基于激光位移传感器的压电板振动检测控制装置与方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光位移传感器的压电板振动检测控制装置与方法，该装置包括柔性板、机械支架夹持装置、激光位移传感器、ARM开发板、压电放大电路、弯曲模态及扭转模态压电驱动器、电阻应变片传感器、动态电阻应变仪、A/D转换电路、D/A转换电路、计算机等，柔性板通过机械夹紧装置一端固定，板上粘贴有多片压电陶瓷片驱动器和电阻应变片传感器，并且正对面安装有激光位移传感器。本发明利用激光位移传感器的振动检测优点实现弯曲和扭转振动检测的解耦，可以动态标定电阻应变片的测量值，再结合运行主动控制算法，经压电放大电路将控制量施加在压电陶瓷片驱动器上，实现对压电板结构的弯曲和扭转振动主动控制目的。
【专利说明】基于激光位移传感器的压电板振动检测控制装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及柔性板结构振动检测控制领域，特别涉及一种基于激光位移传感器的 压电板振动检测控制装置与方法。
【背景技术】
[0002] 随着航天事业的飞速发展，航天器需要的能量越来越大，需要的太阳能帆板的面 积也就越大。为降低发射成本，太阳能帆板结构通常采用轻质材料制造以降低结构重量。 这类大型柔性结构的模态阻尼小，高阶且低频密集，特别在太空运动中，存在环境扰动条件 下，其大幅度的振动要延续很长时间，这导致由此带来的振动问题越来越突出。如果没有采 用恰当的检测控制方法对太阳能帆板的振动进行抑制，将会对航天器的在轨运行带来许多 问题，如影响航天器的姿势稳定度和指向精度，缩短航天器寿命，甚至造成太阳能帆板结构 的破坏，使航天器失效。因此，如太阳能帆板这类大型柔性结构振动的检测控制就成为了当 今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题和难点。针对航天器太阳能帆板这种柔性结构的 振动检测控制，为保证其工作稳定性，必须使它们具有自适应性和主动控制能力，近年来发 展起来的各种传感器和智能结构控制技术对太阳能帆板的振动进行检测控制提供了思路。
[0003] 现有技术中，研究模拟太阳能帆板结构的弯曲模态和扭转模态振动检测，一般使 用接触式测量传感器，比如使用加速度传感器安装在柔性板上测量柔性板的弯曲和扭转振 动，加速度传感器具有频带宽，质量小，安装方便，接线少、结构紧凑的优点，但是对柔性板 产生附加质量，会改变柔性板结构特性，同时包含大量的测量噪声，所以基于加速度传感器 的反馈控制的信号需要滤波处理。一般使用压电陶瓷片传感器测量弯曲振动信号，压电陶 瓷具有响应快，频带宽，线性度好，容易加工等特点，但是压电陶瓷片需要粘贴在柔性板上， 也会产生附加质量和改变柔性板结构特性，而且压电陶瓷片不能测量静态信号，只能用于 动态信号测量。 申请人:申请的相关专利，专利申请号为200810027187. 9中，发明名称："基 于加速度传感器的挠性悬臂板振动控制装置与控制方法"中，利用两个加速度传感器和压 电驱动器的优化配置，实现了挠性柔性板的弯曲模态和扭转模态在检测和驱动控制上的解 耦，从而实现挠性板多弯曲和多扭转模态振动主动抑制的目的。但是在该申请专利中利用 加速度传感器测量柔性板的弯曲和扭转振动，对柔性板有附加质量，会改变柔性板结构特 性，同时包含大量的测量噪声。同时使用压电陶瓷片传感器测量弯曲振动信号，但是不能测 量静态信号，只能用于动态信号测量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光位移传感器的压电板 振动检测控制装置与方法。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种基于激光位移传感器的压电板振动检测控制装置，包括压电板本体部分、检 测部分及驱动控制部分；
[0007] 压电板本体部分包括
[0008] 柔性板，所述柔性板一端通过机械支架夹持装置固定，另一端自由端；
[0009] 弯曲模态压电驱动器，由多个压电陶瓷片构成，在柔性板距离固定端5_20mm处， 且位于宽度方向中线两侧，姿态角为〇度，对称粘帖在前后两面；
[0010] 扭转模态压电驱动器，由多个压电陶瓷片构成，在柔性板长度方向中线，且关于宽 度方向中线对称，姿态角为〇度，两面对称粘帖，距离宽度方向上下边缘30-70mm ;
[0011] 电阻应变片传感器，所述电阻应变片传感器在柔性板距离固定端5-20mm的宽度 方向中线处，姿态角为0度两面对称粘帖；
[0012] 激光位移传感器，包括两个激光位移传感器探测头及激光位移传感器控制器，所 述两个激光位移传感器探测头分别与激光位移传感器控制器连接，所述两个激光位移传 感器探测头分别为第一激光位移传感器探测头及第二激光位移传感器探测头，所述第一激 光位移传感器探测头及第二激光位移传感器探测头位于柔性板自由端的正前方40-200mm 处，并关于柔性板宽度方向中线对称安装；
[0013] 检测部分包括：
[0014] 电阻应变片传感器检测柔性板的弯曲振动，检测到的振动信号经过动态电阻应变 仪放大以后，通过A/D转换电路输入到ARM开发板和计算机中进行处理；
[0015] 第一激光位移传感器探测头和第二激光位移传感器探测头检测柔性板自由端的 位移变化，其检测的信号输入到激光位移传感器控制器，再到计算机中处理，可分别测出弯 曲振动和扭转振动信号；
[0016] 驱动控制部分包括：
[0017] 计算机得到振动信号后运行控制算法得到控制信号，再把控制信号传送至ARM开 发板，经过D/A转换电路后，再经压电放大电路输入到弯曲模态压电驱动器和扭转模态压 电驱动器，从而控制柔性板的弯曲振动和扭转振动。
[0018] 所述弯曲模态压电驱动器由8片压电陶瓷片构成，柔性板两面对称粘帖，每面4片 且并联连接；
[0019] 所述扭转模态压电驱动器由4片压电陶瓷片构成，柔性板两面对称粘帖，每面2片 且并联连接；
[0020] 所述电阻应变片传感器有2片，分别在柔性板的两面对称粘帖，每面一片且并联 连接。
[0021] 还包括坚直放置直线导轨和水平放置直线导轨，所述两个激光位移传感器探测头 安装在坚直放置直线导轨的两端，且在坚直放置直线导轨上滑动，所述坚直放置直线导轨 通过大支架安装在水平放置直线导轨上。
[0022] 所述水平放置直线导轨水平放置在由冲压钢冲压形成的弯板上。
[0023] 包括如下步骤：
[0024] 第一步采用电阻应变片传感器检测柔性板的弯曲振动信号，采用激光位移传感器 探测头检测柔性板自由端的位移变化信号；
[0025] 第二步将第一步电阻应变片传感器检测的信号经过动态电阻应变仪处理后，经过 A/D转换电路输入到ARM开发板，再到计算机进行处理，将第一激光位移传感器探测头和第 二激光位移传感器探测头检测的信号传送至激光位移传感器控制器，经过计算机处理后， 传送至到ARM开发板，得到相应的弯曲和扭转振动控制反馈信号；
[0026] 第三步将第二步得到的控制反馈信号经过D/A转换电路后，再经压电放大电路后 输入到弯曲模态压电驱动器和扭转模态压电驱动器，从而控制柔性板弯曲振动和扭转振 动。
[0027] 所述激光位移传感控制器处理后得到弯曲振动和扭转振动的位移信号，具体为：
[0028] 将两个激光位移传感器探测头检测的信号相加，得到弯曲振动的位移信号
【权利要求】
1. 一种基于激光位移传感器的压电板振动检测控制装置，其特征在于，包括压电板本 体部分、检测部分及驱动控制部分； 压电板本体部分包括： 柔性板，所述柔性板一端通过机械支架夹持装置固定，另一端自由端； 弯曲模态压电驱动器，由多个压电陶瓷片构成，在柔性板距离固定端5-20mm处，且位 于宽度方向中线两侧，姿态角为〇度，对称粘帖在前后两面； 扭转模态压电驱动器，由多个压电陶瓷片构成，在柔性板长度方向中线，且关于宽度方 向中线对称，距离柔性板宽度方向的边缘30-70mm处，两面对称粘帖，姿态角为0度； 电阻应变片传感器，所述电阻应变片传感器在柔性板距离固定端5-20mm的宽度方向 中线处，姿态角为〇度，两面对称粘帖； 激光位移传感器，包括两个激光位移传感器探测头及激光位移传感器控制器，所述两 个激光位移传感器探测头分别与激光位移传感器控制器连接，所述两个激光位移传感器探 测头分别为第一激光位移传感器探测头及第二激光位移传感器探测头，所述第一激光位移 传感器探测头及第二激光位移传感器探测头位于柔性板自由端的正前方40-200mm处，并 关于柔性板宽度方向中线对称安装； 检测部分包括： 电阻应变片传感器检测柔性板的弯曲振动，检测到的振动信号经过动态电阻应变仪放 大以后，通过A/D转换电路输入到ARM开发板和计算机中进行处理； 第一激光位移传感器探测头和第二激光位移传感器探测头检测柔性板自由端的位移 变化，其检测的信号输入到激光位移传感器控制器，再到计算机中处理，可分别测出弯曲振 动和扭转振动信号； 驱动控制部分包括： 计算机得到振动信号后运行控制算法得到控制信号，再把控制信号传送至ARM开发 板，经过D/A转换电路后，再经压电放大电路输入到弯曲模态压电驱动器和扭转模态压电 驱动器，从而控制柔性板的弯曲振动和扭转振动。
2. 根据权利要求1所述的压电板振动检测控制装置，其特征在于，弯曲模态压电驱动 器由8片压电陶瓷片构成，柔性板两面对称粘帖，每面4片且并联连接； 所述扭转模态压电驱动器由4片压电陶瓷片构成，粘贴在柔性板的长度方向中部，两 面对称粘帖，每面2片且并联连接； 所述电阻应变片传感器有2片，分别在柔性板的两面对称粘帖，每面一片且并联连接。
3. 根据权利要求1-2任一项所述的压电板振动检测控制装置，其特征在于，还包括坚 直放置直线导轨和水平放置直线导轨，所述两个激光位移传感器探测头安装在坚直放置直 线导轨的两端，且在坚直放置直线导轨上滑动，所述坚直放置直线导轨通过大支架安装在 水平放置直线导轨上。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述水平放置直线导轨水平放置在由冲 压钢冲压形成的弯板上。
5. 应用权利要求1-4之一所述压电板振动检测控制装置进行控制的方法，其特征在 于，包括如下步骤： 第一步采用电阻应变片传感器检测柔性板的弯曲振动信号，采用激光位移传感器探测 头检测柔性板自由端的位移变化信号； 第二步将第一步电阻应变片传感器检测的信号经过动态电阻应变仪处理后，经过A/D 转换电路输入到ARM开发板，再到计算机进行处理，将第一激光位移传感器探测头和第二 激光位移传感器探测头检测的信号传送至激光位移传感器控制器，经过计算机处理后，传 送至到ARM开发板，得到相应的弯曲和扭转振动控制反馈信号； 第三步将第二步得到的控制反馈信号经过D/A转换电路后，再经压电放大电路后输入 到弯曲模态压电驱动器和扭转模态压电驱动器，从而控制柔性板弯曲振动和扭转振动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光位移传感控制器处理后得到弯 曲振动和扭转振动的位移信号，具体为： 将两个激光位移传感器探测头检测的信号相加，得到弯曲振动的位移信号 ww = Wi (χ1； γ1； t) +w2 (x2, y2, t) 式中Wl(Xl，yi，t)和％〇^，72,〇分另lj为两个激光位移传感器探测头检测的其安装点 (Xp 和（x2, y2)的位移测量信息，t为时间； 将第一、第二激光位移传感器探测头检测的信号相减，得到扭转振动的位移信号； wn = Wi (x1; y1; t) -W2 (x2, y2, t)。
【文档编号】G01M7/02GK104142125SQ201410353016
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】邱志成, 谢凌波 申请人:华南理工大学