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基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置與方法，該裝置包括柔性板、機(jī)械支架夾持裝置、激光位移傳感器、ARM開(kāi)發(fā)板、壓電放大電路、彎曲模態(tài)及扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器、電阻應(yīng)變片傳感器、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、計(jì)算機(jī)等，柔性板通過(guò)機(jī)械夾緊裝置一端固定，板上粘貼有多片壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)器和電阻應(yīng)變片傳感器，并且正對(duì)面安裝有激光位移傳感器。本發(fā)明利用激光位移傳感器的振動(dòng)檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)檢測(cè)的解耦，可以動(dòng)態(tài)標(biāo)定電阻應(yīng)變片的測(cè)量值，再結(jié)合運(yùn)行主動(dòng)控制算法，經(jīng)壓電放大電路將控制量施加在壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電板結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主動(dòng)控制目的。
【專利說(shuō)明】基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及柔性板結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于激光位移傳感器的 壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，航天器需要的能量越來(lái)越大，需要的太陽(yáng)能帆板的面 積也就越大。為降低發(fā)射成本，太陽(yáng)能帆板結(jié)構(gòu)通常采用輕質(zhì)材料制造以降低結(jié)構(gòu)重量。 這類大型柔性結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼小，高階且低頻密集，特別在太空運(yùn)動(dòng)中，存在環(huán)境擾動(dòng)條件 下，其大幅度的振動(dòng)要延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，這導(dǎo)致由此帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越突出。如果沒(méi)有采 用恰當(dāng)?shù)臋z測(cè)控制方法對(duì)太陽(yáng)能帆板的振動(dòng)進(jìn)行抑制，將會(huì)對(duì)航天器的在軌運(yùn)行帶來(lái)許多 問(wèn)題，如影響航天器的姿勢(shì)穩(wěn)定度和指向精度，縮短航天器壽命，甚至造成太陽(yáng)能帆板結(jié)構(gòu) 的破壞，使航天器失效。因此，如太陽(yáng)能帆板這類大型柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)的檢測(cè)控制就成為了當(dāng) 今世界普遍關(guān)注而富有挑戰(zhàn)性的重要課題和難點(diǎn)。針對(duì)航天器太陽(yáng)能帆板這種柔性結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)檢測(cè)控制，為保證其工作穩(wěn)定性，必須使它們具有自適應(yīng)性和主動(dòng)控制能力，近年來(lái)發(fā) 展起來(lái)的各種傳感器和智能結(jié)構(gòu)控制技術(shù)對(duì)太陽(yáng)能帆板的振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)控制提供了思路。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，研究模擬太陽(yáng)能帆板結(jié)構(gòu)的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)檢測(cè)，一般使 用接觸式測(cè)量傳感器，比如使用加速度傳感器安裝在柔性板上測(cè)量柔性板的彎曲和扭轉(zhuǎn)振 動(dòng)，加速度傳感器具有頻帶寬，質(zhì)量小，安裝方便，接線少、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)柔性板 產(chǎn)生附加質(zhì)量，會(huì)改變?nèi)嵝园褰Y(jié)構(gòu)特性，同時(shí)包含大量的測(cè)量噪聲，所以基于加速度傳感器 的反饋控制的信號(hào)需要濾波處理。一般使用壓電陶瓷片傳感器測(cè)量彎曲振動(dòng)信號(hào)，壓電陶 瓷具有響應(yīng)快，頻帶寬，線性度好，容易加工等特點(diǎn)，但是壓電陶瓷片需要粘貼在柔性板上， 也會(huì)產(chǎn)生附加質(zhì)量和改變?nèi)嵝园褰Y(jié)構(gòu)特性，而且壓電陶瓷片不能測(cè)量靜態(tài)信號(hào)，只能用于 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量。 申請(qǐng)人:申請(qǐng)的相關(guān)專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810027187. 9中，發(fā)明名稱："基 于加速度傳感器的撓性懸臂板振動(dòng)控制裝置與控制方法"中，利用兩個(gè)加速度傳感器和壓 電驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)了撓性柔性板的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)控制上的解 耦，從而實(shí)現(xiàn)撓性板多彎曲和多扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)主動(dòng)抑制的目的。但是在該申請(qǐng)專利中利用 加速度傳感器測(cè)量柔性板的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)柔性板有附加質(zhì)量，會(huì)改變?nèi)嵝园褰Y(jié)構(gòu)特 性，同時(shí)包含大量的測(cè)量噪聲。同時(shí)使用壓電陶瓷片傳感器測(cè)量彎曲振動(dòng)信號(hào)，但是不能測(cè) 量靜態(tài)信號(hào)，只能用于動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于激光位移傳感器的壓電板 振動(dòng)檢測(cè)控制裝置與方法。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置，包括壓電板本體部分、檢 測(cè)部分及驅(qū)動(dòng)控制部分；
[0007] 壓電板本體部分包括
[0008] 柔性板，所述柔性板一端通過(guò)機(jī)械支架夾持裝置固定，另一端自由端；
[0009] 彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器，由多個(gè)壓電陶瓷片構(gòu)成，在柔性板距離固定端5_20mm處， 且位于寬度方向中線兩側(cè)，姿態(tài)角為〇度，對(duì)稱粘帖在前后兩面；
[0010] 扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器，由多個(gè)壓電陶瓷片構(gòu)成，在柔性板長(zhǎng)度方向中線，且關(guān)于寬 度方向中線對(duì)稱，姿態(tài)角為〇度，兩面對(duì)稱粘帖，距離寬度方向上下邊緣30-70mm ;
[0011] 電阻應(yīng)變片傳感器，所述電阻應(yīng)變片傳感器在柔性板距離固定端5-20mm的寬度 方向中線處，姿態(tài)角為0度兩面對(duì)稱粘帖；
[0012] 激光位移傳感器，包括兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭及激光位移傳感器控制器，所 述兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭分別與激光位移傳感器控制器連接，所述兩個(gè)激光位移傳 感器探測(cè)頭分別為第一激光位移傳感器探測(cè)頭及第二激光位移傳感器探測(cè)頭，所述第一激 光位移傳感器探測(cè)頭及第二激光位移傳感器探測(cè)頭位于柔性板自由端的正前方40-200mm 處，并關(guān)于柔性板寬度方向中線對(duì)稱安裝；
[0013] 檢測(cè)部分包括：
[0014] 電阻應(yīng)變片傳感器檢測(cè)柔性板的彎曲振動(dòng)，檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變 儀放大以后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開(kāi)發(fā)板和計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理；
[0015] 第一激光位移傳感器探測(cè)頭和第二激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)柔性板自由端的 位移變化，其檢測(cè)的信號(hào)輸入到激光位移傳感器控制器，再到計(jì)算機(jī)中處理，可分別測(cè)出彎 曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)；
[0016] 驅(qū)動(dòng)控制部分包括：
[0017] 計(jì)算機(jī)得到振動(dòng)信號(hào)后運(yùn)行控制算法得到控制信號(hào)，再把控制信號(hào)傳送至ARM開(kāi) 發(fā)板，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后，再經(jīng)壓電放大電路輸入到彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓 電驅(qū)動(dòng)器，從而控制柔性板的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
[0018] 所述彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器由8片壓電陶瓷片構(gòu)成，柔性板兩面對(duì)稱粘帖，每面4片 且并聯(lián)連接；
[0019] 所述扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器由4片壓電陶瓷片構(gòu)成，柔性板兩面對(duì)稱粘帖，每面2片 且并聯(lián)連接；
[0020] 所述電阻應(yīng)變片傳感器有2片，分別在柔性板的兩面對(duì)稱粘帖，每面一片且并聯(lián) 連接。
[0021] 還包括堅(jiān)直放置直線導(dǎo)軌和水平放置直線導(dǎo)軌，所述兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭 安裝在堅(jiān)直放置直線導(dǎo)軌的兩端，且在堅(jiān)直放置直線導(dǎo)軌上滑動(dòng)，所述堅(jiān)直放置直線導(dǎo)軌 通過(guò)大支架安裝在水平放置直線導(dǎo)軌上。
[0022] 所述水平放置直線導(dǎo)軌水平放置在由沖壓鋼沖壓形成的彎板上。
[0023] 包括如下步驟：
[0024] 第一步采用電阻應(yīng)變片傳感器檢測(cè)柔性板的彎曲振動(dòng)信號(hào)，采用激光位移傳感器 探測(cè)頭檢測(cè)柔性板自由端的位移變化信號(hào)；
[0025] 第二步將第一步電阻應(yīng)變片傳感器檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀處理后，經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開(kāi)發(fā)板，再到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，將第一激光位移傳感器探測(cè)頭和第 二激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)的信號(hào)傳送至激光位移傳感器控制器，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后， 傳送至到ARM開(kāi)發(fā)板，得到相應(yīng)的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制反饋信號(hào)；
[0026] 第三步將第二步得到的控制反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后，再經(jīng)壓電放大電路后 輸入到彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器，從而控制柔性板彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振 動(dòng)。
[0027] 所述激光位移傳感控制器處理后得到彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的位移信號(hào)，具體為：
[0028] 將兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)的信號(hào)相加，得到彎曲振動(dòng)的位移信號(hào)

【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置，其特征在于，包括壓電板本 體部分、檢測(cè)部分及驅(qū)動(dòng)控制部分； 壓電板本體部分包括： 柔性板，所述柔性板一端通過(guò)機(jī)械支架夾持裝置固定，另一端自由端； 彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器，由多個(gè)壓電陶瓷片構(gòu)成，在柔性板距離固定端5-20mm處，且位 于寬度方向中線兩側(cè)，姿態(tài)角為〇度，對(duì)稱粘帖在前后兩面； 扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器，由多個(gè)壓電陶瓷片構(gòu)成，在柔性板長(zhǎng)度方向中線，且關(guān)于寬度方 向中線對(duì)稱，距離柔性板寬度方向的邊緣30-70mm處，兩面對(duì)稱粘帖，姿態(tài)角為0度； 電阻應(yīng)變片傳感器，所述電阻應(yīng)變片傳感器在柔性板距離固定端5-20mm的寬度方向 中線處，姿態(tài)角為〇度，兩面對(duì)稱粘帖； 激光位移傳感器，包括兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭及激光位移傳感器控制器，所述兩 個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭分別與激光位移傳感器控制器連接，所述兩個(gè)激光位移傳感器探 測(cè)頭分別為第一激光位移傳感器探測(cè)頭及第二激光位移傳感器探測(cè)頭，所述第一激光位移 傳感器探測(cè)頭及第二激光位移傳感器探測(cè)頭位于柔性板自由端的正前方40-200mm處，并 關(guān)于柔性板寬度方向中線對(duì)稱安裝； 檢測(cè)部分包括： 電阻應(yīng)變片傳感器檢測(cè)柔性板的彎曲振動(dòng)，檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀放 大以后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開(kāi)發(fā)板和計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理； 第一激光位移傳感器探測(cè)頭和第二激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)柔性板自由端的位移 變化，其檢測(cè)的信號(hào)輸入到激光位移傳感器控制器，再到計(jì)算機(jī)中處理，可分別測(cè)出彎曲振 動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)； 驅(qū)動(dòng)控制部分包括： 計(jì)算機(jī)得到振動(dòng)信號(hào)后運(yùn)行控制算法得到控制信號(hào)，再把控制信號(hào)傳送至ARM開(kāi)發(fā) 板，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后，再經(jīng)壓電放大電路輸入到彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電 驅(qū)動(dòng)器，從而控制柔性板的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置，其特征在于，彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng) 器由8片壓電陶瓷片構(gòu)成，柔性板兩面對(duì)稱粘帖，每面4片且并聯(lián)連接； 所述扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器由4片壓電陶瓷片構(gòu)成，粘貼在柔性板的長(zhǎng)度方向中部，兩 面對(duì)稱粘帖，每面2片且并聯(lián)連接； 所述電阻應(yīng)變片傳感器有2片，分別在柔性板的兩面對(duì)稱粘帖，每面一片且并聯(lián)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置，其特征在于，還包括堅(jiān) 直放置直線導(dǎo)軌和水平放置直線導(dǎo)軌，所述兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭安裝在堅(jiān)直放置直 線導(dǎo)軌的兩端，且在堅(jiān)直放置直線導(dǎo)軌上滑動(dòng)，所述堅(jiān)直放置直線導(dǎo)軌通過(guò)大支架安裝在 水平放置直線導(dǎo)軌上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述水平放置直線導(dǎo)軌水平放置在由沖 壓鋼沖壓形成的彎板上。
5. 應(yīng)用權(quán)利要求1-4之一所述壓電板振動(dòng)檢測(cè)控制裝置進(jìn)行控制的方法，其特征在 于，包括如下步驟： 第一步采用電阻應(yīng)變片傳感器檢測(cè)柔性板的彎曲振動(dòng)信號(hào)，采用激光位移傳感器探測(cè) 頭檢測(cè)柔性板自由端的位移變化信號(hào)； 第二步將第一步電阻應(yīng)變片傳感器檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀處理后，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開(kāi)發(fā)板，再到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，將第一激光位移傳感器探測(cè)頭和第二 激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)的信號(hào)傳送至激光位移傳感器控制器，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，傳 送至到ARM開(kāi)發(fā)板，得到相應(yīng)的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制反饋信號(hào)； 第三步將第二步得到的控制反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后，再經(jīng)壓電放大電路后輸入 到彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器，從而控制柔性板彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光位移傳感控制器處理后得到彎 曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的位移信號(hào)，具體為： 將兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)的信號(hào)相加，得到彎曲振動(dòng)的位移信號(hào) ww = Wi (χ1； γ1； t) +w2 (x2, y2, t) 式中Wl(Xl，yi，t)和％〇^，72,〇分另lj為兩個(gè)激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)的其安裝點(diǎn) (Xp 和（x2, y2)的位移測(cè)量信息，t為時(shí)間； 將第一、第二激光位移傳感器探測(cè)頭檢測(cè)的信號(hào)相減，得到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的位移信號(hào)； wn = Wi (x1; y1; t) -W2 (x2, y2, t)。
【文檔編號(hào)】G01M7/02GK104142125SQ201410353016
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】邱志成, 謝凌波 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)