向上的全桥8、9可以保证其能测量沿Z轴的振动力和绕X、Y轴的振动力矩，竖直方向上的全桥10可以保证其能测量沿X、Y轴的振动力和绕Z轴的振动力矩。

铝框底座通过20个螺栓与地基拧紧连接，整个结构要保证其刚度满足动态测试要求。

图3为应变式力传感器示意图，该传感器上共粘贴有12片应变片，将该传感器底部固定，当其受到沿Y正方向的力时，应变片11.1—11.8的应变可以忽略，由于圆弧效应，应变片11.9处应变为负，应变片11.10处应变为正，应变片11.11处应变为负，应变片11.12处应变为正；应变片11.9—11.12的应变中恰有两个为正两个为负，将这四个应变片接入全桥电路中则可测得一个电压信号；当其受到沿Z负方向的力时，由于圆弧效应，应变片11.2、11.3、11.5、11.8处应变为正，应变片11.1、11.4、11.6、11.7应变为负，此时应变片11.1、11.2、11.7、11.8可以组成一个全桥，应变片11.3、11.4、11.5、11.6可以组成一个全桥，且这两个全桥中均有两个正应变两个负应变，此时应变片11.9—11.12处应变可以忽略。因此，四个应变式力传感器上粘贴的48片应变片可以组成12个全桥，通过对四个应变式力传感器按照上文说明的位置进行布置可以实现对扰动源三个振动力和三个振动力矩的测量。）

图4为全桥电路示意图，接入全桥电路的四个应变片11的电阻均为R，接入全桥电路的输入电压为U，全桥电路的输出电压为ΔU；其中U由动态应变仪3提供，ΔU是由于应变片变形产生，并接入动态应变仪3；本发明中共有48片应变片11，可以组成12个全桥电路；当扰动源产生振动时，由于4个应变式力传感器5发生变形而导致粘贴在其上的应变片11发生变形，从而12个全桥电路均产生输出电压ΔU；动态应变仪3采集到12个ΔU并通过信号线传输到数据采集和处理***。

将超低频高精度微小振动测量***安装在地基上，将微小扰动源试件安装在负载盘7的中心上，检查四个应变式力传感器5上粘贴的应变片11的信号是否正常，之后运行微小扰动源，使其产生振动，从而使四个应变式力传感器5上粘贴的应变片11和动态应变仪3组成的全桥产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理***6转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础可以准确分析出微小扰动源的振动特性。由于通过数据采集和处理***4得到的是应变式力传感器5上粘贴的应变片与动态应变仪3组成的全桥的电压信号，要将电压信号转换为力信号，还需要对测力装置2进行标定，得到相应的转换矩阵，将其与电压信号相乘后可以得到有效载荷的力信号。标定过程可以在专门的标定机构完成。

总之，本发明测量***可以精确测量微小扰动源的振动力，测量的频率范围可以精确到0Hz，并且测量的可靠性高。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超低频高精度微振动测量***，其特征在于包括：底座(1)、测力装置(2)、动态应变仪(3)以及数据采集和处理***(4)；测力装置(2)由四个应变式力传感器(5)、四个转接块(6)、负载盘(7)和48片应变片(11)组成；四个转接块(6)分别位于底座(1)的四个侧表面上，每个转接块(6)均通过三个螺栓拧紧于底座(1)的侧表面上；四个应变式力传感器(5)位于四个转接块(6)的上表面和负载盘(7)下表面之间，每个应变式力传感器(5)分别通过四个螺栓拧紧于转接块(6)的上表面和负载盘(7)的下表面，负载盘(7)的形状为内圆外方形；四个应变式力传感器(5)均有形状相同的三部分组成，其中两部分位于水平方向上，另一部分位于竖直方向上，且每一部分均在内圆的圆弧对应的平面位置处贴有4片应变片(11)，每部分的四片应变片(11)和动态应变仪(3)组成一个全桥，这样构成两个水平方向上的全桥(8、9)和竖直方向上的全桥(10)，两个水平方向上的全桥(8、9)保证能测量沿Z轴的振动力和绕X、Y轴的振动力矩，竖直方向上的全桥(10)保证能测量沿X、Y轴的振动力和绕Z轴的振动力矩；四个应变式力传感器(5)上的应变片(11)通过信号传输线与动态应变仪(3)相连；动态应变仪(3)输出通过信号传输线与数据采集和处理***(4)相连；当微小扰动源产生振动时，四个应变式力传感器(5)上的应变片(11)与动态应变仪(3)组成的全桥产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理***(4)转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础准确分析出微小扰动源的振动特性。

2.根据权利要求1所述的超低频高精度微振动测量***，其特征在于：所述四个转接块(6)为不锈钢块，且对称地分布在底座(1)的四个侧表面上。

3.根据权利要求1所述的超低频高精度微振动测量***，其特征在于：所述四个应变式力传感器(5)为铝制元件。

4.根据权利要求1所述的超低频高精度微振动测量***，其特征在于：所述四个应变式力传感器(5)分别位于四个转接块(6)的上表面上，且对称地分布在负载盘(7)下表面上，并位于负载盘(7)的边缘。

5.根据权利要求1所述的超低频高精度微振动测量***，其特征在于：所述底座(1)的上部四个侧面分别与四个转接块(6)连接；下部通过20个螺栓与地基连接。

6.根据权利要求1所述的超低频高精度微振动测量***，其特征在于：所述需要通过螺栓连接处连接部分的螺栓必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高该测量***的刚度，保证其测量精度。

7.根据权利要求1所述的超低频高精度微振动测量***，其特征在于：所述测量***内部是空的，将扰动源安装在测量***内部或测量***外部。