本發(fā)明涉及一種測量平臺，具體涉及一種高精度高剛度六維力測量平臺，可用于對航天器內部微小擾動載荷在六個自由度上的振動信號進行動態(tài)測量。

背景技術：

目前的航天器都帶有大量的光學元件，它們對指向精度和穩(wěn)定度均提出了很高的要求。另外，在現(xiàn)代航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，反作用輪、單框架力矩陀螺和太陽翼驅動機構等是其控制系統(tǒng)中的重要元件，它們在提供必要的控制動力的同時，也會引起一些有害振動(為簡單起見，下面將上述三種系統(tǒng)統(tǒng)稱為擾動源)。這些擾動主要由飛輪不平衡、軸承擾動、電機擾動、電機驅動誤差等引起的，其中飛輪不平衡是導致飛輪振動的最主要原因，這些擾動力和擾動力矩會降低太空中精密性儀器的性能指標，因此測量和分析航天器有效載荷擾動的動態(tài)特性，對于分析并消除擾動從而提高航天器的姿態(tài)控制精度和加強航天器的安全設計有著非常重要的工程意義。

由于航天器擾動源的擾動很小，個別有效載荷如動量輪在空間三個方向只能產生幾十毫牛頓甚至幾毫牛頓的微弱擾動，要想在具有相對強烈干擾背景噪音的地面實驗室中測量此類擾動十分困難，而其對應傳感器的精度要求非常高。目前國內外還未見可以用于測量微小振動的測量系統(tǒng)，已有的測量系統(tǒng)不能滿足高剛度及傳感器自由組合測量的使用要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決現(xiàn)有測量系統(tǒng)不能滿足微小振動測量對剛度及傳感器自由組合測量的使用要求的技術問題，提供一種高精度高剛度六維力測量平臺。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體如下：

一種高精度高剛度六維力測量平臺，包括：底板、底座、負載盤、外框、沿Z向安裝的壓電力傳感器、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；

所述沿Z向安裝的壓電力傳感器位于底座上表面和負載盤下表面之間，通過螺栓壓緊提供預緊力，測量Z方向的振動力和X、Y方向的振動力矩；所述沿Z向安裝的壓電力傳感器以線對稱的方式安裝在負載盤下表面預留的突臺位置上，其個數(shù)至少為4個，至多為8個；

所述沿X及Y向安裝的壓電力傳感器通過螺栓固定在外框及負載盤側面上，其安裝方向與Z軸呈空間垂直關系，同時螺栓擰緊在負載盤的側面，以測量X、Y方向的振動力和Z方向的振動力矩；所述沿X及Y向安裝的壓電力傳感器以角對稱的方式安裝在負載盤側面凹槽位置，其個數(shù)至少為4個，至多為12個；

所述外框通過螺釘固定在底板的下表面；所述底座通過螺栓固定在底板上；

當微小振動源產生振動時，沿Z向安裝的壓電力傳感器、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器產生電壓信號輸出，通過信號傳輸線與數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)相連，將高阻抗輸入信號變換為低阻抗輸出，并放大壓電元件的微弱電信號，最終通過對電信號的分析處理，轉化為三個微小振動力信號和三個微小振動力矩信號，進而分析出微小振動源的振動特性。

在上述技術方案中，所述的沿Z向安裝的壓電力傳感器、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器由壓電力傳感器絕緣外殼及兩片壓電力傳感器壓電陶瓷組成，與數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)構成差分電路系統(tǒng)，提高信號信噪比。

在上述技術方案中，所述底板和底座為鋼板結構。

在上述技術方案中，所述負載盤的橫截面形狀為正方形。

在上述技術方案中，所述沿Z向安裝的壓電力傳感器的個數(shù)為4個，分別安裝在負載盤下表面四個角預留的突臺位置上。

在上述技術方案中，所述負載盤的材料為合金鋼。

在上述技術方案中，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱和計算機組成，數(shù)據(jù)采集箱將壓電力傳感器得到的電壓信號轉化為數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)線輸入到計算機中，計算機將數(shù)字信號進行分析和運算，最終得到微小振動力的信號。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明提供的一種高精度高剛度六維力測量平臺，通過多個不同位置的普通壓電力傳感器的合理布置，通過軟件實現(xiàn)空間實時解耦，從而使得六個自由度的微擾動信號可以利用現(xiàn)有的單向壓電力傳感器來實時測量，克服了缺少高精度三向傳感器及測量延遲的問題，使得實時測量精度大大提高。該測量平臺內部緊湊，沒有活動部件，剛度較大，測量頻率范圍較寬。

(2)本發(fā)明的測量平臺通過對平臺結構優(yōu)化，設計了多達20個傳感器安裝接口，可以通過不同的測量環(huán)境確定最合適測試方案，提高了測量平臺的適應性及測量精度。

(3)本發(fā)明的測量平臺通過合理調節(jié)螺栓的預緊力，實現(xiàn)了信號的放大并可以進行具有較大質量擾動源的實際運行條件下的精確測量，提高了測量的可靠性。

(4)本發(fā)明的測量平臺的基頻可以達到800Hz以上，提高了該測量平臺測量的有效范圍，可以滿足某些擾動源的高剛度測量要求。

(5)本發(fā)明的測量平臺通過對結構的優(yōu)化設計，負載盤、傳感器與底座、底板及外框相互為過約束連接，有效地提高了結構基頻。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

圖1為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的內部結構示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的剖面圖；

圖4為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的局部示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的一階基頻位移云圖；

圖6為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的單脈沖激勵下測量得到的信號與實際值的對比圖。

圖中的附圖標記表示為：

1-底板、2-底座、3-負載盤、4-外框、5-沿Z向安裝的壓電力傳感器、6-沿X及Y向安裝的壓電力傳感器、7-數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做以詳細說明。

參見圖1-4，本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺，包括：底板1、底座2、負載盤3、外框4、沿Z向安裝的壓電力傳感器5、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)7；所述沿Z向安裝的壓電力傳感器5位于底座2上表面和負載盤3下表面之間，通過螺栓壓緊提供預緊力，測量Z方向的振動力和X、Y方向的振動力矩；所述沿Z向安裝的壓電力傳感器5以線對稱的方式安裝在負載盤3下表面預留的突臺位置上，其個數(shù)至少為4個，至多為8個；所述沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6通過螺栓固定在外框4及負載盤3側面上，其安裝方向與Z軸呈空間垂直關系，以保證其能測量繞Z軸的振動力矩，同時螺栓擰緊在負載盤3的側面，以測量X、Y方向的振動力和Z方向的振動力矩；所述沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6以角對稱的方式安裝在負載盤3側面凹槽位置，其個數(shù)至少為4個，至多為12個；所述外框4通過螺釘固定在底板1的下表面；所述底座2通過螺栓固定在底板1上；

當微小振動源產生振動時，沿Z向安裝的壓電力傳感器5、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6產生電壓信號輸出，通過信號傳輸線與數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)7相連，將高阻抗輸入信號變換為低阻抗輸出，并放大壓電元件的微弱電信號，最終通過對電信號的分析處理，轉化為三個微小振動力信號和三個微小振動力矩信號，以此為基礎可以準確分析出微小振動源的振動特性。

所述的沿Z向安裝的壓電力傳感器5、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6由壓電力傳感器絕緣外殼及兩片壓電力傳感器壓電陶瓷組成，與數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)7構成差分電路系統(tǒng)，提高信號信噪比。

所述的沿Z向安裝的壓電力傳感器5可在多個不同位置安裝，最多可以安裝8個，并可自由組合安裝位置及數(shù)量；沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6可在多個不同位置安裝，最多可以安裝12個，并可自由組合安裝位置及數(shù)量，以搭配不同的使用需求。所述的沿Z向安裝的壓電力傳感器5、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6的固定螺栓必須在強度允許的范圍內通過力矩扳手以對稱的方式等力矩擰緊，以提高壓電力傳感器的測量精度。

所述的沿Z向安裝的壓電力傳感器5、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)7，通過負反饋放大電路的設計，把壓電材料的高阻抗輸入變換為低阻抗輸出，放大了壓電元件的微弱電信號，克服了壓電式力傳感器低頻響應特性差及零漂等缺點。

實施例1

底板1及底座2為鋼板機構，負載盤3的橫截面形狀為正方形，材料為合金鋼，振動源安裝在負載盤3的上表面，負載盤3上表面均勻分布16個螺紋孔。沿Z向安裝的壓電力傳感器5分布在負載盤3下表面四個角預留的突臺位置上，且位置可以根據(jù)實際測量環(huán)境自由選擇確定，可以測量Z方向的振動力和X、Y方向的振動力矩，其個數(shù)為4個。沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6分布在負載盤3側面的四周凹槽位置，且位置可以根據(jù)實際測量環(huán)境自由選擇確定，可以測量X、Y方向的振動力和Z方向的振動力矩，其個數(shù)為4個。

底板1及底座2通過螺栓連接，底座2上部為方形鋼制結構，用以與負載盤3通過螺栓連接；底板1用以與地基連接，沿Z向安裝的壓電力傳感器5安裝位置分布在底座2及負載盤3預留的突臺位置，沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6安裝位置分布在負載盤3側面凹槽位置。整個結構要保證其剛度滿足動態(tài)測試要求。

將所述高精度高剛度六維力測量平臺安裝在地基上，將微小振動源試件安裝在負載盤3上，檢查沿Z向安裝的壓電力傳感器5、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6的信號是否正常，之后運行微小振動源，使其產生振動，從而使沿Z向安裝的壓電力傳感器5、沿X及Y向安裝的壓電力傳感器6產生電壓信號，該電壓信號通過數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)7轉化為三個微小振動力信號和三個微小振動力矩信號，以此為基礎可以準確分析出微小振動源的振動特性。

數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)7由數(shù)據(jù)采集箱和計算機組成，數(shù)據(jù)采集箱將壓電力傳感器得到的電壓信號轉化為數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)線輸入到計算機中，計算機將數(shù)字信號進行分析和運算，最終得到微小振動力的信號。

圖5為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的一階基頻位移云圖，該圖是單脈沖激勵下系統(tǒng)采集到得傳遞函數(shù)，由圖5可以看到，在單脈沖激勵下，各壓電力傳感器的響應信號為典型的寬頻信號，說明本發(fā)明測量平臺的測量是有效的。圖6為本發(fā)明提供的高精度高剛度六維力測量平臺的單脈沖激勵下測量得到的信號與實際值的對比圖，看出是將圖5中八個壓電力傳感器的電壓信號轉換為三個力信號和三個力矩信號與實際值相比精度較高。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。