一种椭圆柱形壳体的数字散斑形变检测装置与方法与流程

本发明涉及振动检测领域，具体涉及一种椭圆柱形壳体的数字散斑形变检测装置与方法。

背景技术：

圆柱壳形结构现已广泛应用于许多工程领域，如机械、民用、船舶等领域。随着科学技术的发展，整体对机械结构振动的意识显著提升，于是乎，越来越多的学者着力于研究壳体的动态响应。相较于环形圆柱壳体，椭圆柱形两端封闭壳体在承载能力及设备布置等工程应用中更具优势。这是因为椭圆柱形壳体在横截面上的曲率变化具有多样性，椭圆度越大的椭圆柱形壳体，其对误差的敏感程度就越小，而且它们的极限载荷可能会高于屈曲载荷。由此，椭圆柱形两端封闭壳体经常被应用在如压力容器、声学换能器、储油罐、水下航行器等方面。因此，研究椭圆柱形两端封闭壳体的静态和动态特性具有重要的意义。目前，主流上在对椭圆柱形壳体进行形变检测方式的研究中，检测方式普遍采用压电式传感器或是加速度计，这种检测方式在安装上较为方便，但作为接触式测量方式，检测过程中势必会存在负载效应，从而人为地引入实验误差，不利于实验精度的提高。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种椭圆形壳体的数字散斑形变检测装置与方法。

本发明在椭圆柱形壳表面喷漆形成三维数字散斑，而后激振器激励椭圆柱形壳，一对高速相机组成的三维全场动态形变检测系统采集圆柱形壳表面上三维数字散斑的形变信息，激光位移传感器及加速度计同时同步检测以作对比，采集的振动信息传输给计算机，计算机经过相应处理后分析出椭圆柱形壳的形变状态。

本发明采用如下技术方案：

一种椭圆柱形壳体的数字散斑形变检测装置，包括椭圆柱形壳体部分、激励部分及检测部分；

所述椭圆柱形壳体部分包括椭圆柱形壳体及端盖，所述端盖包括上端盖及下端盖，椭圆柱形壳体竖直放置在实验台上，上、下端盖通过螺纹联结封闭椭圆柱形壳体的上端及下端；

所述激励部分包括激振器、信号发生器及功率放大器，所述激振器设置在激振器台座上，激振器顶杆与椭圆柱形壳体的外表面接触，信号发生器产生信号输入功率放大器，功率放大器驱动激振器激起椭圆柱形壳体的形变；

所述检测部分包括三维数字散斑、激光位移传感器、电荷放大器、a/d采集卡、视觉检测系统、计算机及加速度计，三维数字散斑通过在椭圆柱形壳体外表面喷漆形成，三维数字散斑在视觉检测系统的视野范围内，加速度计设置在椭圆柱形壳体的外表面，视觉检测系统与计算机连接，加速度计及激光位移传感器检测到椭圆柱形壳体的振动信号经过电荷放大器及a/d采集卡传输到计算机。

所述视觉检测系统包括一对高速相机、相机云台及相机滑轨，所述一对高速相机安装在相机云台上，所述相机云台安装在相机滑轨上。

以三维数字散斑所覆盖的面为正面，所述加速度计具体为三个，各分布在椭圆形壳体外表面的左侧、右侧及后侧，且均分布在椭圆柱形壳体的中间部分。

所述激振器为两个，对称设置在椭圆柱形壳体的两侧。

所述激光位移传感器为两个，对称设置在椭圆柱形壳体外表面，其投射位置位于壳体竖直方向的中间位置。

所述三维数字散斑的覆盖面积占椭圆柱形壳体外表面的三分之一。

一种椭圆柱形壳体的数字散斑形变检测装置的方法，包括如下步骤：

在椭圆柱形壳体外表面喷漆随机形成三维数字散斑；

信号发生器产生信号输入功率放大器，进一步驱动激振器激起椭圆柱形壳体的振动，产生形变；

高速相机采集椭圆柱形壳体表面三维数字散斑的形变信息，输入计算机；激光位移传感器及加速度计同时检测振动信号，将该信号经过电荷放大器、a/d采集卡输入计算机，计算机通过分析得到椭圆柱形壳体的形变状态。

本发明的有益效果：

(1)本发明使用两台放置在不同位置处的激振器进行激振，可进行单台激励、两台同时激励，丰富椭圆柱形壳表面的形变方式；激振器的高效、不失真的特点有利于提高实验装置的可行性；

(2)本发明使用三维全场动态形变检测系统作为本发明的振动检测部分，其优点是：不用直接接触被测物体，故而不影响被测物体的动态性能；三维数字散斑制作方便，喷在椭圆柱形壳表面后相当于数万个大小不等、位置随机的标识点，使用三维全场动态形变检测系统同时检测数个散斑标识点，可有效提高实验精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的左视图；

图4是图1的俯视图；

图5是本发明工作的流程图。

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，一种椭圆柱形壳体的数字散斑形变检测装置，包括椭圆柱形壳体部分、激励部分及检测部分；

所述椭圆柱形壳体部分包括椭圆柱形壳体4及端盖3，所述端盖包括上端盖及下端盖，椭圆柱形壳体竖直放置在实验台8上，上、下端盖通过螺纹联结封闭椭圆柱形壳体的上端及下端。所述实验台为铝型材座，用于放置椭圆柱形壳体及激励部分，起支撑作用。

所述激励部分包括激振器5、信号发生器1及功率放大器2，所述激振器设置在激振器台座6上，所述激振器台座设置在实验台上，激振器顶杆与椭圆柱形壳体的外表面接触，激振位置选在椭圆柱形壳体的外表面的中间部分，信号发生器产生信号输入功率放大器，功率放大器驱动激振器激起椭圆柱形壳体的形变。使用两台放置在不同位置处的激振器进行激振，可进行单台激励、两台同时激励，丰富椭圆柱形壳表面的形变方式；激振器的高效、不失真的特点有利于提高实验装置的可行性。

所述检测部分包括三维数字散斑7、激光位移传感器14、计算机18、视觉检测系统及加速度计13。

所述三维数字散斑7相当于数万个大小不等、位置随机的标识点，具体是通过在壳体表面喷漆形成随机的三维数字散斑，覆盖面积占椭圆柱形壳体外表面的三分之一。以其覆盖的位置为正面。

所述激光位移传感器为两个，通过传感器台座15对称放置在实验台上，所述激光位移传感器的投射位置设置在椭圆柱形壳体的后面，且位于中间部分，激光束垂直于投射点所在的切平面。

所述加速度计为三个，各分布在椭圆柱形壳体的左面、右面及后面。

所述视觉检测系统一对高速相机9、相机云台12、相机滑轨10；所述高速相机9安装在相机云台12上；所述相机云台12为液压式调节云台，可承载较重型相机，通过调节相机云台12的调节旋钮可对高速相机9的拍摄角度进行微调；所述相机云台12安装在相机滑轨10上，在滑轨上来回移动相机云台12可改变相机的拍摄位置；所述的三维全场动态形变检测系统放置在相机工作台11上，相机工作台11距实验台8有一定距离，保证椭圆柱形壳处于高速相机的视场范围内。

工作时，三维全场动态形变检测系统采集椭圆柱形壳表面上三维数字散斑的形变信息，采集的振动信息传输给计算机，计算机经过相应处理后分析出椭圆柱形壳的形变状态；激光位移传感器及加速度计同时同步检测，检测到的信号经过电荷放大器16放大、a/d采集卡17采集后传输到计算机以作对比。

在椭圆柱形壳体外表面喷漆随机形成三维数字散斑；

如图5所示，本发明的检测过程为：

信号发生器产生信号输入功率放大器，进一步驱动激振器激起椭圆柱形壳体的振动，产生形变；

高速相机采集椭圆柱形壳体表面三维数字散斑的形变信息，输入计算机；激光位移传感器及加速度计同时检测振动信号，将该信号经过电荷放大器、a/d采集卡输入计算机，计算机通过分析得到椭圆柱形壳体的形变状态。

在本实施例中，被测对象椭圆柱形壳体的长半轴为700mm，短半轴为600mm，高为1200mm，厚度为0.5mm，材料选用铝合金，材料密度为2770kg/m³，泊松比为0.31，弹性模量为193gpa。

激振器5选用南京佛能科技实业有限公司生产的hev系列激振器，该系列激振器体积小，重量轻。选用型号为hev-50的激振器，其最大激振力为50n，频宽范围为0～3000hz，最大振幅±5mm，具有高效、节能和失真度小等优点。

a/d采集卡17选用isla222s12型高速输出adc，其分辨率为12位，最大转换率位125msps，温度范围为-40℃～85℃。

高速相机11选用日本nac图像技术有限公司生产的高速摄像机，型号为hx-7s，hx-7s高速摄像机紧凑轻巧，高清分辨率时可达2000fps，电子快门可达10毫秒至1.1微秒，分辨率为2560x1920像素，具有高分辨率，高感光度，独立以及超快的成像技术；相机云台12选用菲曼斯公司生产的液压云台，其上配有水平仪用于校验平台的水平度；滑轨选用菲曼斯公司生产的型号为famousf8pro摄影滑轨，滑轨材质为碳纤维，重量轻，抗张强度高，移动平滑流畅。高速相机安装在相机云台，通过调节相机云台的调节旋钮可对高速相机的拍摄角度进行微调；相机云台安装在相机滑轨上，在滑轨上来回移动相机云台可改变相机的拍摄位置。

激光位移传感器选用基恩士公司生产的lj-g5000系列高精度2d激光位移传感器，其精度高达+-0.1％f.s.，采样速率高达3.8ms；

加速度计选用kistler公司生产的型号为8704-b500的通用型加速度计，其灵敏度为±5％，频率响应范围为1～10000hz。

计算机选用台湾研华科技公司生产的ipc610机箱，pca-6006主板，pentiumiv2.4gintelcpu。

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。