PSD传感器的铰接板弯曲和扭转振动测量装置与方法

摘要

本发明公开了一种PSD传感器的铰接板弯曲和扭转振动测量装置与方法。该装置包括铰接板本体部分和检测部分。铰接板结构由三块柔性板通过铰链连接在一起，在铰接柔性板固定基座安装一个激光发射器，二维PSD安装在铰接板末端边缘处。当铰接板振动时，二维PSD随着铰接板的振动而运动，激光发射器在二维PSD上产生的光斑位置也随之变化，二维PSD检测到变化信息后传输到计算机，计算机经过解耦运算分别得到铰接板弯曲和扭转的小幅值振动测量参数，用于振动分析或控制。本发明实现了铰接板结构弯曲和扭转振动在检测上的解耦。

说明书

技术领域

本发明涉及大型柔性结构振动检测，特别涉及一种PSD传感器的铰接板弯曲和扭转振动测量装置与方法，具体说是提供一种针对模拟柔性铰接多块板的太阳能帆板结构，应用激光PSD传感系统实现弯曲和扭转模态振动检测的装置和方法。 

背景技术

航天器的太阳能帆板结构在航天器发射前必须折叠装载，入轨后再展开。有些太阳能帆板是铰链连接的可展开的多体连接结构，这些太阳能帆板结构具有如下特点：一是质量轻，跨度大，二是帆板与帆板，帆板与航天器之间构成多体连接运动系统。这些特点导致其具有频率低、阻尼弱、低频模态密集等复杂动力学特性。这些动力学特性导致了扰动可能激起太阳能帆板结构发生复杂的振动。现有技术中，研究模拟太阳能帆板结构的弯曲模态和扭转模态振动控制，一般忽略连接铰链的作用，将太阳能帆板简化成柔性板或柔性梁结构。现有技术针对柔性悬臂板结构测量由采用压电片、加速度传感器和角速率陀螺等通过优化配置实现弯曲和扭转模态在检测和驱动上解耦，进行振动主动控制。但是压电陶瓷材料为脆性材料，材料的强度和疲劳寿命以及太空环境温度等影响，所以应用上受到一定的限制；加速度传感器的测量噪声相对较大，这需要对振动信号进行滤波处理，并且加速度传感器信号和角速度陀螺检测的振动信号还耦合航天器本体的加速度和角速率信号，在实际应用中还需要将航天器本体的信号解耦掉。并且，加速传感器的带宽限制，对于低频小幅值振动的检测将引入较大误差，影响测量精度。 

  

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种PSD传感器的铰接板弯曲和扭转振动测量装置与方法。 

为达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案： 

所述的PSD传感器的铰接板弯曲和扭转振动测量装置与方法，该装置包括铰接板本体部分、检测部分；

——铰接板本体部分包括：

柔性板Ⅰ3的一端通过机械支架夹持装置与基座固定为悬臂板，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ5通过铰链Ⅰ4和铰链Ⅱ11连接，柔性板Ⅱ5和柔性板Ⅲ7通过铰链Ⅲ6和铰链Ⅳ10连接；柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ5、柔性板Ⅲ7通过铰链连接构成铰接板；

激光发射器2通过支架Ⅰ1安装在基座上，二维PSD传感器8通过支架Ⅱ9安装在柔性板Ⅲ7的一端，激光发射器2的光轴线对准铰接板静止时的二维PSD传感器8的光敏面中心；

——检测部分包括：

激光发射器2通过支架Ⅰ1安装在基座上，二维PSD传感器8检测激光发射器2发射的激光在二维PSD传感器8光敏面中心点产生光斑的位置变化信号，二维PSD传感器8将变化信号传输到PSD传感器信号处理卡15处理后，经过A/D数据采集卡12后输入到计算机13，计算机13与显示器14连接。

所述装置进行测量的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤： 

第一步 二维PSD传感器8检测激光发射器2发射的激光在光敏面上的位置变化，二维PSD传感器8的四个电极产生相应的变化电信号传输到PSD传感器信号处理卡15处理，再经过A/D数据采集卡12后输入到计算机13；

第二步计算机13根据二维PSD传感器的电流—位置坐标计算公式得到激光的位置坐标，再通过如下解耦运算得到铰接板的扭转角度 和弯曲变形量；

所述铰接板末端扭转角度与光斑位置坐标、铰接板末端弯曲变形量的几何关系为：

                                                    

                                                

由上式得到扭转角度为：

铰接板末端弯曲变形量为：

式中：为检测到的光斑位置横向坐标，为检测到的光斑位置纵向坐标，为铰接板宽度方向中线到二维PSD传感器有效区域中心的距离。

附图说明

图1是本发明PSD传感器的铰接柔性板弯曲和扭转振动测量装置总体结构示意图， 

图2是图1中铰接柔性板末端二维PSD左视图，

图3是铰接柔性板弯曲模态和扭转模态解耦原理图。

图中示出：1—支架Ⅰ，2—激光发射器，3—柔性板Ⅰ，4—铰链Ⅰ，5—柔性板Ⅱ，6—铰链Ⅲ，7—柔性板Ⅲ，8—二维PSD传感器，9—支架Ⅱ，10—铰链Ⅳ，11—铰链Ⅱ，12—A/D数据采集卡，13—计算机，14—显示器，15—PSD传感器信号处理卡。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。 

  

实施例

如图1所示，一种PSD传感器的铰接板弯曲和扭转振动测量装置包括铰接板本体部分、检测部分； 

铰接板本体部分包括：

柔性板Ⅰ3的一端通过机械支架夹持装置与基座固定为悬臂板，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ5通过铰链Ⅰ4和铰链Ⅱ11连接，柔性板Ⅱ5和柔性板Ⅲ7通过铰链Ⅲ6和铰链Ⅳ10连接，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ5、柔性板Ⅲ7通过铰链连接构成铰接板；

激光发射器2通过支架Ⅰ1安装在基座上，二维PSD传感器8通过支架Ⅱ9安装在柔性板Ⅲ7的一端，激光发射器2的光轴线对准铰接板静止时的二维PSD传感器8的光敏面中心；

检测部分：激光发射器2作为光源产生光束不受铰接板变形和振动的影响，二维PSD传感器8检测铰接板末端边缘的振动信号，经PSD传感器信号处理卡15处理后，通过A/D数据采集卡12输入到计算机处理后得到铰接板的弯曲模态和扭转模态振动信息，并在显示器上实时显示出来。

所述装置进行测量的方法，包括如下步骤： 

第一步 二维PSD传感器8检测激光发射器2发射的激光在光敏面上的位置变化，二维PSD传感器8的四个电极产生相应的变化电信号传输到PSD传感器信号处理卡15处理，再经过A/D数据采集卡12后输入到计算机13；

第二步 计算机13根据二维PSD传感器的电流—位置坐标计算公式得到激光的位置坐标，再通过如下解耦运算得到铰接板的扭转角度和弯曲变形量；

所述铰接板末端扭转角度与光斑位置坐标、铰接板末端弯曲变形量的几何关系为：

                                                    

                                                

由上式得到扭转角度为：

铰接板末端弯曲变形量为：

式中：为检测到的光斑位置横向坐标，为检测到的光斑位置纵向坐标，为铰接板宽度方向中线到二维PSD传感器有效区域中心的距离。

如附图2所示图1中铰接柔性板末端二维PSD左视图，当铰接柔性板被激励弯曲和扭转模态振动时，二维PSD传感器8检测激光发射器2发射的光斑在其光敏面的坐标位置发生变化，二维PSD传感器检测到这种位置变化后在四个电极产生电信号，这些电信号经过进一步处理后送入计算机，由计算机计算得到得到光斑的位置信息，所述型号为S1881的枕形结构二维PSD传感器的电流—位置坐标计算公式如下： 

式中为二维PSD传感器光敏面有效区域边长，分别为各电极电流大小。

所选二维PSD型号为S1881，其有效感光面为22mm×22mm，应保证所激发振动的幅值小于11mm；对于幅值大于11mm的振动，则可以通过加速度计或压电片传感器通过优化配置实现弯扭模态的检测。 

如图3所示，X0—Y0为基座坐标系，其原点为铰接板初始未振动时PSD光敏面有效区域中心，X1—Y1为假设仅发生扭转变形时与PSD传感器固定的辅助坐标系，X2—Y2为同时发生扭转和弯曲变形时与PSD传感器固定的坐标系； 

当铰接柔性板被激励弯曲和扭转模态振动时，二维PSD传感器8检测激光发射器2发射的光斑在其平面的坐标位置发生变化，二维PSD传感器检测到这种位置变化后在四个电极产生电信号，这些电信号经过进一步处理后得到光斑的位置信息，所述型号为S1881的枕形结构二维PSD传感器的电流—位置坐标计算公式如下：

式中为二维PSD传感器光敏面有效区域边长，分别为各电极电流大小。

检测得到光斑在此坐标系中坐标为，可得铰接板末端扭转角度与坐标以及铰接板末端弯曲变形量几何关系为： 

可以求解得到扭转角度为：

得到扭转角度后，便可求解得到铰接板末端弯曲变形量为：

同时可算得二维PSD传感器平面中心因扭转产生的位移为：

以上式中：为检测到的光斑位置横向坐标，为检测到的光斑位置纵向坐标，为铰接板宽度方向中线到二维PSD传感器有效区域中心的距离，为板宽的二分之一。

图1中得虚线连接表示电信号与信号处理装置的连接图。 

在本实施例中，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ5、柔性板Ⅲ7的材料可选用环氧树脂材料薄板，其几何尺寸可选850mm×1100mm×3mm，即图1所示的水平方向长度为850mm，竖直方向为1100mm，厚度为3mm。二维PSD传感器8可选用Hamamatsu公司生产的二维PSD传感器，型号S1881，有效感光面为22mm×22mm。在具体应用中，可以根据需要的测量范围选用PSD型号。PSD传感器信号处理卡15为PSD信号放大电路，通过它可以得到放大电路的输出电压与光点在PSD上位置的计算关系。A/D数据采集卡12可选用台湾研华科技公司生产的型号为PCL-818HDA/D转换数据采集卡；计算机13可选用台湾研华IPC610机箱，PCA-6006主板，生产单位：台湾研华科技公司。