用于航天器力限控制振动试验的动态力信号处理系统

摘要

本发明公开了一种用于航天器力限控制振动试验的动态力信号处理系统，包括并联设置的多台电荷放大处理器以及与多台电荷放大处理器分别电连接的一台信号合成处理器，电荷放大处理器直接和与其对应数量的压电力传感器连接并给力传感器供电，同时将力传感器输出的电荷信号进行滤波、放大和归一化处理，信号合成处理器将电荷放大处理器传输过来的信号进行运算合成，并进行相应的衰减后进行输出，以达到多个力传感器三坐标合力值和合力矩值的实时输出，电荷放大处理器的输出信号依次通过运算合成器、衰减器后通过输出端子输出，键盘模块为运算合成器及衰减器提供输入指令。本发明实现了多通道动态力参数实时测量和合成以及多个三向力传感器力信号的测量，通过计算得到三个坐标轴向的合力和力矩值，并实时输出。该系统具备测量精度高、可拓展性强的特点，能满足未来航天器力限制控制试验技术实施的需求。

说明书

技术领域

本发明属于航天器力学环境试验领域，具体涉及一种用于航天器力限控制 振动试验实施的动态力信号处理系统。

背景技术

在传统的航天器振动试验中，加速度控制方法得到了广泛应用。然而，该 方法在航天器振动试验过程中发生共振时引起的过试验问题却越来越突出，结 构过试验会造成航天器上安装的天线、太阳翼以及电源、各种敏感器等有效载 荷分系统、部组件甚至是系统主结构等的损坏，降低航天器工作的可靠性和寿 命。

航天器力限制控制振动试验是针对如何避免航天器结构过试验问题进行 的工程应用研究，该试验属于一种采用加速度和平面接口力值限制双重控制方 法，在非共振频率区间使用加速度信号对振动输入条件进行控制，而在共振频 率区间自动转换为振动台与试验件之间平面接口测量的力值进行条件限制控 制，实现对加速度输入的自动下凹，从而可以很好地解决试验件(航天器系统、 分系统)在共振时的过试验问题，较真实地复现出试验件在发射状态下的响应 情况，从而提高航天器力学环境试验验证的有效性和可靠性。

在力限制控制振动试验中，必须首先实现平面接口的动态力参数测量，包 括力值和力矩值两种。通常使用多个压电式三向力传感器通过螺接安装在试验 夹具和试件之间组成测力平台，力信号处理系统就是对测力平台输出的信号进 行放大、衰减、滤波等处理，并可以对多个力信号进行加减乘除处理，得到分 力、合力和力矩值。然而，目前并不存在一种完善的力限控制振动试验中使用 的力信号处理系统以能够准确高效地获得分力、合力和力矩值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将多个压电式三向力传感器的输出信号处理 成力限试验所需的力信号、合力信号和力矩信号的实时测量和处理系统，以完 成力限制振动试验控制实施。解决力限制控制技术实施的关键技术之一。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

本发明的用于航天器力限控制振动试验的动态力信号处理系统，包括并联 设置的多台电荷放大处理器以及与多台电荷放大处理器分别电连接的一台信 号合成处理器，电荷放大处理器直接和与其对应数量的压电力传感器连接并给 力传感器供电，同时将力传感器输出的电荷信号进行滤波、放大和归一化处理， 电荷放大处理器包括放大器、滤波器、按键模块和输出端子，力传感器输出的 电荷信号依次通过放大器、滤波器并通过输出端子输出，按键模块分别对放大 器和滤波器进行按键控制；信号合成处理器将电荷放大处理器传输过来的信号 进行运算合成，并进行相应的衰减后进行输出，信号合成处理器包括运算合成 器、衰减器、键盘模块和输出端子组成，以达到多个力传感器三坐标合力值和 合力矩值的实时输出，电荷放大处理器的输出信号依次通过运算合成器、衰减 器后通过输出端子输出，键盘模块为运算合成器和衰减器提供输入指令。

进一步地，电荷放大处理器可进行传感器灵敏度的连续调节，以适合不同 灵敏度的压电式力传感器。

进一步地，电荷放大处理器可进行力作用点到支点两个力臂距离的输入。

进一步地，信号合成处理器中的键盘模块还连接有显示屏。

进一步地，信号合成器的输出端子输出三个合力和三个合力矩。

进一步地，所述压电力传感器为三向力压电力传感器。

优选地，所述动态力信号处理系统的最大输入电荷为±10⁶pC；最大输出电 压：±10V；灵敏度输入范围：1.00pc/N～9.99pc/N。

优选地，所述动态力信号处理系统的力臂输入范围为1～999mm。

优选地，衰减器的衰减系数范围为1％～99％。

其中，3个通道三坐标方向的力信号加减合成输出：F1、F2、F3；F1、F2、 F3均由任意路力信号加减合成。

其中，3个通道三坐标方向的力矩信号加减合成输出：M1、M2、M3，其 均由任意路力臂信号加减合成。

本发明首次实现了多通道动态力参数实时测量和合成，实现多个三向力传 感器力信号的测量，通过计算得到三个坐标轴向的合力和力矩值，并实时输出。 系统与三向力传感器配套使用，可测得卫星振动试验时接触面的受力情况和各 种力矩，为航天器进行力限制控制试验提供了技术保障。同时，系统具备测量 精度高、可拓展性强的特点，能满足未来航天器力限制控制试验技术实施的需 求。

附图说明

图1为本发明的用于航天器力限控制振动试验的动态力信号处理系统的 系统示意图；

图2为用于本发明的电荷放大处理器的结构示意图；

图3为用于本发明的信号合成处理器的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于航天器力限控制振动试验的动态力信号处 理系统作进一步的说明。这些实施方式都是示例性的，并不旨在限制本发明的 保护范围。

图1是用于航天器力限控制振动试验的动态力信号处理系统。其中，本发 明的用于航天器力限控制振动试验的动态力信号处理系统，包括并联设置的多 台电荷放大处理器以及与多台电荷放大处理器分别电连接的一台信号合成处 理器，电荷放大处理器直接和与其对应数量的压电力传感器(例如为三向压电 力传感器)连接并给力传感器供电，同时将力传感器输出的电荷信号进行滤波、 放大和归一化处理，电荷放大处理器包括放大器、滤波器、按键模块和输出端 子，力传感器输出的电荷信号依次通过放大器、滤波器并通过输出端子输出， 按键模块分别对放大器和滤波器进行按键控制；信号合成处理器将电荷放大处 理器传输过来的信号进行运算合成，并进行相应的衰减后进行输出，信号合成 处理器包括运算合成器、衰减器、键盘模块和输出端子组成，以达到多个力传 感器三坐标合力值和合力矩值的实时输出，电荷放大处理器的输出信号依次通 过运算合成器、衰减器后通过输出端子输出，键盘模块为运算合成器和衰减器 提供输入指令。电荷放大处理器可进行传感器灵敏度的连续调节，以适合不同 灵敏度的压电式力传感器。电荷放大处理器可进行力作用点到支点两个力臂距 离的输入。优选地，信号合成处理器中的键盘模块还连接有显示屏且信号合成 器的输出端子输出三个合力和三个合力矩。其中输出显示6组：F1、F2、F3、 M1、M2、M3；

其中，动态力信号处理系统的最大输入电荷为±10⁶pC；最大输出电压：± 10V；灵敏度输入范围：1.00pc/N～9.99pc/N。动态力信号处理系统的力臂输 入范围为1～999mm。衰减器的衰减系数范围为1％～99％。

在本发明的一实施方式中，3个通道三坐标方向的力信号加减合成输出： F1、F2、F3；F1、F2、F3均由任意路力信号加减合成。

在本发明的又一实施方式中，3个通道三坐标方向的力矩信号加减合成输 出：M1、M2、M3，其均由任意路力臂信号加减合成。各通道增益：0.1、1、 3、10、30、100、300、500；频响范围：0.3～10KHz；滤波分档要求：30Hz、 300Hz、1KHz、3KHz、10KHz；线性增益精度：＜1％。

具体来说，力信号处理系统的电荷放大处理器用对应数量的电缆与压电式 力传感器进行连接，电荷放大处理器通过电缆在给力传感器供电的同时将力传 感器输出的电荷信号进行放大、滤波和归一化处理，并以电压信号的形式传输 给信号合成器，电荷放大处理器与信号合成器通过电缆进行连接。信号合成器 将输入的电压信号根据键盘指令进行合成和衰减处理，并通过输出端子将所得 的结果进行输出。

每台信号放大处理器由放大器、滤波器、按键模块和输出端子组成。每台 信号放大处理器为一个机箱形式，其中前面板安装按键和与力传感器的连接接 口，后面板安装输出端子，机箱内安装有电路板，放大器和滤波器的元器件通 过电路焊接的方式安装在电路板上。前面板的按键及接口通过电缆与电路板进 行连接，后面板的输出端子也通过电缆与电路板进行连接。

信号合成器也为机箱形式，前面板为按键和显示屏幕，后面板为与电荷放 大处理器连接的接口和输出端子，机箱内安装有电路板，运算合成器及衰减器 的元器件通过电路焊接的方式安装在电路板上。前面板的按键通过电缆与显示 屏幕及电路板进行连接，后面板的接口及输出端子通过电缆与电路板进行连 接。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明 的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明 的精神和所附的权利要求所记载的范围。