一种小型便携式高精度扰动测量系统
专利汇可以提供一种小型便携式高精度扰动测量系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种小型便携式高 精度 扰动测量系统，由上安装件、下安装件、八个压电 力 传感器 (其中四个沿竖直方向安装、另外四个沿 水 平方向安装)以及 数据采集 和处理系统组成；上下安装件通过螺钉连接成一个整体；竖向 压力传感器 以及横向压力传感器均安装在上下安装件组成的整体件之中；竖向压力传感器以及横向压力传感器分别通过 螺栓 带动档片压紧传感器。将八个传感器进行合理布置，可以测出扰动源的三个动态力和三个动态弯矩。扰动源安装在系统外部，根据具体需求进行布置。各 压电传感器 通过 导线 与数据采集和处理系统连接；该测量系统可以精确测量微小振动源的扰动力，并且测量的可靠性高。并且由于自身体积较小，重量较轻，可以在多种环境下进行扰动力测试，很大程度增加了使用范围。，下面是一种小型便携式高精度扰动测量系统专利的具体信息内容。
1.一种小型便携式高精度扰动测量系统，其特征在于包括：上安装件(1)、下安装件(2)、连接螺栓(3)、四个竖向压电传感器(4)、四个横向压电传感器(5)、四个横向定位挡板(6)、四个横向压紧螺栓(7)、四个竖向定位挡板(8)、四个竖向压紧螺栓(9)，数据采集和处理系统(10)；上安装件(1)与下安装件(2)通过连接螺栓(3)连接成一整体；四个竖向压电传感器(4)沿竖立方向分别对称位于下安装件(2)的上表面，四个竖向螺栓(9)带动竖向定位挡板(8)压紧四个竖向压电传感器(4)，用于测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；四个横向压电传感器(5)沿着安装件的四个侧面安装在上安装件(1)的内部水平方向上，且两两关于对角线对称安装，四个横向螺栓(7)带动横向定位挡板(6)压紧四个横向压电传感器(5)；四个横向压电传感器(5)的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，用于测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩；四个竖向压电传感器(4)和四个横向压电传感器(5)的输出通过信号传输线与数据采集和处理系统(10)相连；扰动源安装在上安装件(1)的上表面，下安装件(2)的下表面可通过加工不同尺寸的转接板与各种工作环境相连接；当扰动源产生振动时，四个竖向压电传感器(4)和四个横向压电传感器(5)产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统(10)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扰动源的振动特性。
2.根据权利要求1所述的一种小型便携式高精度扰动测量系统，其特征在于：所述四个竖向压电传感器(4)和四个横向压电传感器(5)为压电陶瓷元件。
3.根据权利要求1所述的一种小型便携式高精度扰动测量系统，其特征在于：所述上安装件(1)的外部结构为横截面是正方形的长方体，下表面铣掉一个横截面是正方形的长方体；上安装件(1)的四个侧面分别打通两个孔，其中较大通孔为螺纹孔，横向传感器(5)通过该螺纹孔，横向压紧螺栓(7)与该螺纹孔相配合，横向定位挡板(6)通过上述上安装件(1)的四个侧面打通的两个孔。
4.根据权利要求1所述的一种小型便携式高精度扰动测量系统，其特征在于：所述下安装件(2)的外部结构为横截面是正方形的长方体，上表面拉伸出一个横截面是正方形的长方体，与上安装件(1)通过连接螺栓(3)安装，水平方向留有空隙；下安装件(2)的上表面按对称分布铣两个孔，其中一个相对较大，在较大孔处同心位置铣螺纹通孔；竖向传感器(4)可通过上述较大孔，竖向压紧螺栓(9)与上述螺纹孔相配合，竖向定位挡板(8)通过下安装件(2)的上表面按对称分布铣的两个孔。
5.根据权利要求1所述的一种小型便携式高精度扰动测量系统，其特征在于：所述四个竖向螺栓(9)和四个横向螺栓(7)须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高压电传感器的测量精度。
技术领域
本发明涉及一种小型便携式高精度扰动测量系统，可在多种环境下进行扰动力测试，应用范围广；由于测量精度高，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
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。
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
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小型便携式高精度扰动测量系统，包括上安装件、下安装件、连接螺栓、四个竖向压电传感器、四个横向压电传感器、四个横向定位挡板、四个横向压紧螺栓、四个竖向定位挡板、四个竖向压紧螺栓，数据采集和处理系统；上安装件与下安装件通过连接螺栓连接成一整体；四个竖向压电传感器沿竖立方向分别对称位于下安装件的上表面，四个竖向螺栓带动竖向定位挡板压紧四个竖向压电传感器，用于测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；四个横向压电传感器沿着安装件的四个侧面安装在上安装件的内部水平方向上，且两两关于对角线对称安装，四个横向螺栓带动横向定位挡板压紧四个横向压电传感器；四个横向压电传感器的安装方向与Z轴呈空间垂直关系，用于测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩；四个竖向压电传感器和四个横向压电传感器的输出通过信号传输线与数据采集和处理系统相连；扰动源安装在上安装件的上表面，下安装件的下表面可通过加工不同尺寸的转接板与各种工作环境相连接；当扰动源产生振动时，四个竖向压电传感器和四个横向压电传感器产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统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扰动源的振动特性。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明通过8个普通压电传感器的合理布置，从而使得六个自由度的微扰动信号可以利用现有的单向压电力传感器来测量，克服了缺少高精度三向传感器的问题，使得测量精度大大提高。
(2)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。
(3)本发明通过合理调节螺栓的预紧力，实现了信号的放大并可以进行具有较大质量扰动源的实际运行条件下的精确测量，提高了测量的可靠性。
(4)本发明由于其自身小型便携的特点，扩大了使用范围，提高了测量系统的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为上安装件的结构示意图；
图3为下安装件的结构示意图。
具体实施方式
安装时，四个竖向螺栓9和四个横向螺栓7必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高压电传感器的测量精度。
如图2所示，上安装件1材料为铝，外部结构为横截面是正方形的长方体，下表面铣掉一个横截面是正方形的长方体；上安装件1的四个侧面分别打通两个孔11、12，其中较大通孔为螺纹孔11，横向传感器5通过该螺纹孔，横向压紧螺栓7与螺纹孔11相配合，横向定位挡板6通过上述上安装件1的四个侧面打通的两个孔11、12。
如图3所示，下安装件2材料为铝，其外部结构为横截面是正方形的长方体，上表面拉伸出一个横截面是正方形的长方体，与上安装件1通过上下连接螺栓3安装，水平方向留有1mm-2mm空隙，下安装件2的上表面按对称分布铣两个孔21、22，在相对较大孔21处同心位置铣螺纹通孔22；竖向传感器4可通过上述较大孔21，竖向压紧螺栓9与螺纹孔22相配合，竖向定位挡板8通过下安装件2的上表面按对称分布铣的两个孔21、22。
四个竖向压电传感器4和四个横向压电传感器5均为压电陶瓷元件。四个竖向压电传感器4对称地分布在下安装件2的上表面上，可以测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；四个横向压电传感器5安装在上安装件1周边与下安装件2的突起方块部件的侧表面上，且两两关于对角线对称安装，可以测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩。
扰动源安装在上安装件1的上表面，下安装件2的下表面可通过加工不同尺寸的转接板与各种工作环境相连接。检查四个竖向压电传感器4、四个横向压电传感器5的信号是否正常，之后运行微小振动源，使其产生振动，从而使四个竖向压电传感器4、四个横向压电传感器5输出的电压信号通过数据采集和处理系统10转化为X、Y、Z三个方向的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10得到的是压电力传感器的电压信号，要将电压信号转换为力信号，还需要对传感器进行标定，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。
其中通过数据采集处理系统10得到的是压电力传感器的电压信号，压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器，其只能用于动态测量，实验中每个通道4片压电传感器串联使用，灵敏度系数为412mv/N，每个通道的电压信号输入到数据采集系统10，处理过程中利用中心等效频响函数矩阵求逆法求出测试系统的标定矩阵H(ω)，再通过公式W6×8(ω)T8×n(ω)＝F6×n(ω)得到等效中心处的扰动力，式中W为系统频响函数矩阵的逆；T为八个力传感器的响应信号；F即等效载荷。
测试系统标定的基本原理为频响函数矩阵求逆法，它假设是系统为线性的，系统的响应完全由待测的载荷产生，且载荷的作用点已知。
一般情况下，真实系统特别是连续结构，其自由度数N很大，不可能测得所有自由度上的响应用来求解结构受到的载荷。通常情况下，由于待确定的载荷数P一般不会很大，所以希望用尽量少的响应数据来确定待测定的载荷，也就是通过结构的部分响应来测定载荷。假设待定的载荷数为P，响应的测点数L，两者均小于系统的总自由度数N，结构频响函数可以表示为：
X(ω)L×1＝H(ω)L×PF(ω)P×1 (4.1)
若式(4.1.1)中待定的载荷数P与响应的测点数L相等，即L＝P，则频响函数矩阵H(ω)为方阵，因此载荷谱向量F(ω)可由下式求得：
F(ω)＝H-1(ω)X(ω) (4.2)
若式(4.1.1)中待定的载荷数P与响应的测点数L不相等，通常是L≥P，则频响函数矩阵H(ω)就不再是方阵，因此必须对频响函数求广义逆，这样，载荷识别的公式为：
F(ω)＝[HH(ω)H(ω)]-1HH(ω)X(ω) (4.3)
式中，上标H表示矩阵的共轭转置。
将上述标定方法定义为中心等效载荷频响函数矩阵求逆法，该方法首先将标定载荷转换到安装盘形心，即：
F6×n(ω)＝C6×nF′n×n(ω) (4.4)
上式中，矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；F表示等效到形心的载荷，维数为6×n；F′表示实际加载的载荷，是一个对角阵，矩阵中的F′ii等于第ii次加载的载荷值；C表示实际加载的载荷矩阵与等效载荷矩阵之间的转换矩阵，维数为6×n。
等效载荷与力传感器信号之间的关系为：
W6×8(ω)T8×n(ω)＝F6×n(ω) (4.5)
其中矩阵下标中的n表示试验中加载的次数；W为系统频响函数矩阵的逆；T为八个力传感器的响应信号，维数为8×n；F即为式(4.1.4)中得到的等效载荷。由式(4.1.5)中可知，当响应矩阵T存在逆时，有：
W6×8(ω)＝F6×n(ω)T-18×n(ω) (4.6)
考虑到响应信号的通道只有8个，为了提高测量精度，加载点的数目应大于响应通道数，即n＞8，这时响应矩阵T不再是一个方阵，而是一个行满秩的矩阵，应用广义逆理论，有：
W6×8(ω)＝F6×n(ω)TH(ω)[T(ω)TH(ω)]-1 (4.7)
将(4.1.4)式代入(4.1.7)，有：
W6×8(ω)＝C6×nF′n×n(ω)TT(ω)[T(ω)TT(ω)]-1 (4.8)
总之，可以精确测量微小振动源的扰动力，并且测量的可靠性高。并且由于自身体积较小，重量较轻，可以在多种环境下进行扰动力测试，增加了使用范围。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
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