一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置與方法，包括三角翼，三角翼為等腰直角三角形，其中一條直角邊通過機(jī)械夾持裝置固定為懸臂板，所述電容式位移傳感器探頭通過支架安裝在懸臂板的正前方，所述電容式位移傳感器探頭檢測懸臂板的振動信號傳輸?shù)诫娙菸灰苽鞲衅鞫嗤ǖ罍y量系統(tǒng)處理后，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與顯示器連接，當(dāng)鋁合金板振動時，它與電容式位移傳感器探頭的距離發(fā)生變化，引起傳感器電容變化，傳感器檢測到的信息傳至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上通過設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理，得到鋁合金板在前三階固有頻率下的振動信息，用于振動分析或控制。
【專利說明】
一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁合金板懸臂結(jié)構(gòu)振動檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]空天飛行器在超高速飛行的時候，受到氣動力、彈性力和慣性力等的耦合作用，使飛行器的三角翼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顫振現(xiàn)象，顫振及振動均會造成結(jié)構(gòu)的疲勞壽命以及工作性能的下降，甚至危及飛行員和乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此需要對三角翼的顫振與振動進(jìn)行測量以用于振動分析或控制。現(xiàn)有技術(shù)針對懸臂板結(jié)構(gòu)測量由采用壓電片、加速度傳感器和PSD傳感器等通過優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和驅(qū)動上解耦，進(jìn)行振動主動控制。但上述解耦對于懸臂板結(jié)構(gòu)的形狀有較高的要求，往往要求懸臂板為中心對稱的規(guī)則形狀，否則便會出現(xiàn)較大的誤差，而且上述傳感器都是接觸式測量，會對懸臂板結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生影響，形成較大的負(fù)載效應(yīng)。近幾年，用于位置、位移以及厚度等測量的非接觸式傳感器和測試系統(tǒng)取得了顯著的進(jìn)展，而電容式位移傳感器便是其中典型的代表。電容式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、可互換探頭器和電子線路不需要現(xiàn)場調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)、結(jié)實(shí)受保護(hù)的無源探頭在高溫下能繼續(xù)工作、線性度好、分辨率和穩(wěn)定度高。缺點(diǎn)是被測件的材料必須是導(dǎo)電的，探頭和被測件之間間隙內(nèi)的電介質(zhì)之電介質(zhì)常數(shù)不隨時間、溫度和機(jī)械應(yīng)力而變化。
[0003]中國專利申請?zhí)枮?00810027187.9中，發(fā)明名稱“基于加速度傳感器的繞性懸臂板振動控制裝置與控制方法”中，利用兩個安裝在繞性板自由端兩個邊角位置的加速度計(jì)來作為測量傳感器，但加速度計(jì)在某種意義上是一質(zhì)量塊，安裝于懸臂板上會對測量件的質(zhì)量分布產(chǎn)生較大的影響，產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，從而影響測量件的振動。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置與方法。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置，包括三角翼，所述三角翼為等腰直角三角形，其中一條直角邊通過機(jī)械夾持裝置固定為懸臂板，所述電容式位移傳感器探頭通過支架安裝在懸臂板的正前方，所述電容式位移傳感器探頭檢測懸臂板的振動信號傳輸?shù)诫娙菸灰苽鞲衅鞫嗤ǖ罍y量系統(tǒng)處理后，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與顯示器連接。
[0007]所述電容式位移傳感器探頭具體為三個，分別為第一、第二及第三電容式位移傳感器探頭，根據(jù)振動位移云圖確定位置。
[0008]所述機(jī)械夾持裝置包括矩形柱狀支架及等腰梯形夾板，所述等腰梯形夾板的上底邊固定在矩形柱狀支架上，所述等腰梯形夾板的下底邊與三角翼固定。
[0009]所述三角翼的材料為鋁合金。
[0010]還包括底座，磁性底座及豎直支架，所述磁性底座安裝在底座上，所述豎直支架安裝在磁性底座上，所述豎直支架上安裝第一、第二及第三水平支架，所述第一水平支架安裝第一電容式位移傳感器探頭，所述第二水平支架安裝第二電容式位移傳感器探頭，所述第三水平支架安裝第三電容式位移傳感器探頭。
[0011]一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置的測量方法，包括如下步驟:
[0012]第一步在ANSYS軟件中分析鋁合金板三角翼的固有頻率和振型，得到前3階固有頻率，在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)以各階固有頻率為中心頻率的三種數(shù)字濾波器；
[0013]第二步鋁合金板三角翼的振動引起第一、第二及第三電容式位移傳感器探頭的電容變化，將電容變化信號傳輸?shù)诫娙菸灰苽鞲衅鞫嗤ǖ罍y量系統(tǒng)處理后，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡后輸入到計(jì)算機(jī)中；
[0014]第三步在計(jì)算機(jī)中將各個電容位移傳感器探頭測得的位移信號通過不同的數(shù)字濾波器后得到鋁合金板三角翼在前三階固有頻率下振動的振動位移。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016](I)本發(fā)明針對鋁合金板三角翼結(jié)構(gòu)，采用等腰直角三角形結(jié)構(gòu)，同時考慮結(jié)構(gòu)形狀的非對稱性對其振動的影響，合理布置傳感器，其動力學(xué)特性與實(shí)際的空間飛行器三角翼結(jié)構(gòu)更為接近，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行振動測量研究，更具有實(shí)際意義。
[0017](2)本發(fā)明采用電容式位移傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，不產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，減小了測量誤差。
[0018](3)本發(fā)明通過設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，對測得的信息進(jìn)行處理，能較準(zhǔn)確的得到被測體的前三階振動位移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是圖1主視圖；
[0021]圖3是圖1的俯視圖；
[0022]圖4是圖1的左視圖；
[0023]圖5是鋁合金板三角翼的一階振動位移云圖；
[0024]圖6是鋁合金板三角翼的二階振動位移云圖；
[0025]圖7是鋁合金板三角翼的三階振動位移云圖。
[0026]圖中示出:
[0027]1-三角翼，2-第一電容式位移傳感器探頭，3-第一水平支架，4-豎直支架，5-第三電容式位移傳感器探頭，6-第三水平支架，7-第二水平支架，8-第二電容式位移傳感器探頭，9-磁性底座，10-底座，11-矩形柱狀支架，12-等腰梯形夾板。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0029]實(shí)施例
[0030]如圖1、圖2、圖3及圖4所示，一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置，包括三角翼1，所述三角翼I為等腰直角三角形，其中一條直角邊通過機(jī)械夾持裝置固定為懸臂板，所述電容式位移傳感器探頭通過支架安裝在懸臂板的正前方，距離6mm，所述電容式位移傳感器探頭檢測懸臂板的振動信號傳輸?shù)诫娙菸灰苽鞲衅鞫嗤ǖ罍y量系統(tǒng)處理后，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與顯示器連接。
[0031]所述電容式位移傳感器探頭具體為三個，分別為第一、第二及第三電容式位移傳感器探頭2、8、5，每個探頭測量一種固有頻率的振動，三個電容式位移傳感器探頭根據(jù)ANSYS軟件中分析的振動位移云圖確定位置。
[0032]所述機(jī)械夾持裝置包括矩形柱狀支架11及等腰梯形夾板12，所述等腰梯形夾板12的上底邊通過螺栓固定在矩形柱狀支架11上，所述等腰梯形夾板12的下底邊與三角翼I固定。
[0033]還包括底座10，磁性底座9及豎直支架4，所述矩形柱狀支架11通過螺釘固定在底座10上，所述磁性底座9安裝在底座10上，所述豎直支架4安裝在磁性底座9上，所述豎直支架4上安裝第一、第二及第三水平支架3、7、6，所述第一水平支架3安裝第一電容式位移傳感器探頭2，所述第二水平支架7安裝第二電容式位移傳感器探頭8，所述第三水平支架6安裝第三電容式位移傳感器探頭5。
[0034]本發(fā)明的測量方法，包括如下步驟:
[0035]第一步在ANSYS有限元分析軟件中分析三角翼I的模態(tài)特性，得到三角翼前三階固有頻率分別為8.367HZ、31.73HZ、44.103HZ,同時得到三角翼在各階固有頻率下振動的位移云圖，如圖5、圖6及圖7所不，其中圖5為一階振動位移云圖，圖6為二階振動位移云圖，圖7為三階振動位移云圖，設(shè)計(jì)以上述頻率為中心頻率的三個數(shù)字濾波器，通頻帶分別為OHz?16.8Hz、28Hz?35.5Hz、40Hz?48.2Hz ;其中第一電容式位移傳感探頭2安裝于第二階振動位移較大處，如圖6所示深黑色區(qū)域，測量信息通過中心頻率為31.73Hz的數(shù)字濾波器濾波后獲得第二階振動信息；第二電容式位移傳感器探頭8安裝于第三階振動位移較大處，如圖7所示深黑色區(qū)域，測量信息通過中心頻率為44.103Hz的數(shù)字濾波器濾波后得到第三階振動信息；第三電容式位移傳感器探頭5安裝于一階振動位移較大處，如圖5所示深白色區(qū)域，測量信息通過中心頻率為8.367Hz的數(shù)字濾波器后得到第一階振動信息，數(shù)字濾波器有兩個參數(shù)叫中心頻率和同頻帶，只有信號的頻率在它的通頻帶范圍內(nèi)，信號才能通過數(shù)字濾波器。
[0036]第二步鋁合金板三角翼的振動引起第一、第二及第三電容式位移傳感器探頭的電容變化，將電容變化信號傳輸?shù)诫娙菸灰苽鞲衅鞫嗤ǖ罍y量系統(tǒng)處理后，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡后輸入到計(jì)算機(jī)中；
[0037]第三步在計(jì)算機(jī)中將各個電容位移傳感器探頭測得的位移信號通過不同的數(shù)字濾波器后得到鋁合金板三角翼在前三階固有頻率下振動的振動位移。
[0038]圖1中的虛線連接表示電信號和信號處理裝置的連接圖。
[0039]在本實(shí)施例中，三角翼材料為鋁合金板，其兩直角邊的厚度可選600mmX600mmX 2mm，規(guī)格為7075，彈性模量為71.7GPa，泊松比為0.33 ;電容式位移傳感器探頭2、5、8可選用MTI公司生產(chǎn)的探頭，型號為CTA，探頭長度和直徑分別為101.6mm、82.550_，量程和感測直徑分別為12.7mm、25.197_。電容式位移傳感器多通道測量系統(tǒng)可選用MTI公司的產(chǎn)品，型號AS-500，精度為0.02%，分辨率為0.005%，頻率響應(yīng)范圍為OHz?5KHz，通道數(shù)為6 ;豎直支架4和磁性底座9選用MTI公司的產(chǎn)品；A/D數(shù)據(jù)采集卡可選用臺灣泓格科技股份有限公司生產(chǎn)的型號為PC1-1800H A/D數(shù)據(jù)采集卡；計(jì)算機(jī)可選用臺灣研華IPC610機(jī)箱，PCA-6006主板，生產(chǎn)單位:臺灣研華科技公司。
[0040]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電容式位移傳感器三角翼振動測量裝置，其特征在于，包括三角翼，所述三角翼為等腰直角三角形，其中一條直角邊通過機(jī)械夾持裝置固定為懸臂板，所述電容式位移傳感器探頭通過支架安裝在懸臂板的正前方，所述電容式位移傳感器探頭檢測懸臂板的振動信號傳輸?shù)诫娙菸灰苽鞲衅鞫嗤ǖ罍y量系統(tǒng)處理后，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與顯示器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述電容式位移傳感器探頭具體為三個，分別為第一、第二及第三電容式位移傳感器探頭，根據(jù)振動位移云圖確定位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述機(jī)械夾持裝置包括矩形柱狀支架及等腰梯形夾板，所述等腰梯形夾板的上底邊固定在矩形柱狀支架上，所述等腰梯形夾板的下底邊與三角翼固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述三角翼的材料為鋁合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，還包括底座，磁性底座及豎直支架，所述磁性底座安裝在底座上，所述豎直支架安裝在磁性底座上，所述豎直支架上安裝第一、第二及第三水平支架，所述第一水平支架安裝第一電容式位移傳感器探頭，所述第二水平支架安裝第二電容式位移傳感器探頭，所述第三水平支架安裝第三電容式位移傳感器探頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的測量裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步在ANSYS軟件中分析鋁合金板三角翼的固有頻率和振型，得到前3階固有頻率，在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)以各階固有頻率為中心頻率的三種數(shù)字濾波器； 第二步鋁合金板三角翼的振動引起第一、第二及第三電容式位移傳感器探頭的電容變化，將電容變化信號傳輸?shù)诫娙菸灰苽鞲衅鞫嗤ǖ罍y量系統(tǒng)處理后，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡后輸入到計(jì)算機(jī)中； 第三步在計(jì)算機(jī)中將各個電容位移傳感器探頭測得的位移信號通過不同的數(shù)字濾波器后得到鋁合金板三角翼在前三階固有頻率下振動的振動位移。
【文檔編號】G01H11/06GK104457963SQ201410696535
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】邱志成, 張思馬 申請人:華南理工大學(xué)