CN108709632B - 一种牵索连接柔性结构的振动检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种牵索连接柔性结构的振动检测装置及方法，包括柔性结构部分、检测部分及振动激励部分；所述柔性结构部分包括柔性结构、柔性固定架、刚性板及柔性牵索，所述柔性结构由N行M列刚性板连接构成，所述检测部分包括导轨、高速相机、云台及滑块，所述振动激励部分包括计算机、功率放大器、信号发生器及激振器，本发明能够对测量本体进行非接触式测量，不会给***带来附加效应，使得***的鲁棒性强，得到牵索连接柔性机构的较为精确的振动信息。
Description
技术领域
本发明涉及柔性结构振动测量领域，具体涉及一种牵索连接柔性结构的振动检测装置及方法。
背景技术
太阳电池翼是由串、并联方式组合的太阳电池片组及其支承结构组成的发电装置，它与空间站舱体结构相连，发射时收拢并固定在舱体结构侧壁上，入轨后根据飞行程序按指令解锁释放、展开和跟踪太阳。根据国外空间站太阳电池翼的研制和应用情况，完整的空间站太阳电池翼通常需要包括太阳电池阵机构结构、太阳电池及电路和太阳电池翼伸展机构等几个部分。
非接触式测量对比传统的传感器接触式测量有很多优点。非接触式测量不会影响被测对象的动态性能，不会因为对被测物体附加质量而影响它的正常工作，对被测对象无损而且抗干扰能力强。但是，非接触式测量的精度普遍比接触式测量要低。非接触式测量是一种简单而有效的测振方法，常见的有激光测振仪、激光传感器、双目视觉***等方法，其中，由两个高速相机组成的双目视觉***测振方法随着图像处理和分析技术的发展成熟，越来越成为一种简单便捷的具有很高使用价值的测振方法。高速相机测量振动是一种多点测量方法，相比于一些的单点测量的方法，高速相机测量振动在测量多个点的模态变化的时候具有很大的优势，只要高速相机的分辨率和拍摄频率足够高，拍摄的范围足够大，只需要在被测范围里面作上若干个标记点，它可以在一个范围里面精确测量多个点的振动，获取多个点的模态信息，最后，双目视觉***可以对被测物体的振动的多阶模态进行解耦，可以将复杂的多阶模态简化为多个一阶模态的叠加，将振动的信息更加直观的表现出来。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种牵索连接柔性结构的振动检测装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种牵索连接柔性结构的振动检测装置，包括柔性结构部分、检测部分及振动激励部分；
所述柔性结构部分包括柔性结构、柔性固定架、刚性板及柔性牵索，所述柔性结构由N行M列刚性板构成，相邻刚性板通过柔性牵索连接，所述柔性结构通过柔性牵索固定在柔性固定架上；
所述检测部分包括导轨、高速相机、云台及滑块，所述高速相机为两台，柔性结构在两台高速相机的视场范围内，高速相机通过云台固定在滑块上，滑块在导轨上移动；
所述振动激励部分包括计算机、功率放大器、信号发生器及激振器，所述计算机与高速相机连接，所述信号发生器、功率放大器及激振器依次连接。
所述高速相机的初始位置：镜头处于柔性结构的中心位置。
刚性板为300mm×300mm的正方形铝板。
所述柔性牵索为弹性尼龙绳，长度为50mm。
柔性牵索固定在刚性板每个边的左右两个四等分点上。
所述激振器为两个，分别位于柔性结构的两侧上端，均通过螺钉安装在支架上，所述支架固定在实验台上。
一种牵索连接柔性结构的振动检测装置的方法，包括如下步骤：
第一步，信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送激振器，激振器通过顶杆激励柔性结构产生不同频率的振动；
第二步在振动过程中，两个高速相机构成的双目视觉***对刚性板上振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，发送到计算机中；
第三步计算机提取拍摄图像光斑特征得到标志点的坐标，得到柔性结构的振动信息。
所述标志点设置在正方形铝板的几何中心位置。
本发明的有益效果：
(1)采用双目视觉***进行测量，避免了一些传统的接触式测量方法的弊端，例如会引起附加效应，且对噪声敏感，测量的精度不高，采用两个高速相机组成的双目视觉***对卫星天线进行非接触式测量，其鲁棒性较强、能在多种复杂环境下进行并且测量精度高。
(2)采用高速相机能对振动本体的多个点全场进行振动监测；卫星天线本体的体积较大并且高阶模态振型复杂，利用单点测量仪器无法经济、有效地对其进行精准测量，而利用高速相机组成的双目视觉***能对喷涂在本体上的所有标志点进行振动监测，很好地解决了上述问题。
(3)测量***由高速相机组成，高速相机的最高拍摄频率足够大，可以对卫星天线的多阶模态进行测量；两个激振器组成的激励***可以激励起卫星天线的多阶模态的振动，而振动是多阶模态耦合的，通过改变标志点的数量和标在卫星天线表面的分布位置，本测量***可以实现对低频的前几阶振动模态的解耦。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的正视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图2所示，一种牵索连接柔性结构的振动检测装置，包括柔性结构部分、检测部分及振动激励部分。
所述柔性结构部分包括柔性结构、柔性固定架、刚性板及柔性牵索，所述柔性结构由N行M列的刚性板9连接构成，N、M为整数，本实施例由三行八列二十四块相同大小的刚性板通过柔性牵索10与柔性固定架8连接固定，具体的方式为每块刚性板上下左右每条边上各两条柔性牵索，两条柔性牵索位于每个边的左右两个四等分点上。相邻刚性板通过柔性牵索连接，柔性固定架通过柔性牵索与相邻刚性板的固定。每一行各条柔性牵索之间的距离为150mm，为刚性板宽度的一半，各连接牵索保持轴线一致，以保证各行列刚性板的平行度以及与实验台的垂直度。
所述柔性结构通过竖直方杆7与实验台6固定连接，该连接保证主要检测区域与实验台垂直，所述实验台由铝型材和角件构成，并通过螺钉安装在实验台。
本实施例中，实验台由三种长度分别为3200mm、1000mm、500mm的铝型材组装而成，台面为一块3320mm×1120mm×8mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。牵索连接柔性结构的最大尺寸为2950mm×1200mm，刚性板使用铝作为材料，柔性牵索使用尼龙绳，柔性固定架使用具有一定弹性的塑料材料，安装时张紧柔性牵索使每行的刚性板保持在同一高度，同一平面内。
检测部分，包括导轨2、高速相机3、云台4和滑块5，高速相机有两台，构成双目视觉***，高速相机通过云台与滑块相连接固定，导轨2固定在相机架子1上，滑块5可以在导轨2上自由滑动。通过调整相机架子与实验台之间的距离等位置关系，以及相机间的相互位置关系来适应不同形状大小的待检测物。所述的双目视觉***的高速相机3的镜头应正对柔性结构的刚性板9平面，相机架子的距离和高度应使双目视觉***的镜头处于柔性结构的中心位置，使双目视觉***拍摄到牵索连接柔性结构的全部。
高速相机位置应使柔性结构静止时检测端面大致位于相机视场的中间位置，以保证柔性结构振动时，柔性结构本体始终处于相机的视场范围内，保证了测量的连续性，相机光轴线与柔性结构的测量面垂直，使得相机能够正面拍摄其表面。
双目视觉测量***按照放置形式划分为两种：一种是两个相机绝对平行放置的理想测量模型；一种是两个相机光轴不平行放置的测量模型。在实际应用中，绝对意义上的平行是不存在的，所以在双目视觉测量的应用中，用的是不平行放置模型。目前工业级别计算机视觉测量的标定方法多用的是张正友平面标定法，标定时只需要一个简单精确的的标定模板，且标定精度较高。
本实施例中高速相机选用武汉中创联达科技有限公司的型号为Memrecam HX-3E的高速相机，拥有500万像素，并在该满分辨率下帧速达2000帧/秒，全高清像素下帧速达4670帧/秒，100万像素下达9220帧/秒，内存为64GB，工作温度范围为0-40摄氏度，重量约为5.9千克，需要的电源为100-240V AC-1.5A,50-60Hz。
所述振动激励部分包括计算机、功率放大器、信号发生器及激振器，所述计算机13与高速相机连接，所述信号发生器15、功率放大器14及激振器依次连接。
所述两个激振器11通过螺钉安装在支架12上，使激振器的激振位置位于柔性结构的上端，通过顶杆与柔性固定架相连接，顶杆的激振方向为水平方向。由信号发生器发出不同振动相应的信号，经功率放大器放大后，传递到激振器，通过顶杆激励柔性固定架，使柔性结构产生振动，通过改变振动的正弦信号的相位差使柔性结构产生不同形式的模式振动。
通过向两个激振器发出不同的激振信号，使激振器的振动的正弦信号相位不同，使柔性结构本体产生不同的模态振动，如当激振器接收到弯曲模态频率相同的正弦信号激励，激振器按相位相同激励，则激励薄膜展开结构产生弯曲振动；当两个激振器接收到与扭转模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器按相同的信号且相位相反激励，则激励产生薄膜展开结构的扭转振动。
本发明中，信号发生器发出振动信号，经过功率放大器放大后发送给激振器，激振器通过顶杆激励牵索连接柔性结构产生不同频率的振动；两个高速相机构成的双目视觉***对刚性板进行同步高频拍摄，采集图像序列发送给计算机。计算机提取图像光斑得到标志点的坐标，处理得到柔性结构的振动信息，进行可视化处理，标志点分别设置在正方形铝板的几何中心位置，每个正方形铝板中心设置一个标志点。
图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种牵索连接柔性结构的振动检测装置，其特征在于，包括柔性结构部分、检测部分及振动激励部分；
所述柔性结构部分包括柔性结构、柔性固定架、刚性板及柔性牵索，所述柔性结构由N行M列刚性板构成，相邻刚性板通过柔性牵索连接，所述柔性结构通过柔性牵索固定在柔性固定架上；
所述检测部分包括导轨、高速相机、云台及滑块，所述高速相机为两台，柔性结构在两台高速相机的视场范围内，高速相机通过云台固定在滑块上，滑块在导轨上移动；
所述振动激励部分包括计算机、功率放大器、信号发生器及激振器，所述计算机与高速相机连接，所述信号发生器、功率放大器及激振器依次连接；
每块刚性板上下左右每条边上各两条柔性牵索，两条柔性牵索位于每个边的左右两个四等分点上；柔性牵索使用尼龙绳，安装时张紧柔性牵索使每行的刚性板保持在同一高度，同一平面内。
2.根据权利要求1所述的振动检测装置，其特征在于，所述高速相机的初始位置：镜头处于柔性结构的中心位置。
3.根据权利要求1所述的振动检测装置，其特征在于，刚性板为300mm×300mm的正方形铝板。
4.根据权利要求1所述的振动检测装置，其特征在于，所述柔性牵索为弹性尼龙绳，长度为50mm。
5.根据权利要求1所述的振动检测装置，其特征在于，所述激振器为两个，分别位于柔性结构的两侧上端，均通过螺钉安装在支架上，所述支架固定在实验台上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种牵索连接柔性结构的振动检测装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送激振器，激振器通过顶杆激励柔性结构产生不同频率的振动；
第二步在振动过程中，两个高速相机构成的双目视觉***对刚性板上振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，发送到计算机中；
第三步计算机提取拍摄图像光斑特征得到标志点的坐标，得到柔性结构的振动信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述刚性板为300mm×300mm的正方形铝板，所述标志点设置在正方形铝板的几何中心位置。
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