一种超低频六分量微振动测量系统的制作方法
【专利摘要】一种超低频六分量微振动测量系统，包括底座、负载盘、四个折叠梁、应变传感器、动态应变仪以及数据采集和处理系统；四个折叠梁沿负载盘下表面圆周方向均布；每一个折叠梁与相邻两个折叠梁呈垂直关系，折叠梁一端固定连接在负载盘和底座之间；折叠梁上黏贴应变传感器，应变传感器通过动态应变仪实现桥路连接并与数据采集和处理系统相连；当微小振动源产生振动时，应变传感器测得四个折叠梁产生的应变，并通过动态应变仪输出电压信号到数据采集和处理系统，数据采集和处理系统根据输入的电压信号分析出微小振动源的振动特性。该测量系统可以精确测量微小振动源的扰动力，测量的精确度高。
【专利说明】一种超低频六分量微振动测量系统
【技术领域】
[0001]本发明一种高精度超低频六分量微振动测量系统，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】
[0002]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系统中，反作用轮、单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制系统中的重要元件，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，下面将上述三种系统统称为扰动源)。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，其中飞轮不平衡是导致飞轮振动的最主要原因，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。
[0003]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。
[0004]目前，国内外尚未见有关此类微小振动测量系统的文献报导。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种超低频六分量高精度微振动测量系统，利用该系统能够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，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。
[0006]本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是:一种超低频六分量微振动测量系统，包括底座、负载盘、四个折叠梁、应变传感器、动态应变仪以及数据采集和处理系统；四个折叠梁沿负载盘下表面圆周方向均布；每一个折叠梁与相邻两个折叠梁呈垂直关系，折叠梁一端固定连接在负载盘和底座之间；折叠梁上黏贴应变传感器，应变传感器通过动态应变仪实现桥路连接并与数据采集和处理系统相连；当微小振动源产生振动时，应变传感器测得四个折叠梁产生的应变，并通过动态应变仪输出电压信号到数据采集和处理系统，数据采集和处理系统根据输入的电压信号分析出微小振动源的振动特性。
[0007]所述的应变传感器为电阻应变片或半导体应变片。
[0008]所述的折叠梁由两端设置安装法兰的横梁折叠而成，折叠后通过安装法兰与折叠梁上方、下方的负载盘和底座连接，折叠后形成的上下两个横梁的折叠面上向横梁内部加工有两个圆弧形沟槽。
[0009]所述的四个折叠梁组成测量传感器，通过在每个折叠梁圆弧形沟槽底部背面上粘贴应变片组成八个半桥来实现；或者通过在圆弧形沟槽底部背面以及每个横梁上的圆弧面处都粘贴一个应变片，即每个折叠梁上有八个应变片，整体组成八个全桥实现微振动测量。
[0010]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0011](I)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。
[0012](2)本发明通过十六个应变传感器的合理布置，组成八个半桥，从而可以测得得六个自由度的超低频微扰动信号，使得测量精度大大提高。
[0013](3)本发明可以通过在每个折叠梁上粘贴四个应变片组成八个半桥来实现；也可以在每个横梁上的圆弧面处粘贴都粘贴一个应变片，每个折叠梁上有八个应变片，整体组成八个全桥，进一步提高传感器灵敏度。
[0014](4)本发明微振动测量系统体积小巧，可以方便的应用于多种场合，提高了测量系统的适用性。
[0015](5)本发明中每一个折叠梁上加工出四个圆弧槽，当安装于该微振动测量系统上的被测部件产生扰动时，由于应力集中，会使圆弧槽底端产生最大应变，从而最大限度提高测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图；
[0017]图2为本发明俯视示意图；
[0018]图3为本发明中带压电传感器的折叠梁结构示意图；
[0019]图4为本发明中底座结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及实施例对本发明做详细介绍，具体如下:
[0021]如图1、2所示，在负载盘2上表面定义坐标系XYZ。本发明一种超低频六分量高精度微振动测量系统包括:十六个连接螺栓1、负载盘2、十六个应变传感器3、四个折叠梁4、底座5、八个螺栓通孔6，动态应变仪7以及数据采集和处理系统8。振动源安装在负载盘2的中心处，四个折叠梁4位于底座5上表面和负载盘2下表面之间，通过十六个螺栓I压紧连接，十六个应变传感器3分别粘贴在四个折叠梁4的上下表面，用以测量负载或振动源在X、Y和Z向的力和力矩；在XY平面上，每一个折叠梁4与相邻两个折叠梁呈垂直关系，如图2所示，四个折叠梁4沿负载盘2下表面圆周方向均布，四个折叠梁4的安装方向与Z轴呈空间垂直关系。十六个应变传感器3组成八个半桥通过信号传输线与动态应变仪7以及数据采集和处理系统8相连；当微小振动源产生振动时，十六个应变传感器3产生的应变通过动态应变仪7转化成电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统8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振动源的振动特性。
[0022]所述的十六个应变传感器为电阻应变片或半导体应变片元件。
[0023]该系统中底座5为正方形铝框结构，框架上有八个沉头孔和四个通孔；底座上表面铣出四个定位槽，框架内部边框上铣出四个圆弧形缺口。其形状如图4所示。
[0024]负载盘2的形状为圆形，也是铝质材料，振动源安装在负载盘2的中心处。负载盘2的下表面铣出四个定位槽便于安装折叠梁4，盘上分布有八个沉头孔和四个通孔，沉头孔用于连接折叠梁4，通孔用于固定负载。
[0025]如图3所示；每个折叠梁4的两个横梁上都加工出两个圆弧形沟槽，四个折叠梁沿负载盘2下表面圆周均布，并且它的侧面与底座5侧面对齐。四个折叠梁4组成测量传感器，可以通过在每个折叠梁上粘贴四个应变片组成八个半桥来实现；也可以在每个横梁上的圆弧面处粘贴都粘贴一个应变片，每个折叠梁上有八个应变片，整体组成八个全桥，以此实现微振动测量。
[0026]底座I的上部与折叠梁4连接；下部分通过螺栓与地基连接。整个结构要保证其刚度满足动态测试要求。所述的底座5为正方形框架结构，框架上有八个沉头孔和四个通孔，沉头孔用于连接折叠梁4，通孔用于将底座5固定到底机上；底座5上表面铣出四个定位槽，用于对折叠梁4进行安装定位，框架内部边框上铣出四个圆弧形缺口以便于安装。其形状如图4所示。
[0027]将微小振动测量系统安装在地基上，将微小振动源试件安装在负载盘2的中心处，检查十六个应变传感器3的信号是否正常并通过动态应变仪7完成桥路连接，之后运行微小振动源，使其产生振动，应变传感器3产生的应变经动态应变仪转化为电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统8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振动源的振动特性。由于通过数据采集处理系统得到的是电压信号，要将电压信号转换为力信号，在测试之前需要对应变传感器进行标定，得到相应的灵敏度系数，将其与电压信号相乘后可以得到有效载荷的力信号。标定的具体过称为:将扰振源安装在负载盘上后，在其几何中心处施加一组已知的力F，F=[fx fy fz mx mymz]H,即F为一个6Xn的矩阵，即三个扰振力和三个扰振力矩均有η个点；此时动态应变仪7采集到12个电压信号，并通过信号线传输到数据采集和处理系统8，将12个电压信号记为 AU=IiAu1 ΔU2 ΔU3 Au4 Au5 Au6 Au7 Au8 Au9 ΔU10 ΔU12 Δu12]H, BP AU 为一个12Xn阶的矩阵。令F=WAU,其中W则为转换矩阵，且W为一个6X12阶矩阵，由于F和Δ U已知，则可求得转换矩阵W=F Λ UH( Λ U Λ UH) ―1 ;当扰动源产生振动的时刻，动态应变仪7采集12个电压信号即Λ U，此时扰动源的三个振动力和振动力矩则可求出，其表达式为:F=WAU,其中W为已求得的转换矩阵，F的前三行为扰动源的振动力，后三行为扰动源的振动力矩。
[0028]本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
【权利要求】
1.一种超低频六分量微振动测量系统，其特征在于:包括底座(5)、负载盘(2)、四个折叠梁(4)、应变传感器(3)、动态应变仪(7)以及数据采集和处理系统(8);四个折叠梁(4)沿负载盘(2)下表面圆周方向均布；每一个折叠梁(4)与相邻两个折叠梁呈垂直关系，折叠梁(4)一端固定连接在负载盘(2 )和底座(5 )之间；折叠梁(4)上黏贴应变传感器(3 )，应变传感器(3)通过动态应变仪(7)实现桥路连接并与数据采集和处理系统(8)相连；当微小振动源产生振动时，应变传感器(3)测得四个折叠梁(4)产生的应变，并通过动态应变仪(7)输出电压信号到数据采集和处理系统(8)，数据采集和处理系统(8)根据输入的电压信号分析出微小振动源的振动特性。
2.根据权利要求1所述的超低频六分量微振动测量系统，其特征在于:所述的应变传感器(3)为电阻应变片或半导体应变片。
3.根据权利要求1所述的超低频六分量微振动测量系统，其特征在于:所述的折叠梁(4)由两端设置安装法兰的横梁折叠而成，折叠后通过安装法兰与折叠梁上方、下方的负载盘(2)和底座(5)连接，折叠后形成的上下两个横梁的折叠面上向横梁内部加工有两个圆弧形沟槽。
4.根据权利要求3所述的超低频六分量微振动测量系统，其特征在于:所述的四个折叠梁(4)组成测量传感器，通过在每个折叠梁圆弧形沟槽底部背面上粘贴应变片组成八个半桥来实现；或者通过在圆弧形沟槽底部背面以及每个横梁上的圆弧面处都粘贴一个应变片，即每个折叠梁上有八个应变片，整体组成八个全桥实现微振动测量。
【文档编号】G01H11/06GK103471705SQ201310446121
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】赵煜, 王云峰, 李果, 程伟, 杨文涛, 何斌, 王成伦, 刘凤晶, 王光远, 沈中 申请人:北京空间飞行器总体设计部, 北京航空航天大学