高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高精密測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，具有反作用輪、單框架力矩陀螺和太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等重要元件，由于這些元件存在飛輪不平衡、軸承擾動(dòng)、電機(jī)擾動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)誤差等，導(dǎo)致這些元件在提供必要的控制動(dòng)力的同時(shí)，也會(huì)引起一些有害振動(dòng)(為簡(jiǎn)單起見，下面將這類元件統(tǒng)稱為擾動(dòng)源)。航天器內(nèi)帶有大量的光學(xué)元件，它們對(duì)指向精度和穩(wěn)定度均提出了很高的要求。這些擾動(dòng)源的擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩會(huì)降低航天器中精密性儀器的性能指標(biāo)，因此測(cè)量和分析航天器有效載荷擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于分析并消除擾動(dòng)從而提高航天器的姿態(tài)控制精度和加強(qiáng)航天器的安全設(shè)計(jì)有著非常重要的工程意義。
[0003]由于航天器擾動(dòng)源的擾動(dòng)很小，個(gè)別有效載荷如動(dòng)量輪在空間三個(gè)方向只能產(chǎn)生幾十毫牛頓甚至幾毫牛頓的微弱擾動(dòng)，要想在具有相對(duì)強(qiáng)烈干擾背景噪音的地面實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量此類擾動(dòng)十分困難?，F(xiàn)有技術(shù)中，微小振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)多采用六到八個(gè)傳感器，且一般為內(nèi)部無空腔的形式，這類測(cè)量系統(tǒng)雖然能夠測(cè)量微小振動(dòng)，但是測(cè)量精度低且擾動(dòng)源安裝界面不靈活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中微小振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度低及安裝界面不靈活的技術(shù)問題，提供一種高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案如下。
[0006]六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括箱體、負(fù)載盤、四個(gè)豎直壓電傳感器、六個(gè)水平壓電傳感器、六個(gè)側(cè)向定位板、信號(hào)裝調(diào)裝置和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；
[0007]所述箱體由殼體和底座組成，所述殼體為底端開口的中空結(jié)構(gòu)，殼體的頂面設(shè)有第一中心通孔，所述底座固定在殼體的底端開口上；
[0008]所述負(fù)載盤由底盤和安裝柱組成，所述底盤為正六邊形，底盤上設(shè)有與第一中心通孔同軸的第二中心通孔，所述安裝柱為兩端開口的柱狀結(jié)構(gòu)，安裝柱底端開口的邊緣與第一中心通孔的邊緣固定連接，安裝柱頂端開口貫穿第一中心通孔伸出箱體外且不與箱體接觸；
[0009]所述四個(gè)豎直壓電傳感器沿底盤的圓周均布，每個(gè)豎直壓電傳感器沿Z向設(shè)置，一端與殼體內(nèi)部的頂面接觸，另一端與底盤的頂面邊緣接觸，殼體、豎直壓電傳感器和底盤之間過約束連接，豎直壓電傳感器用于測(cè)量Z向振動(dòng)力、X向振動(dòng)力矩和Y向振動(dòng)力矩；
[0010]所述六個(gè)水平壓電傳感器一端分別與底盤的六個(gè)側(cè)面接觸，另一端分別與六個(gè)側(cè)向定位板的側(cè)面接觸，底盤、水平壓電傳感器和側(cè)向定位板之間過約束連接，六個(gè)水平壓電傳感器設(shè)置在與Z向空間垂直的XOY平面內(nèi)且沿圓周均布，水平壓電傳感器用于測(cè)量X向振動(dòng)力、Y向振動(dòng)力和Z向振動(dòng)力矩；
[0011 ]所述側(cè)向定位板的頂端固定在殼體內(nèi)部的頂面上；
[0012]所述信號(hào)裝調(diào)裝置與四個(gè)豎直壓電傳感器、六個(gè)水平壓電傳感器均連接，信號(hào)裝調(diào)裝置接收四個(gè)豎直壓電傳感器和六個(gè)水平壓電傳感器的電荷信號(hào)并將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；
[0013]所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集信號(hào)裝調(diào)裝置的電壓信號(hào)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行空間六維力解耦，得到三個(gè)振動(dòng)力信號(hào)和三個(gè)振動(dòng)力矩信號(hào)。
[0014]進(jìn)一步的，所述測(cè)量系統(tǒng)還包括擾動(dòng)源，所述擾動(dòng)源固定在安裝柱內(nèi)。
[0015]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)能夠根據(jù)三個(gè)振動(dòng)力信號(hào)和三個(gè)振動(dòng)力矩信號(hào)分析擾動(dòng)源的振動(dòng)特性。
[0016]進(jìn)一步的，十個(gè)壓電傳感器相同，每個(gè)壓電傳感器由絕緣外殼和兩片壓電陶瓷組成，所述絕緣外殼的上下表面設(shè)有貫通的中心通孔，所述壓電陶瓷設(shè)有與絕緣外殼的通孔同軸的中心通孔，兩片壓電陶瓷同軸疊放，置于絕緣外殼內(nèi)，兩片壓電陶瓷的非接觸面分別與絕緣外殼內(nèi)部的上下表面接觸。
[0017]進(jìn)一步的，所述殼體、豎直壓電傳感器和底盤通過螺栓過約束連接，螺栓貫穿絕緣外殼和壓電陶瓷的中心通孔;更進(jìn)一步的，所述中心對(duì)稱的兩個(gè)豎直壓電傳感器對(duì)應(yīng)的兩個(gè)螺栓等力矩?cái)Q緊。
[0018]進(jìn)一步的，所述底盤、水平壓電傳感器和側(cè)向定位板通過螺栓過約束連接，螺栓貫穿絕緣外殼和壓電陶瓷的中心通孔;更進(jìn)一步的，所述中心對(duì)稱的兩個(gè)水平壓電傳感器對(duì)應(yīng)的兩個(gè)螺栓等力矩?cái)Q緊。
[0019]進(jìn)一步的，所述殼體的側(cè)面設(shè)有窗口。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0021]1、本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過十個(gè)壓電傳感器的合理布置和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)解耦，實(shí)現(xiàn)了六個(gè)自由度的微擾動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量，克服了現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)精度低的問題，實(shí)時(shí)測(cè)量精度大大提高；
[0022]2、本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的壓電傳感器可以采用絕緣外殼與壓電陶瓷片的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具備較高的靈敏度系數(shù)及較好的信噪比，進(jìn)一步提高了測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力與測(cè)試精度；
[0023]3、本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)螺栓的預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)了正壓力及負(fù)壓力信號(hào)的采集，并可以對(duì)實(shí)際運(yùn)行條件下較大質(zhì)量的擾動(dòng)源進(jìn)行精確測(cè)量，提高了測(cè)量的可靠性；
[0024]4、本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的底盤為正六邊形，壓電傳感器、殼體及底盤為過約束連接，有效地提高了結(jié)構(gòu)基頻；
[0025]5、本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)具有中空腔體，擾動(dòng)源可以通過安裝柱置于箱體的內(nèi)部或外部，同時(shí)，可以提供測(cè)試部件更高的安裝自由度，提高了測(cè)量系統(tǒng)的適應(yīng)性，擴(kuò)大了測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍；
[0026]6、本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過信號(hào)裝調(diào)裝置提高了采集信號(hào)的信噪比，有效提高了測(cè)試精度。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3為負(fù)載盤的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4為壓電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5為壓電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
[0032]圖6為本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在單脈沖激勵(lì)下測(cè)得的傳遞函數(shù)；
[0033]圖7為本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在單脈沖激勵(lì)下測(cè)量得到的信號(hào)與實(shí)際值的對(duì)比圖(圖中測(cè)量得到的信號(hào)與實(shí)際值重合)，圖中，a為X方向的振動(dòng)力信號(hào)與實(shí)際值的對(duì)比圖，b為Y方向的振動(dòng)力信號(hào)與實(shí)際值的對(duì)比圖，c為Z方向的振動(dòng)力信號(hào)與實(shí)際值的對(duì)比圖，d為X方向的振動(dòng)力矩信號(hào)與實(shí)際值的對(duì)比圖，e為Y方向的振動(dòng)力矩信號(hào)與實(shí)際值的對(duì)比圖，f為Z方向的振動(dòng)力矩信號(hào)與實(shí)際值的對(duì)比圖；
[0034]圖中，1、箱體，11、殼體，111、第一中心通孔，112、窗口，12、底座，2、負(fù)載盤，21、底盤，211、第二中心通孔，22、安裝柱，3、豎直壓電傳感器，4、水平壓電傳感器，5、側(cè)向定位板，
6、螺栓，7、絕緣外殼，8、壓電陶瓷，9、信號(hào)裝調(diào)裝置，10、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0036]如圖1-5所示，本發(fā)明的高精度超低頻六維力微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括箱體1、負(fù)載盤
2、四個(gè)豎直壓電傳感器3、六個(gè)水平壓電傳感器4、六個(gè)側(cè)向定位板5、信號(hào)裝調(diào)裝置9和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)10。
[0037]其中，箱體I由殼體11和底座12組成，殼體11為底端開口的中空結(jié)構(gòu)，殼體11的頂面設(shè)有第一中心通孔111，側(cè)面設(shè)有窗口 112，便于箱體I內(nèi)部的壓電傳感器走線且當(dāng)擾動(dòng)源設(shè)置在箱體I內(nèi)部時(shí)，便于對(duì)擾動(dòng)源的操作;底座12固定在殼體11的底端開口上，與殼體11構(gòu)成中空腔體，底座12可以與地基連接。箱體I通常為鋼質(zhì)材料，剛度滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試要求。
[0038]負(fù)載盤2由底盤21和安裝柱22組成，底盤21為正六邊形，底盤21上設(shè)有與第一中心通孔111同軸的第二中心通孔211，安裝柱22為兩端開口的圓柱形結(jié)構(gòu)，安裝柱22底端開口的邊緣與第一中心通孔211的邊緣固定連接，安裝柱22頂端開口貫穿第一中心通孔111伸出箱體I外且不與箱體I接觸，安裝柱22用于安裝擾動(dòng)源(待測(cè)件)。
[0039]本發(fā)明的十個(gè)壓電傳感器相同，每個(gè)壓電傳感器由絕緣外殼7和兩片壓電陶瓷8組成，絕緣外殼7的上下表面設(shè)有貫通的中心通孔，壓電陶瓷8設(shè)有與絕緣外殼7的通孔同軸的中心通孔，兩片壓電陶瓷8同軸疊放，置于絕緣外殼7內(nèi)，且兩片壓電陶瓷8的非接觸面分別與絕緣外