专利名称：一种小型便携式高精度扰动测量系统的制作方法
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：
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。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
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种小型便携式高精度 扰动测量系统，测量并分析航天器运行过程中并且由于其小型便携的技术优势可在卫星太 空工作中测量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。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。


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。
具体实施例方式如图1所示，本发明由上安装件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、四个侧向定位挡板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组成；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。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lmm-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 Η(ω)，再通过公式ψ6Χ8(ω)Τ8Χη(ω) =F6Xn( )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—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(CO)lxi = H(CO)lxpF(CO)pxi(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Η(ω)为方阵，因此载荷谱向量F(co)可由下式求得F ( ω ) = r1 ( 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Η(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(Q) = [ΕΕ(ω)Ε(ω)Υ1Εη(ω)Χ(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F6Xn( ) =C6xnF' ηΧη(ω)(4. 4)上式中，矩阵下标中的η表示试验中加载的次数；F表示等效到形心的载荷，维数 为6Xn;F'表示实际加载的载荷，是一个对角阵，矩阵中的F' 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6Xn。等效载荷与力传感器信号之间的关系为W6x8(CO)T8xn(GJ)=F6xn(CO)(4.5)其中矩阵下标中的η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8Xn;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W6X8(q) = F6xn(Q) T18Xn(W)(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η > 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W6x8(CO) = F6Xn(co)TH(co) [T(GJ)Th(CO)]-1 (4. 7)将(4.1. 4)式代入(4. 1. 7)，有:W6X8(q) = C6xnF' ηΧη(ω)Ττ(ω) [T(GJ)Tt(CO)]-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。
权利要求
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⑷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。
全文摘要
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。
文档编号G01H11/08GK101881651SQ20101020979
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者王和, 程伟 申请人:北京航空航天大学