CN110095242A - 一种伞状天线的反射表面振动检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伞状天线的反射表面振动检测装置及方法，包括天线主体部分、振动检测部分及驱动激励部分；所述天线主体部分包括刚性卫星天线及柔性卫星天线，刚性卫星天线及柔性卫星天线对称设置在实验台的两侧；激振器直接连接天线的反射表面激励振动，采用激光投影的非接触式视觉检测方式识别柔性板表面的投影点，采集投影点的振动信息。柔性板的背面辅以激光位移传感器同步检测，最后得到两路检测方式的复合振动信息。对比两个实验对象的振动信息，分析二者结构的振动区别。引用可视化技术在显示器显示两个实验对象的动态形态，实验结果更加直观。

Description

一种伞状天线的反射表面振动检测装置及方法

技术领域

本发明涉及空间柔性伸展结构的振动检测领域，具体涉及一种伞状天线的反射表面振动检测装置及方法。

背景技术

航天器的发展随着科技的进步变得多种多样，例如太阳帆、太阳能薄膜、通信卫星等；这些结构在基本上离不开柔性可展结构。柔性可展结构可以实现在太空中部署大口径天线，在地面上收拢成小尺寸搭载在火箭上。随之而来的问题是柔性可展结构质量轻，阻尼小，太空中易被激起振动，造成***的不稳定，尤其是对用于测量或者通信用途的航天器造成极大影响，导致测量精度降低或者通信不稳定的。一种典型的天线结构应用在通信卫星上也面临这种困境。工程测试卫星Ⅷ(ETS-Ⅷ)上安装了两个大型可展反射器(LDR),一个用于发射信号，另一个用于接收信号。这种大口径的天线反射表面在宇宙风、太阳热载荷等能量的作用下，容易发生长时间的低频振动，显然会影响到卫星与地面之间通信效果，并且损耗卫星的寿命，造成经济上损失。

激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器，它的组成包括激光器、激光检测器和测量电路，主要特点是能够非接触地精确测量被测物的位移、厚度、直径、距离、振动等物理量。激光位移传感器测量原理包括三角测量和回波分析两种，具有良好的直线度特性且精度较高。

激振器是通过附加在机械结构上的方式，激励目标对象产生单向或者多向的振动的仪器。目前激振器的种类多样，主要包括电磁式、电动式、气动式和液压式等。因此，该仪器可以用于机械结构的振动检测试验或者传感器的校准等应用。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种伞状天线的反射表面振动检测装置及方法。

本发明考虑到柔性板的阻尼比小，天线的机械结构复杂，故采用非接触式检测方式降低检测装置对***结构的影响。

本发明采用如下技术方案：

一种伞状天线的反射表面振动检测装置，包括天线主体部分、振动检测部分及驱动激励部分；

所述天线主体部分包括刚性卫星天线及柔性卫星天线，刚性卫星天线及柔性卫星天线对称设置在实验台上；

所述振动检测部分包括刚性卫星天线振动检测部分及柔性卫星天线检测部分，两个振动检测部分结构相同，均包括投影仪、高速相机、激光位移传感器、计算机、激光位移传感器控制器及A/D采集卡；

所述投影仪向卫星天线的反射表面投射圆形光斑作为标志点，标志点在高速相机的视野范围内，所述高速相机采集包含标志点的振动图像输入计算机；

所述激光位移传感器检测卫星天线的背面振动信号，依次输入激光位移传感器控制器及A/D采集卡，最后输入计算机；

所述驱动激励部分包括信号发生器、功率放大器及激振器，所述信号发生器与功率放大器连接，所述功率放大器与激振器连接，驱动卫星天线的振动。

所述刚性卫星天线与柔性卫星天线均包括七个基本单元，其中一个基本单元位于实验台的横向中线上，其它六个基本单元环绕在其周围构成伞形，环绕在周围的六个基本单元与中心点所在平面之间的角度为10度。

所述刚性卫星天线的基本单元由刚性支撑桁架和柔性板构成；

柔性卫星天线的基本单元由柔性支撑桁架和柔性板构成。

本发明还包括滑动导轨及液压云台，所述高速相机安装在液压云台上，液压云台在滑动导轨上滑动。

本发明还包括同步触发器，所述高速相机为两个，所述同步触发器分别与两个高速相机连接。

本发明还包括显示器，所述显示器与计算机连接用于显示刚性卫星天线及柔性卫星天线的振动。

一种伞状天线的反射表面振动检测装置的方法，包括如下步骤：

第一步信号发生器提供预先设定的频率和振幅的正弦波信号，在功率放大器的作用下将电压放大，进而驱动激振器控制通信卫星天线的反射表面振动；

第二步投影仪激光投射均匀的圆形光斑在柔性板表面作为标志点，启动两个相机同时开始采集柔性板的振动图像，通过USB接口输入计算机，根据标志点的振动位移得到反射表面曲率信息，在显示器上显示两个天线的振动信息；

第三步激光位移传感器将检测到的柔性板的振动信息，经过A/D采集卡处理后，输入计算机，并与视觉检测得到的振动信息组成复合的振动信息进分析。

本发明的有益效果：

(1)本装置采用非接触式视觉检测手段，应用投影仪投影标志点的方式。相比粘贴标志点的方式，不增加原有***重量，不改变其力学性能，不会破坏***结构，***原固有频率不改变，这种手段的测量结果更加准确。

(2)本装置的标志点由投影仪通过激光诱导荧光靶生成然后投射到反射薄膜上的漫射光斑，考虑到反射薄膜的厚度以及反射薄膜本身对光的反射，相对于反射光斑，漫射光斑不会使测量分析复杂化，图像对比度更加均匀。

(3)本发明研究的是天线反射表面的振动信息，采用激光位移传感器解决了柔性板难以安装传感器的难题，具有抗干扰能力强，动态响应快的优点。

(4)本发明运用了可视化技术，根据反射表面的投影点的振动信息，通过高速相机立体标定，识别匹配反射表面的特征，在显示器中可观察到其振动的动态形态。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明的工作过程图。

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4所示，一种伞状天线的反射表面振动检测装置，其装置部分包括天线主体部分、振动检测部分及驱动激励部分。

所述天线主体部分包括刚性卫星天线及柔性卫星天线，刚性卫星天线及柔性卫星天线对称设置在实验台的两侧；

所述刚性卫星天线由七个基本单元构成，七个基本单元结构相同，均包括刚性支撑桁架9和第一柔性板，一个基本单元位于中间位置，其他六个基本单元环绕在中间位置的基本单元周围，每个基本单元的柔性板所在平面之间的角度为10度，故整体的天线结构是下凹的，构成伞状，由七个基本单元拼装而成的整体天线结构通过直角支撑架固定在实验台10上。

所述柔性卫星天线由七个基本单元构成，每个基本单元由柔性铰链支撑架16和第二柔性板17构成，其他与刚性卫星天线结构相同。

两组实验对象沿着实验台的中性面分置在实验台面的左右两侧，左侧是刚性天线，右侧是柔性桁架天线；

所述柔性结构具体为铰链机构，六组铰链机构沿中心柱辐射分布；一组铰链机构包含7杆9副；刚性结构具体为桁架结构，沿中心辐射延展六个方向的桁架，该桁架采用刚性连接。

所述振动检测部分包括刚性卫星天线振动检测部分及柔性卫星天线检测部分，两个振动检测部分结构相同，均包括投影仪、高速相机、激光位移传感器、计算机25、激光位移传感器控制器及A/D采集卡；

所述刚性卫星天线振动检测部分中：包括第一高速相机1、第一投影仪2、第一滑动导轨3、第一液压云台4、第一相机固定板5、第一激光位移传感器12及第一相机安装架6、同步触发器24。

所述第一投影仪固定在相机安装架上，在分光镜作用下，相柔性板投射一片圆形光斑即第一投影点8作为标志点，基本布满整个天线反射表面。

所述第一高速相机有两个，分别为左、右相机通过3/8英寸螺纹接口固定在第一液压云台上，所述第一液压云台通过底部螺纹孔安装在第一滑动导轨上，滑动导轨螺栓连接一块几何尺寸为1000mm×400mm的不锈钢板，固定在相机安装架上；通过液压云台上的俯仰阻尼旋钮和全景旋转旋钮调整高速相机的俯仰角度和水平角度，通过滑动导轨调整高速相机的水平位置，确保投影点均在视觉检测的视野范围内；两台高速相机根据空间立体标定***初始坐标，以一定的频率采集天线主体的振动图像，通过USB接口输入计算机保存并处理分析柔性板的模态频率，阻尼比的等***振动参数；应用可视化技术重构反射表面的图像输出在显示器上，重点反映天线反射表面上投影点的振动信息并反映反射表面的动态形态变化。

所述第一激光位移传感器12通过第一激光位移传感器垫板13固定在实验台上。

所述柔性卫星天线检测部分包括第二投影仪、第二高速相机22、第二投影仪、第二滑动导轨23、第二液压云台21、第二相机固定板20及第二相机安装架19。

所述第二相机安装架位于柔性卫星天线的一侧，第二高速相机通过第二液压云台安装在第二滑动导轨上，第二滑动导轨通过第二相机固定板安装在第二相机安装架上，投影仪安装在两个高速相机之间投射第二投射点18在柔性板上。

所述第二高速相机为两个，分别为左右相机，平行设置在第二滑动导轨上，采集包含投影点的柔性板图像，传输至计算机。

还包括显示器，所述计算机与显示器连接，用于显示反射表面的图像。

第二激光位移传感器14通过第二激光位移传感器垫板15固定在实验台上，激光位移传感器检测柔性板背面的振动信息，通过激光位移传感器控制器28，输入A/D采集卡27进一步输入计算机。

每一个被测对象选用四个激光位移传感器检测柔性板的背面振动信号，激光位移传感器通过连接垫板固定在台面上，设计高度保证激光位移传感器的测头与被测柔性板背面的距离为激光位移传感器的距离80mm。

驱动激励部分包括信号发生器30、功率放大器29及激振器11，所述信号发生器与功率放大器连接，所述功率放大器与激振器连接，驱动卫星天线的振动。

激振器通过顶杆和通信卫星天线的柔性板直接接触；按要求调节功率放大器,选择信号源频率,将信号源输出电压调到±5V(RMS)；激振器通过螺栓固定在实验台台面上，对天线的柔性板的反射表面产生激励。

本发明采用非接触式视觉检测方式，通过投影仪激光投影的方式分别在第一柔性板和第二柔性板表面投射一片圆形的漫射光斑作为标志点，对反射表面的结构不产生任何影响，并且可以降低反射表面的光线反射作用，提高图像的对比度。

每个实验对象采用四个激光位移传感器采集柔性板背面的振动信号，柔性板表面的振动信息通过一组双目高速相机检测；由这两种方式得到的振动信号同时比对，由此复合信息得到更加精确的反射表面的振动信息和形态变化特征。

如图5所示，本发明的工作过程：

第一步信号发生器提供一定频率和振幅的正弦波信号，在功率放大器的作用下将电压放大到一定程度的驱动电压，进而驱动激振器控制通信卫星天线的反射表面振动；

第二步接通投影仪的电源，投影仪激光投射均匀的圆形光斑在柔性板表面作为标志点，通过液压云台上的俯仰阻尼旋钮和全景旋转旋钮调整高速相机的俯仰角度和水平角度，通过滑动导轨调整高速相机的水平位置，确定左右两侧高速相机的视场范围，保证左右两侧高速相机组能够分别识别完整的各自的天线反射表面；同侧的双目高速相机立体标定，建立空间坐标系，坐标系变换，匹配相机视野内的标志点初始坐标；

第三步启动同步触发器，使左右相机组同时开始采集振动图像。高速相机以一定的频率采集天线主体的振动图像，通过USB接口输入计算机，根据标志点的振动位移得到反射表面曲率信息，计算机通过一定的算法重构两个结构的反射表面并应用可视化技术同时显示在显示屏上；

第四步接通激光位移传感器，将检测到的柔性板的振动信息，经过A/D采集卡处理后，输入计算机，并与视觉检测得到的振动信息组成复合的振动信息进分析。

实验台10由三种尺寸分别为200mm、1600mm、3200mm的铝制型材组装而成，台面板是一块1600mm×3200mm×8mm的不锈钢板，通过螺栓与型材联接，型材的每个联接处都有角铁固定。

相机安装架子由两种尺寸分别为1500mm，1200mm的铝制型材组装而成，通过螺栓与型材联接，型材的每个联接处都有角铁固定

高速相机10采用FASTCAM SA2型号的高速相机，由Photron公司生产制造；可拍摄全帧2048×2048像素下1080帧/秒，全HD(1920×1080像素)2000帧/秒；镜头采用尼康AF24mm f/2.8D镜头，焦距范围24mm,视角范围在35mm格式为84度，NikonDX格式为61度。接口方式为USB接口。

第一液压云台4和第二液压云台21采用富曼图公司型号为500系列MVH500A型号，材质为铝合金，可承重5kg；采用固定液压阻尼，在水平和俯仰轴上装配有液压舱，可以保证相机的移动平滑准确。底座带有一个3/8英寸螺纹接口的易用连接装置，可用来与滑动导轨连接。快装板带有1/4英寸和3/8英寸的接口连接高速相机。云台支持全景旋转，俯仰角为-70度至+90度。第一滑动导轨3和第二滑动导轨23采用该液压云台配套导轨，材料为金属，导轨长度为1m,固定底孔大小为3/8螺纹接口。

投影仪2选用松下公司的PT-BX431C投影仪，采用1.6倍变焦镜头，可调节柔性板1表面的投影点7的大小，分辨率为1024×768。

激振器11选用型号JZQ-20A,最大激振力为20kg，力常数为14/8,最大位移为5mm，频率范围10-2000Hz。通过激振器支座用地脚螺栓固定在地面上。

激光位移传感器14采用基恩士公司生产的型号为LK-081,参考距离为80±15mm；电源为24VDC±10％，激光位移传感器控制器采用配套的型号LK-2101。

信号发生器30选用型号为Angilent-33220A，制造单位为安捷伦仪器有限公司，可以提供-15-+15V的正弦波信号；功率放大器29选用型号为YE5872，从江苏联能电子技术有限公司购入，可以将信号放大至-120-+120V；计算机25选用I500-7255型号，制造单位为方正科技集团股份有限公司。显示器26采用信特安液晶显示屏，外观大小21.5英寸，最佳分辨率为1920×1080。

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)

1.一种伞状天线的反射表面振动检测装置，其特征在于，包括天线主体部分、振动检测部分及驱动激励部分；

所述天线主体部分包括刚性卫星天线及柔性卫星天线，刚性卫星天线及柔性卫星天线对称设置在实验台上；

所述振动检测部分包括刚性卫星天线振动检测部分及柔性卫星天线检测部分，两个振动检测部分结构相同，均包括投影仪、高速相机、激光位移传感器、计算机、激光位移传感器控制器及A/D采集卡；

所述投影仪向卫星天线的反射表面投射圆形光斑作为标志点，标志点在高速相机的视野范围内，所述高速相机采集包含标志点的振动图像输入计算机；

所述激光位移传感器检测卫星天线的背面振动信号，依次输入激光位移传感器控制器及A/D采集卡，最后输入计算机；

所述驱动激励部分包括信号发生器、功率放大器及激振器，所述信号发生器与功率放大器连接，所述功率放大器与激振器连接，驱动卫星天线的振动。

2.根据权利要求1所述的一种伞状天线的反射表面振动检测装置，其特征在于，所述刚性卫星天线与柔性卫星天线均包括七个基本单元，其中一个基本单元位于实验台的横向中线上，其它六个基本单元环绕在其周围构成伞形，环绕在周围的六个基本单元与中心点所在平面之间的角度为10度。

3.根据权利要求2所述的一种伞状天线的反射表面振动检测装置，其特征在于，刚性卫星天线的基本单元由刚性支撑桁架和柔性板构成；

柔性卫星天线的基本单元由柔性支撑桁架和柔性板构成。

4.根据权利要求1所述的一种伞状天线的反射表面振动检测装置，其特征在于，还包括滑动导轨及液压云台，所述高速相机安装在液压云台上，液压云台在滑动导轨上滑动。

5.根据权利要求1所述的一种伞状天线的反射表面振动检测装置，其特征在于，还包括同步触发器，所述高速相机为两个，所述同步触发器分别与两个高速相机连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种伞状天线的反射表面振动检测装置，其特征在于，还包括显示器，所述显示器与计算机连接用于显示刚性卫星天线及柔性卫星天线的振动。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种伞状天线的反射表面振动检测装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步信号发生器提供预先设定的频率和振幅的正弦波信号，在功率放大器的作用下将电压放大，进而驱动激振器控制通信卫星天线的反射表面振动；

第二步投影仪激光投射均匀的圆形光斑在柔性板表面作为标志点，启动两个相机同时开始采集柔性板的振动图像，通过USB接口输入计算机，根据标志点的振动位移得到反射表面曲率信息，在显示器上显示两个天线的振动信息；

第三步激光位移传感器将检测到的柔性板的振动信息，经过A/D采集卡处理后，输入计算机，并与视觉检测得到的振动信息组成复合的振动信息进分析。