測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種加載裝置及方法，特別是一種測量試件在微小加速度振動下的幅 頻特性曲線的加載裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器的微振動是指航天器在軌正常運(yùn)行期間，由于作動機(jī)構(gòu)等因素導(dǎo)致的航天 器結(jié)構(gòu)上幅值低于0. lg的微小振動。航天在軌運(yùn)行期間，這種微振動環(huán)境效應(yīng)將嚴(yán)重影響 有效載荷的指向精度和姿態(tài)穩(wěn)定度，因此研究航天結(jié)構(gòu)在微振動情況下的頻響特性具有重 要意義。為了研究在更低加速度量級水平的振動，需要給予結(jié)構(gòu)更小的激勵力，且要忽略激 勵帶來的附加影響，而且要測出更小的響應(yīng)。目前使用的激振器在給予較大的激振力時，通 過連接桿與試件相連，在給予較小的力時，可以通過琴弦絲與試件相連，這種直接加載的方 式可能對于質(zhì)量輕的試件有附加質(zhì)量和剛度的影響，因此增加了加載的不穩(wěn)定性和控制難 度，不能實(shí)現(xiàn)更低加速度量級水平的振動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是針對已有技術(shù)中的不足，提供一種加載穩(wěn)定簡單、易于控制，精 度高的測量試件在低加速度振動下的幅頻特性曲線的加載裝置及方法，該裝置可以方便的 對試件提供一個低加速度量級的振動加載，并可以測得響應(yīng)。
[0004] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明的目的所采取的技術(shù)方案是：
[0005] -種測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置，該加載裝置包括:激振控制系統(tǒng)、信號采集 系統(tǒng)和待測量試件，其中試件通過彈性繩懸掛在振動臺上，壓電陶瓷粘貼在試件的表面激 勵輸入端并與壓電陶瓷控制器的輸出端相連。
[0006] 所述的激振控制系統(tǒng)包括:計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓電陶瓷控制器和壓電陶瓷， 其中計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的掃頻輸出端與壓電陶瓷控制器的輸入端 相連，壓電陶瓷控制器的輸出端與壓電陶瓷相連。
[0007] 所述的信號采集系統(tǒng)包括:計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和兩臺激光測振儀，其中計算機(jī) 與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端分別與兩臺激光測振儀相連，其中一臺激光 測振儀測量壓電陶瓷表面速度信號，另一臺激光測振儀測量試件測試點(diǎn)的速度信號，兩臺 激光測振儀同時將壓電陶瓷表面速度信號和試件測試點(diǎn)的速度信號反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0008] 以及，一種測量結(jié)構(gòu)微振動特性的方法，其中測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置包 括計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓電陶瓷控制器、激光測振儀、彈性繩和壓電陶瓷，所述方法包括 如下步驟：
[0009] 第一、計算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出端向壓電陶瓷控制器輸出固定的電壓信號， 壓電陶瓷控制器根據(jù)該電壓信號驅(qū)動壓電陶瓷微振動；
[0010]第二、兩臺激光測振儀發(fā)出的激光分別照射在壓電陶瓷和試件的測試點(diǎn)上，通過 兩臺激光測振儀可以同時測量出壓電陶瓷和試件的測試點(diǎn)的速度信號；
[0011] 第三、兩臺激光測振儀分別將測量得到的壓電陶瓷和試件的測試點(diǎn)的速度信號通 過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)反饋給計算機(jī)，進(jìn)而得到試件的幅頻特性曲線。
[0012] 與現(xiàn)在的測量方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:對于較輕的結(jié)構(gòu)，可以測量其在低加速 度（10-lg-10-9g)振動的幅頻特性曲線和阻尼比；由于壓電陶瓷質(zhì)量很輕，且直接作用在被 測結(jié)構(gòu)上，所以可以忽略附加質(zhì)量對被測結(jié)構(gòu)的影響。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的測量裝置的連接示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的測量裝置的連接示意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明加載裝置和測量的原理框圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明的實(shí)施例一中選用的被測結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0017] 圖5為本發(fā)明的測量得到的幅頻曲線圖。
[0018] 其中：
[0019] 1-計算機(jī);2-壓電陶瓷控制器;3-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、4-激光測振議;5-彈性繩;6-試 件;7-壓電陶瓷。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0021] 可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限 定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部內(nèi) 容。
[0022] 在結(jié)構(gòu)的第i點(diǎn)貼上高度為h，質(zhì)量為m的壓電陶瓷，給壓電陶瓷的控制電壓為V，高 度產(chǎn)生相應(yīng)比例的伸長可通過自由應(yīng)變方程來說明，
[0023] Δ h = d33Vh
[0024] 這里d33為高度方向的壓電變形系數(shù)。當(dāng)控制電壓V為動態(tài)變化時，由于壓電陶瓷的 遲滯效應(yīng)其變形與控制電壓信號之間存在一定的相位差，而且不同頻率下壓電變形系數(shù)d 33 也不相同。因此本發(fā)明采用激光測振儀直接測量壓電陶瓷上表面的速度Vl(t)來得到壓電 陶瓷在動態(tài)控制電壓下的真實(shí)變形。
[0025] 實(shí)施例一如圖1、3、4所示，本發(fā)明所述測量試件在低加速度振動下的幅頻特性曲 線的加載裝置包括:計算機(jī)1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3、壓電陶瓷控制器2、激光測振儀4、彈性繩5和 壓電陶瓷7,其中試件6通過彈性繩5懸掛在振動臺的鋁制框架上，壓電陶瓷7粘貼在試件6的 表面激勵輸入端并與壓電陶瓷控制器2的輸出端相連，激振控制系統(tǒng)包括:計算機(jī)1、數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)3、壓電陶瓷控制器2和壓電陶瓷7,其中計算機(jī)1與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3相連，數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)3的掃頻輸出端與壓電陶瓷控制器2的輸入端相連，壓電陶瓷控制器2的輸出端與壓電陶 瓷7相連，信號采集系統(tǒng)包括:計算機(jī)1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3和兩臺激光測振儀4,其中計算機(jī)1與 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3的輸入端分別與兩臺激光測振儀4相連，其中一臺激光 測振儀4測量壓電陶瓷7表面速度信號，另一臺激光測振儀4測量試件6測試點(diǎn)的速度信號。
[0026] 在給定圓頻率ω下測量得到壓電陶瓷的表面速度Rsin 其中％為壓電陶瓷 .， 表面速度，則其質(zhì)心的速度為表面速度的二分之一，得到壓電陶瓷對結(jié)構(gòu)的激勵力為：
[0027]
[0028] 同時采用激光測振儀測量結(jié)構(gòu)上第j點(diǎn)的速度：
[0029]
[0030] 其中V/為試件測量點(diǎn)表面速度。
[0031] 通過信號分析可以得到結(jié)構(gòu)第j點(diǎn)之間的速度響應(yīng)與第i點(diǎn)的激勵力之間的頻響 函數(shù)：
[0032]
[0033] 通過對速度微分還能進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)第j點(diǎn)之間的加速度響應(yīng)與第i點(diǎn)的激勵力 之間的頻響函數(shù)//:
[0034] 實(shí)施例二如圖2、3所示，實(shí)施例二與實(shí)施例一不同之處在于在試件6上粘貼兩個相 同的壓電陶瓷7,并且壓電陶瓷控制器向兩個壓電陶瓷施加反相的控制電壓，由此可以得到 在向試件6施加力矩載荷加載的情況下的幅頻特性曲線。
[0035] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言，本發(fā)明可以有各種改動和變化。凡在本發(fā)明的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同 替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置，其特征在于該加載裝置包括:激振控制系統(tǒng)、 信號采集系統(tǒng)和待測量試件，其中試件(6)通過彈性繩(5)懸掛在振動臺上，壓電陶瓷(7)粘 貼在試件(6)的表面激勵輸入端并與壓電陶瓷控制器(2)的輸出端相連； 所述的激振控制系統(tǒng)包括:計算機(jī)（1)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（3)、壓電陶瓷控制器(2)和壓電 陶瓷(7)，其中計算機(jī)（1)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)的掃頻輸出端與壓電 陶瓷控制器(2)的輸入端相連，壓電陶瓷控制器(2)的輸出端與壓電陶瓷(7)相連； 所述的信號采集系統(tǒng)包括:計算機(jī)（1)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（3)和兩臺激光測振儀(4)，其中 計算機(jī)(1)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)的輸入端分別與兩臺激光測振儀(4) 相連，其中一臺激光測振儀(4)測量壓電陶瓷(7)表面速度信號，另一臺激光測振儀(4)測量 試件測試點(diǎn)的速度信號，兩臺激光測振儀(4)同時將壓電陶瓷(7)表面速度信號和試件測試 點(diǎn)的速度信號反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置，其特征在于，所述的壓電陶 瓷(7)直接粘貼在試件(6)的表面，壓電陶瓷(7)的振動由壓電陶瓷控制器(2)控制。3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2任一所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置，其特征在于，壓電陶 瓷控制器(2)的輸出端與壓電陶瓷(7)之間采用BNC線相連。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置，其特征在于，所述振 動臺包括鋁制框架，彈性繩(5)將試件(6)垂直懸掛在該鋁制框架上，壓電陶瓷(7)和試件測 試點(diǎn)表面均粘貼有反光紙。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置，其特征在于，在試件 (6)表面粘貼兩個相同的壓電陶瓷(7)，并且對該兩個壓電陶瓷(7)施加反相電壓。6. -種測量結(jié)構(gòu)微振動特性的方法，其中測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置包括計算機(jī) (1)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)、壓電陶瓷控制器(2)、激光測振儀⑷、彈性繩(5)和壓電陶瓷(7)，所 述方法包括如下步驟： 第一、計算機(jī)（1)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（3)輸出端向壓電陶瓷控制器(2)輸出固定的電壓 信號，壓電陶瓷控制器(2)根據(jù)該電壓信號驅(qū)動壓電陶瓷(7)微振動； 第二、兩臺激光測振儀(4)發(fā)出的激光分別照射在壓電陶瓷(7)和試件(6)的測試點(diǎn)上， 通過兩臺激光測振儀(4)可以同時測量出壓電陶瓷(7)和試件(6)的測試點(diǎn)的速度信號； 第三、兩臺激光測振儀⑷分別將測量得到的壓電陶瓷(7)和試件(6)的測試點(diǎn)的速度 信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(3)反饋給計算機(jī)，進(jìn)而得到試件(6)的幅頻特性曲線。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的方法，其特征在于，其中步驟第一中壓 電陶瓷對試件的激勵力為：其中m為壓電陶瓷質(zhì)量，ω為給定圓頻率，F(xiàn)K ω )為壓電陶瓷激勵力表達(dá)式，^為壓電陶 瓷表面速度。8. 根據(jù)權(quán)利要求6-7任一所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的方法，其特征在于，其中步驟第 三中試件(6)的幅頻特性曲線根據(jù)如下表達(dá)式確定：其中ω )為壓電陶瓷激勵力表達(dá)式，Vj( ω )為試件(6)的測試點(diǎn)的速度。9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8任一所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的方法，其特征在于，步驟第一中 壓電陶瓷對試件的激勵產(chǎn)生的加速度為：。10. 根據(jù)權(quán)利要求6-9任一所述的測量結(jié)構(gòu)微振動特性的方法，其特征在于，在試件(6) 表面粘貼兩個相同的壓電陶瓷(7)，并且對該兩個壓電陶瓷(7)施加反相電壓，進(jìn)而通過兩 個壓電陶瓷(7)產(chǎn)生的反向激勵力以實(shí)現(xiàn)力矩載荷加載情況下測量試件(6)的幅頻特性曲 線。
【專利摘要】一種測量結(jié)構(gòu)微振動特性的加載裝置及方法，該加載裝置包括計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、2臺激光測振儀、壓電陶瓷以及壓電陶瓷控制器。該裝置能對試件施加一個很小的激勵，可以很好的彌補(bǔ)激振器提供不了很小的激振力的不足，降低激振過程中附加質(zhì)量對試件的影響。對探究蜂窩板、碳纖維板等較輕的測試對象，在低加速度振動下的幅頻特性曲線測試及阻尼比，提供了一種有效的方法。
【IPC分類】G01M7/02
【公開號】CN105466655
【申請?zhí)枴緾N201510781298
【發(fā)明人】周春燕, 王超凡
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年11月13日