本發(fā)明涉及一種振動(dòng)加速度測(cè)量裝置，尤其是一種六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品和大型設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)都采用一維振動(dòng)方式。然而，一些已經(jīng)按照標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)了一維振動(dòng)試驗(yàn)的軍用設(shè)備，在外場(chǎng)或服役階段的多維復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中仍然會(huì)出現(xiàn)故障。實(shí)際上，設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境往往包含多維振動(dòng)分量，只有用多軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)才能更有效地模擬設(shè)備的真實(shí)動(dòng)力學(xué)環(huán)境，暴露設(shè)備在單軸激勵(lì)振動(dòng)方式下不易被發(fā)現(xiàn)的缺陷和隱患。上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始注意到模擬真實(shí)多維振動(dòng)環(huán)境的必要性，并已著手多軸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的研究。在美軍標(biāo)MIL-STD-810G中的“方法527”提出了一種多維振動(dòng)試驗(yàn)方法。然而，多維振動(dòng)環(huán)境特征的識(shí)別以及多維振動(dòng)響應(yīng)特征的分析研究等均需要用到多維振動(dòng)加速度傳感器，用于測(cè)量多維振動(dòng)信號(hào)。因此，發(fā)明一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置就顯得十分必要。

當(dāng)前，還沒(méi)有現(xiàn)成的通用裝置可以測(cè)量角加速度參數(shù)，如果采用角位移傳感器進(jìn)行測(cè)量則存在體積大、安裝困難、頻率范圍受限等問(wèn)題，而且，通過(guò)對(duì)角位移進(jìn)行兩次微分來(lái)求角加速度不可避免地會(huì)產(chǎn)生計(jì)算誤差。近年來(lái)，加速度傳感器技術(shù)和性能的不斷提高，為傳感器空間陣列測(cè)試技術(shù)工程化應(yīng)用提供了條件?，F(xiàn)有研究通常采用六加速度傳感器、九加速度傳感器、十二加速度傳感器以及一些其他構(gòu)型的傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)六自由度振動(dòng)的測(cè)量。

因此，需要借鑒無(wú)陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的相關(guān)技術(shù)，將傳感器空間陣列測(cè)試技術(shù)運(yùn)用到振動(dòng)環(huán)境中，可以有效地對(duì)較高頻率下的多維線振動(dòng)與角振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量。即，通過(guò)多個(gè)三向加速度傳感器的空間陣列技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、動(dòng)態(tài)性能好的加速度測(cè)量裝置，可以實(shí)現(xiàn)多維振動(dòng)環(huán)境和多維振動(dòng)響應(yīng)特征的測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要提供一種六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置，該裝置采用一種由一個(gè)空間轉(zhuǎn)接頭、四個(gè)三向加速度傳感器和一個(gè)配重件組成的六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置，適用于多維振動(dòng)環(huán)境中三個(gè)線加速度和三個(gè)角加速度的同步測(cè)試，也可以應(yīng)用于多維振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)、多維振動(dòng)響應(yīng)特征以及多維振動(dòng)傳遞特性分析等方面的研究。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置，用于復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中多維振動(dòng)量的測(cè)量以及結(jié)構(gòu)多維振動(dòng)分析，該裝置具有一個(gè)一體化的空間轉(zhuǎn)接頭，四個(gè)三向加速度傳感器和一個(gè)配重件，所述四個(gè)三向加速度傳感器分別安裝在空間轉(zhuǎn)接頭的豎直分叉梁和三根水平分叉梁上，其中，一根水平分叉梁后部延伸端安裝一個(gè)配重件，用于調(diào)節(jié)測(cè)量裝置關(guān)于垂直中心軸的幾何對(duì)稱性，所述豎直分叉梁下端固定在底座上。

所述底座通過(guò)膠水或磁性連接件安裝在被測(cè)件表面，豎直分叉梁和水平分叉梁之間通過(guò)筋板加固。

所述水平分叉梁和豎直分叉梁內(nèi)具有鏤空部分，用于有效降低空間轉(zhuǎn)接頭的重量。

四個(gè)三向加速度傳感器組成陣列，保證安裝在同一坐標(biāo)軸的敏感方向的正交性，三向加速度傳感器的三個(gè)敏感軸與絕對(duì)坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)軸平行。

所述配重件位于測(cè)量裝置的Y軸負(fù)方向，使測(cè)量裝置的重量同時(shí)關(guān)于OXZ平面和OYZ平面對(duì)稱。

所述六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置用于0-200Hz頻率范圍內(nèi)的六自由度振動(dòng)環(huán)境的測(cè)量。

本發(fā)明的有益效果是：

六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置通過(guò)三向加速度傳感器的空間陣列技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多維振動(dòng)環(huán)境中線加速度和角加速度的同步測(cè)量。通過(guò)該發(fā)明中的方法，可以設(shè)計(jì)出重量小、剛度大的空間轉(zhuǎn)接頭，這保證了該測(cè)量裝置的振動(dòng)測(cè)試頻率范圍。六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置中四個(gè)傳感器均分布在裝置底座的一側(cè)，而在另一側(cè)未布置傳感器，這便于測(cè)量裝置在實(shí)際振動(dòng)環(huán)境中的安裝與移動(dòng)。空間轉(zhuǎn)接頭中的結(jié)構(gòu)薄弱部位均設(shè)計(jì)有筋板，這可以大幅提高空間轉(zhuǎn)接頭的剛度。在不影響轉(zhuǎn)接頭剛度的前提下，對(duì)空間轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行鏤空處理，這可以有效地降低轉(zhuǎn)接頭的重量。六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置中安裝設(shè)計(jì)了配重件，這保證了測(cè)量裝置的重量在靜態(tài)時(shí)關(guān)于中心軸對(duì)稱，這提高了不同傳感器之間振動(dòng)信號(hào)一致性的同時(shí)，也保證了裝置在測(cè)量過(guò)程中的平衡能力。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置具有測(cè)量頻率范圍寬、重量輕、安裝便捷以及測(cè)量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工程上具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的三維模型圖；

圖2A為六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置主視圖；

圖2B為六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置俯視圖；

圖3為三向加速度傳感器空間陣列方案圖；

圖4A為空間轉(zhuǎn)接頭一階模態(tài)及其振型；

圖4B為空間轉(zhuǎn)接頭二階模態(tài)及其振型；

圖4C為空間轉(zhuǎn)接頭三階模態(tài)及其振型；

圖4D為空間轉(zhuǎn)接頭四階模態(tài)及其振型

圖5為空間轉(zhuǎn)接頭加速度傳遞率曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置，如圖1所示，用于復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中多維振動(dòng)量的測(cè)量以及結(jié)構(gòu)多維振動(dòng)分析技術(shù)的研究。六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的主體結(jié)構(gòu)為一個(gè)一體化的空間轉(zhuǎn)接頭，四個(gè)三向加速度傳感器和一個(gè)配重件剛性地安裝在空間轉(zhuǎn)接頭上。該發(fā)明通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有高振動(dòng)模態(tài)的空間轉(zhuǎn)接頭，保證裝置具有較寬的振動(dòng)測(cè)量頻率范圍?？臻g轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行鏤空和局部加筋處理，這大大提高了轉(zhuǎn)接頭模態(tài)的同時(shí)也降低了轉(zhuǎn)接頭的重量。全部加速度傳感器布置在空間的一側(cè)(即，裝置底座的一側(cè))，而另一側(cè)沒(méi)有布置傳感器，這便于測(cè)量裝置在復(fù)雜環(huán)境中的安裝與移動(dòng)?；趧傮w動(dòng)力學(xué)理論，利用三向傳感器的加速度信號(hào)，并通過(guò)空間幾何結(jié)構(gòu)的換算關(guān)系，得到多維振動(dòng)環(huán)境測(cè)點(diǎn)處的六自由度振動(dòng)加速度。

本發(fā)明使用四個(gè)三向加速度傳感器組成空間陣列的方案，減少了陣列中傳感器的個(gè)數(shù)，保證了安裝在同一坐標(biāo)軸的敏感方向的正交性，也便于在狹小空間中的安裝。六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的性能取決于其中空間轉(zhuǎn)接頭的幾何和性能參數(shù)，在轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮其尺寸、重量和剛度等參數(shù)。1)空間轉(zhuǎn)接頭尺寸方面，由于測(cè)點(diǎn)角加速度是有兩個(gè)傳感器位置處的線加速度以及這兩個(gè)位置的相對(duì)距離換算得到，在傳感器分辨率不變的情況下，轉(zhuǎn)接頭的尺寸越大(即兩個(gè)傳感器之間的相對(duì)距離越大)，則裝置的角加速度測(cè)量精度越高。然而，受限于真實(shí)多維振動(dòng)環(huán)境的安裝空間，測(cè)量裝置的尺寸又不能過(guò)大。2)空間轉(zhuǎn)接頭剛度方面，由于三向加速度傳感器安裝在轉(zhuǎn)接頭的端部，轉(zhuǎn)接頭底座處的振動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)接頭向四個(gè)傳感器位置傳遞，在振動(dòng)測(cè)量頻率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動(dòng)傳遞特性不應(yīng)顯著變化，這要求空間轉(zhuǎn)接頭的剛度應(yīng)足夠大，即轉(zhuǎn)接頭的一階模態(tài)應(yīng)大于振動(dòng)測(cè)量頻率上限的三倍。3)轉(zhuǎn)接頭重量方面，六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置安裝在多維振動(dòng)環(huán)境中，測(cè)量裝置的重量越重，則其對(duì)原有振動(dòng)環(huán)境的多維振動(dòng)響應(yīng)特征的影響越大。此外，考慮到測(cè)量裝置的便攜性，六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的重量不應(yīng)過(guò)大。4)六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置中四個(gè)三向加速度傳感器采用商業(yè)化的高精度傳感器產(chǎn)品。傳感器的選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮其加速度分辨率，這是由于受限于測(cè)量裝置的尺寸，測(cè)量裝置所能測(cè)量的角加速度分辨率一般為線加速度分辨率的10％～20％，這對(duì)于角加速度較小的振動(dòng)環(huán)境，測(cè)量裝置的角加速度測(cè)試能力將大打折扣。

如圖2A和圖2B所示，四個(gè)三向加速度傳感器(1a、1b、1c和1d)分別安裝在裝置中的豎直分叉梁2a和三根水平分叉梁2b上，裝置中的豎直分叉梁和水平分叉梁之間由筋板2c加固，裝置的底座2d通過(guò)膠水或磁性連接件安裝在被測(cè)件表面，配重件3用于調(diào)節(jié)測(cè)量裝置關(guān)于垂直中心軸的幾何對(duì)稱性，提高裝置的安裝穩(wěn)定性。該裝置實(shí)現(xiàn)六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量的方式如下：

(一)傳感器陣列型式

本項(xiàng)目使用四個(gè)三向加速度傳感器組成陣列的方案，減少了陣列中傳感器的使用個(gè)數(shù)，保證了安裝在同一坐標(biāo)軸的敏感方向的正交性，在狹小振動(dòng)環(huán)境空間中也便于安裝。六自由度加速度測(cè)量裝置中加速度傳感器的陣列方案如圖3所示，其中，O-XYZ表征實(shí)際被測(cè)多維振動(dòng)環(huán)境坐標(biāo)系(絕對(duì)坐標(biāo)系)，A_i-a_ixa_iya_iz為三向加速度傳感器坐標(biāo)系(相對(duì)坐標(biāo)系)。A₁、A₂、A₃和A₄表示四個(gè)三向加速度傳感器，傳感器位置距離原點(diǎn)O或O’的距離分別為O’A₁＝l₁、O’A₂＝l₂、O’A₃＝l₃和OA₄＝l₄，O’O＝h，三向加速度傳感器的三個(gè)敏感軸與絕對(duì)坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)軸平行。

(二)振動(dòng)參數(shù)的解耦

以A表示加速度傳感器的十二個(gè)敏感軸上測(cè)量到的加速度信號(hào)，設(shè)l₁＝l₂＝l₃＝l₄＝l。假設(shè)絕對(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O(即振動(dòng)環(huán)境中的被測(cè)點(diǎn))的三軸六自由度加速度信號(hào)已知的情況下，由剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論知識(shí)，六自由度加速度測(cè)量裝置中四個(gè)三向加速度傳感器的加速度信號(hào)A_i可以表示為

式中，A_i為第i個(gè)三向傳感器沿X、Y和Z軸的加速度信號(hào)向量，θ_i為第i個(gè)傳感器的敏感軸的方向矩陣；為絕對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)O的線加速度向量；Ω和分別為絕對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)O的運(yùn)動(dòng)角位移和角速度反對(duì)稱矩陣；L_i為第i個(gè)傳感器在絕對(duì)坐標(biāo)系中安裝的空間位置向量。具體地

三向加速度傳感器信號(hào)向量、安裝位置向量及敏感方向矩陣如表1所示。

表1傳感器安裝位置及敏感方向

假設(shè)h＝l/2，將L_i和i代入式(1)后得到被測(cè)點(diǎn)O沿X、Y和Z軸的線加速度與三向加速度傳感器輸出信號(hào)之間的關(guān)系為：

被測(cè)點(diǎn)O繞X、Y和Z軸的角加速度與三向加速度傳感器輸出信號(hào)之間的關(guān)系為：

由式(3)和式(4)可知，通過(guò)檢測(cè)六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置上四個(gè)三向加速度傳感器的信號(hào)，可以換算得到多維振動(dòng)環(huán)境被測(cè)點(diǎn)處的三個(gè)線加速度和三個(gè)角加速度。

(三)靜力分析

所設(shè)計(jì)的空間轉(zhuǎn)接頭的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)于如圖3所示的OXZ平面非對(duì)稱，為了消除結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性對(duì)六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)均衡性造成影響，在測(cè)量裝置的Y軸負(fù)方向安裝配重件，使測(cè)量裝置的重量同時(shí)關(guān)于OXZ平面和OYZ平面對(duì)稱。配重件形狀和重量的選擇通過(guò)靜力仿真分析來(lái)確定。

(四)動(dòng)態(tài)分析

六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的測(cè)量頻率范圍的大小主要取決于測(cè)量裝置中空間轉(zhuǎn)接頭的剛度，轉(zhuǎn)接頭剛度越大，則測(cè)量裝置的振動(dòng)測(cè)試頻帶越寬。本發(fā)明利用有限元仿真軟件，對(duì)空間轉(zhuǎn)接頭開(kāi)展模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)接頭的一階振動(dòng)模態(tài)的振型如圖4A所示，主要為水平分叉梁的彎曲運(yùn)動(dòng)，固有頻率為642Hz，二階振動(dòng)模態(tài)的振型如圖4B所示，主要為轉(zhuǎn)接頭在水平分叉梁所在平面內(nèi)的反對(duì)稱彎曲運(yùn)動(dòng)，固有頻率為710Hz，三階振動(dòng)模態(tài)的振型如圖4C所示，主要為轉(zhuǎn)接頭在水平分叉梁所在平面內(nèi)的對(duì)稱彎曲運(yùn)動(dòng)，固有頻率為744Hz，四階振動(dòng)模態(tài)的振型如圖4D所示，主要為水平分叉梁的彎曲運(yùn)動(dòng)，固有頻率為899Hz。

進(jìn)一步地，通過(guò)有限元軟真軟件中的諧波分析模塊，分析振動(dòng)在六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的傳遞特征。利用力錘，在六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的底座(即多維振動(dòng)環(huán)境測(cè)點(diǎn)所在位置)上施加錘擊力，分別測(cè)量裝置底座和水平分叉梁端部(三向傳感器所在位置)的加速度信號(hào)，并分析兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處加速度的傳遞特性，傳遞率結(jié)果如圖5所示。由圖可知，在0-200Hz頻率范圍內(nèi)，加速度傳遞率接近1，即被測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)幾乎毫無(wú)損失或放大地傳遞三向加速度傳感器位置。而從200Hz開(kāi)始，測(cè)量裝置的加速度傳遞率逐漸變大，即被測(cè)點(diǎn)處的真實(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量裝置的傳遞后失真幅度變大?？傊?，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置適用于0-200Hz頻率范圍內(nèi)的六自由度振動(dòng)環(huán)境的測(cè)量。

(五)加工技術(shù)

空間轉(zhuǎn)接頭的材料選取6061硬鋁。為了保證六自由度振動(dòng)加速度測(cè)量裝置的幾何尺寸以及動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)接頭不應(yīng)為裝配件，而應(yīng)為通過(guò)線切割等高精度加工方式所形成的一體件。轉(zhuǎn)接頭的整體結(jié)構(gòu)框架以及轉(zhuǎn)接頭上水平分叉梁和豎直分叉梁中的鏤空部位通過(guò)線切割加工方式，水平分叉梁和豎直分叉梁之間拐角處的筋板通過(guò)加工中心處理而成?？臻g轉(zhuǎn)接頭表面去毛刺，直角邊倒角。