CN103528668B - 一种制冷机微振动物理仿真测试处理***及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种制冷机微振动物理仿真测试处理***及其测试方法，压缩机、压缩机支架、Z字形转接板、六边形转接板、六分量八传感器扰振力测试台、分布的加速度传感器、激光位移测量***和数据采集和处理***组成。制冷机装置通过转接板安装在六分量八传感器测试台上，同时根据测试要求在制冷机上布置加速度传感器。制冷机工作时会对六分量八传感器扰振力测试台产生微小扰动。数据采集***采集六分量八传感器扰振力测试台八个传感器信号并通过一系列的计算以得到扰振力，同时还采集加速度传感器的信号以得到加速度。

Description

一种制冷机微振动物理仿真测试处理***及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种制冷机微振动测试方法，可用于对航天器制冷机装置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

制冷机是卫星上的主要器件，用于调节卫星内部温度变化。由于制冷机中的压缩机的制造缺陷以及电机噪声等原因，制冷机对星体产生周期性和宽带微小扰振力，这些扰振力经过它们内部动态特性的调制和放大，会对遥感卫星（GF-4）的光路指向精度和稳定度产生较大影响。考虑到制冷机安装在成像装置附近，这种影响就显得尤为重要。

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。

目前，国内外尚未见有关此类微小振动测量***的文献报导。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种制冷机微振动测试方法，测量并分析航天器制冷机装置在空间六个自由度上的动态特性，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。

本发明的技术方案是：一种制冷机微振动物理仿真测试处理***，包括制冷机***、Z字形转接板、六边形转接板、六分量八传感器扰振力测试台、数据采集和处理***；所述的制冷机***包括压缩机、压缩机支架、红外探头支架、红外探头；六边形转接板固定连接在六分量八传感器扰振力测试台上；Z字形转接板固定连接在六边形转接板上；压缩机通过压缩机支架固定连接在Z字形转接板的一端，红外探头支架通过红外探头固定连接在Z字形转接板的另一端；数据采集和处理***与六分量八传感器扰振力测试台相连，通过六分量八传感器扰振力测试台测量并得到制冷机***的微振动数据，并将数据传输到数据采集和处理***进行分析处理得到制冷机***的扰振力。

还包括加速度传感器，用于测量制冷机***扰振时的加速度。

还包括激光非接触测试***；激光非接触测试***发射激光到制冷机***上，并将反射回来的反馈信号送至数据采集和处理***进行处理，得到红外探头的扰振位移；所述的激光非接触测试***由德国Polytec公司生产，型号为：D-76337。

一种制冷机微振动物理仿真测试处理***测试方法，步骤如下：

1）将标定盘安装在六分量八传感器扰振力测试台上，用螺栓将其拧紧；标定盘是一个正方形铝盘，所述标定盘四个侧面上各自均布有3个敲击点，上表面上布有4个敲击点，下表面与六分量八传感器扰振力测试台连接；

2）用力锤依次敲击标定盘上的16个敲击点，并采集力锤的时域信号、敲击每个点时六分量八传感器扰振力测试台的输出电压信号，得到频响函数；

3）通过步骤2）得到的频响函数获得标定矩阵；

4）拆下标定盘；

5）将制冷机***通过Z字形转接板和六边形转接板安装在六分量八传感器扰振力测试台上，并用螺栓拧紧；

6）制冷机***通电开始工作；

7）六分量八传感器扰振力测试台对制冷机***进行测试，并通过数据采集和处理***采集制冷机工作时的电压时域信号；

8）将步骤7）得到的电压时域信号进行傅里叶变换得到电压的频域信号；

9）将步骤8）得到的电压频域信号与标定矩阵相乘得到制冷机扰动力的频域信号；

10）将步骤9）得到的制冷机扰动力的频域信号进行反傅里叶变换可以得到扰动力的时域信号，即完成对微振动信号的处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明通过八个普通压电传感器的合理布置，从而使得六个自由度的微扰动信号可以利用现有的单向压电力传感器来测量，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。同时，本发明所采用高精度加速度传感器可以提高加速度测试精度。

（2）本发明测量装置和被测量试件分离，不需要在被测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。

（3）本发明通过合理调节螺栓的预紧力，实现了信号的放大并可以进行具有较大质量扰动源的实际运行条件下的精确测量，提高了测量的可靠性。

（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为测试***示意图；

图2为本发明标定点位置示意图；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本***制冷机微振动物理仿真处理***，包括制冷机***、Z字形转接板3、六边形转接板4、六分量八传感器扰振力测试台5、数据采集和处理***9、激光非接触测试***10；所述的制冷机***包括压缩机1、压缩机支架2、红外探头支架6、红外探头7、加速度传感器8、数据采集和处理***9；六边形转接板4固定连接在六分量八传感器扰振力测试台5上；Z字形转接板3固定连接在六边形转接板4上；压缩机1通过压缩机支架2固定连接在Z字形转接板3的一端，红外探头支架6通过红外探头7固定连接在Z字形转接板3的另一端；加速度传感器8固定连接在Z字形转接板3；数据采集和处理***9通过导线与加速度传感器8和六分量八传感器扰振力测试台5相连，六分量八传感器扰振力测试台5测量并得到制冷机微振动数据传输到数据采集和处理***9分析处理，最终得到制冷机***的扰振力。

多个加速度传感器8可以根据需要布置测试关注点的微振动情况，各加速度传感器8通过导线与数据采集和处理***9连接。

工作过程中，激光非接触测试***10控制信号发生器的信号输出，并控制激光测振摄像头对试件进行测试，激光测振摄像头通过激光束对试件的振动信号进行测试，并把所接收到的模拟信号传给激光测振仪，激光测振仪接收激光测振摄像头传来的模拟信号，并将其转化成数字信号，数字信号通过数据线传输给计算机，从而实现红外探头的非接触测量，测得的数字信号处理后由数据采集和处理***9采集数字信号，得到红外探头的扰振位移。

如图3所示，本发明提供了制冷机微振动信号处理方法，步骤如下：

1）将标定盘安装在六分量八传感器扰振力测试台5上，用螺栓将其拧紧；标定盘是一个正方形铝盘，如图2所示，标定盘四个侧面上各自均布有3个敲击点，上表面上布有4个敲击点，下表面与六分量八传感器扰振力测试台5连接；六分量八传感器扰振力测试台5是由八个单向压电传感器组成，其中四个压电传感器沿水平方向布置，保证能够测试沿水平方向的两个扰动力和绕垂直方向的扰动力矩；另外四个压电传感器沿垂直方向布置，保证能够测试沿垂直方向的扰动力和绕水平方向的两个扰动力矩。

2）用力锤依次敲击标定盘上的16个敲击点，并采集力锤的时域信号、敲击每个点时六分量八传感器扰振力测试台5的输出电压信号，得到频响函数；

3）通过步骤2）得到的频响函数计算标定矩阵；

4）拆下标定盘；

5）将制冷机***安装在六分量八传感器扰振力测试台5上，用螺栓拧紧；

6）制冷机***通电开始工作；

7）六分量八传感器扰振力测试台5对制冷机***进行测试，并通过数据采集和处理***9采集制冷机工作时的电压时域信号；

8）将步骤7）得到的电压时域信号进行傅里叶变换得到电压的频域信号；

9）将步骤8）得到的电压频域信号与标定矩阵相乘得到制冷机扰动力的频域信号；

10）将步骤9）得到的制冷机扰动力的频域信号进行反傅里叶变换可以得到扰动力的时域信号，即完成对微振动信号的处理。

首先应该求得相应的标定矩阵W(ω)，整体标定矩阵实际上是八个压电力传感器的响应信号与作用在等效中心点的载荷之间的频响函数矩阵。在本方法中，等效中心为八分量传感器装置的负载盘上表面的中心点，在此中心点直接施加三个平动力和三个力矩有困难，本文在假设负载盘为刚体的基础上，安装一个刚度很高的标定台，并选择如图所示的16个加载点。根据空间力系平衡理论可知，利用选择的16个加载点能等效出作用在负载盘几何中心的三个平动力和三个力矩；图2中O点为负载盘上表面的中心点，表1列出了图中各参数的值。

表1 标定点位置参数

Lx/m	Ly/m	Lz/m
			0.042	0.042	0.04

试验中通过16个标定力F₁～F₁₆得到***的标定矩阵W(ω)，试验中的表示实际加载的载荷矩阵与等效载荷矩阵之间的转换矩阵即式（5）中的矩阵C的表达式为：

C₁=[0 1 0 -Lz 0 -Lx]^T

C₂=[0 1 0 -Lz 0 0]^T

C₃=[0 1 0 -Lz 0 Lx]^T

C₄=[-1 0 0 0 -Lz -Ly]^T

C₅=[-1 0 0 0 -Lz 0]^T

C₆=[-1 0 0 0 -Lz Ly]^T

C₇=[0 -1 0 Lz 0 -Lx]^T

C₈=[0 -1 0 Lz 0 0]^T

C₉=[0 -1 0 Lz 0 Lx]^T

C₁₀=[1 0 0 0 Lz -Ly]^T

C₁₁=[1 0 0 0 Lz 0]^T

C₁₂=[1 0 0 0 Lz Ly]^T

C₁₃=[0 0 -1 Ly -Lx 0]^T

C₁₄=[0 0 -1 Ly Lx 0]^T

C₁₅=[0 0 -1 -Ly Lx 0]^T

C₁₆=[0 0 -1 -Ly -Lx 0]^T

上式中的C_i表示第i次加载的载荷与中心等效载荷之间的转换矩阵。

其次，根据模态分析理论，对于N自由度线性***有：

X(ω)=H(ω)F(ω)    (1)

上式中，X(ω)为响应谱向量（电压信号），维数为N×1；H(ω)为频响函数矩阵，维数为N×N；F(ω)为载荷谱向量，维数为N×1。

一般情况下，真实***特别是连续结构，其自由度数N很大，不可能测得所有自由度上的响应来求解结构受到的载荷。通常情况下，由于待确定的载荷数P不会很大，所以希望用尽量少的响应数据来确定待识别的载荷，也就是通过结构的部分响应来识别载荷。假设待定的载荷数为P，响应的测点数为L，两者均小于***的总自由度数N，因此：

X(ω)_L×1=H(ω)_L×PF(ω)_P×1    (2)

由上式可知只要确定频响函数矩阵以及响应向量的频谱，就可以求解载谱，进而用傅立叶逆变换得到载荷的时域信号，即模态分析理论中的载荷识别频响函数矩阵求逆法。若式(2)中待定的载荷数P与响应的测点数L相等即L=P，则频响函数矩阵H(ω)为方阵，此时载荷谱向量F(ω)可由下式求得：

F(ω)=H^-1(ω)X(ω)    (3)

若待定的载荷数P与响应的测点数L不相等，通常是L≥P，则频响函数矩阵H(ω)就不再是方阵，必须对频响函数求广义逆，这样，载荷识别的公式为：

F(ω)=[H^H(ω)H(ω)]^-1H^H(ω)X(ω)    (4)

式中，上标H表示矩阵的共轭转置。通常动响应X(ω)比较容易得到，而频响函数矩阵H(ω)的确定则不是容易的，因为H(ω)矩阵中各元素反映的是各个离散的激励点和响应点之间的关系，响应点对于各个不同的激励点及激励点对于各个不同的响应点之间的频响函数是互不相同的，也就是说，上式中的H(ω)和F(ω)是紧密联系在一起的，如果不知道载荷向量F(ω)中各分量F_j(ω)的作用位置，也就无法确定H(ω)中的各元素。因此，频响函数矩阵求逆法只能用于识别已知作用位置的动态载荷，对于作用位置未知或随时间变化的情况则不能用这种方法识别。

对于制冷机，其扰动力作用点不能够准确确定。这时在应用前面所述的频响函数矩阵求逆法时会遇到两个问题：1)如何定义扰动力作用点；2)由于对于定义的扰动力作用点往往无法直接施加载荷，如何对该作用点进行传递矩阵标定。

针对上述两个问题，本发明的解决方法为：

1）加工一个相对刚硬的扰动源安装盘，安装盘本身固有频率大于检测频率3倍以上，这时可认为安装盘相对***其它部分为刚体；

2）将所有扰动力等效为作用点在安装盘中的六个外力载荷，即三个平动力、两个弯矩和一个扭矩；

3）设安装盘上的标定力激励点与其中心点O之间为刚性连接，直接对该盘的不同作用点和不同方向施加标定力进行标定。

根据上述描述，首先将标定载荷转换到安装盘形心，即：

$F_{6\×n}\left(\mathrm{\ω}\right)=C_{6\×n}{F}_{n\×n}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(5\right)$

上式中，矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；F表示等效到形心的载荷，维数为6×n；F′表示实际加载的载荷，是一个对角阵，矩阵中的等于第ii次加载的载荷值；C表示实际加载的载荷矩阵与等效载荷矩阵之间的转换矩阵，维数为6×n。

等效载荷与力传感器信号之间的关系为：

W_6×8(ω)T_8×n(ω)=F_6×n(ω)    (6)

其中矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；W为***频响函数矩阵的逆；T为八个力传感器的响应信号，维数为8×n；F即为式(3.2.5)中得到的等效载荷。由式(6)中可知，当响应矩阵T存在逆时，有：

W_6×8(ω)=F_6×n(ω)T^-1 _n×8(ω)    (7)

考虑到响应信号的通道只有8个，为了提高测试精度，加载点的数目应大于响应通道数，即n>8，这时响应矩阵T不再是一个方阵，而是一个行满秩的矩阵，应用广义逆理论，有：

W_6×8(ω)=F_6×n(ω)T^H(ω)[T(ω)T^H(ω)]^-1    (8)

将(5)式代入(8)，有：

$W_{6\×8}\left(\mathrm{\ω}\right)=C_{6\×n}{F}_{n\×n}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)T^T\left(\mathrm{\ω}\right){\left[T\left(\mathrm{\ω}\right)T^T\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}^{-1}---\left(9\right)$

试验中将式(9)求得的矩阵W(ω)和试验测得的T(ω)分别表示式(4)中的频响函数矩阵H(ω)的广义逆和响应X(ω)，就可以确定***的等效外载荷，实现中心等效标定即将传感器得到的电压信号转换为实际需要的力信号，即

F_6×1(ω)=W_6×8(ω)T_8×1(ω)    (10)

测量误差检验，采用力锤瞬态检验方法。

测量误差的检验方法为脉冲载荷检验，利用F1,F5,F13的实测载荷与通过响应和标定矩阵反求出的载荷进行比较，验证标定矩阵的精确性。（已备测量动量轮时使用）

各锤击点对中心标定点的实测等效载荷分量包含0项和非0项，分别用表示，对应反算值用表示，i=1～6，分别对应Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz。锤击力0分量和非0分量的误差分别用表示，误差计算公式为：

$e_i^0=\widetilde{F_i^0}/F_j^1,e_i^1=|\widetilde{F_i^1}-F_i^1|/F_i^1---\left(11\right)$

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。

Claims (1)

1.一种制冷机微振动物理仿真测试处理***测试方法，***包括制冷机***、Z字形转接板(3)、六边形转接板(4)、六分量八传感器扰振力测试台(5)、数据采集和处理***(9)；所述的制冷机***包括压缩机(1)、压缩机支架(2)、红外探头支架(6)、红外探头(7)；六边形转接板(4)固定连接在六分量八传感器扰振力测试台(5)上；Z字形转接板(3)固定连接在六边形转接板(4)上；压缩机(1)通过压缩机支架(2)固定连接在Z字形转接板(3)的一端，红外探头(7)通过红外探头支架(6)固定连接在Z字形转接板(3)的另一端；所述的数据采集和处理***(9)包括数据采集模块和计算机；六分量八传感器扰振力测试台(5)测量得到制冷机***的微振动数据，并将数据传输到数据采集和处理***(9)进行分析处理，得到制冷机***的扰振力；还包括加速度传感器(8)，用于测量制冷机***扰振时的加速度；还包括激光非接触测试***(10)；激光非接触测试***(10)发射激光到制冷机***上，并将反射回来的反馈信号送至数据采集和处理***(9)进行处理，得到红外探头(7)的扰振位移；所述的激光非接触测试***(10)由德国Polytec公司生产，型号为：D-76337；其特征在于测试步骤如下：

1)将标定盘安装在六分量八传感器扰振力测试台(5)上，用螺栓将其拧紧；标定盘是一个正方形铝盘，所述标定盘四个侧面上各自均布有3个敲击点，上表面上布有4个敲击点，下表面与六分量八传感器扰振力测试台(5)连接；

2)用力锤依次敲击标定盘上的16个敲击点，并采集力锤的时域信号、敲击每个点时六分量八传感器扰振力测试台(5)的输出电压信号，得到频响函数；

3)通过步骤2)得到的频响函数获得标定矩阵；

4)拆下标定盘；

5)将制冷机***通过Z字形转接板(3)和六边形转接板(4)安装在六分量八传感器扰振力测试台(5)上，并用螺栓拧紧；

6)制冷机***通电开始工作；

7)六分量八传感器扰振力测试台(5)对制冷机***进行测试，并通过数据采集和处理***(9)采集制冷机工作时的电压时域信号；

8)将步骤7)得到的电压时域信号进行傅里叶变换得到电压的频域信号；

9)将步骤8)得到的电压频域信号与标定矩阵相乘得到制冷机扰动力的频域信号；

10)将步骤9)得到的制冷机扰动力的频域信号进行反傅里叶变换可以得到扰动力的时域信号，即完成对微振动信号的处理。