一种基于电容式位移传感器三角翼振动测量装置与方法

摘要

本发明公开了一种基于电容式位移传感器三角翼振动测量装置与方法，包括三角翼，三角翼为等腰直角三角形，其中一条直角边通过机械夹持装置固定为悬臂板，所述电容式位移传感器探头通过支架安装在悬臂板的正前方，所述电容式位移传感器探头检测悬臂板的振动信号传输到电容位移传感器多通道测量系统处理后，经过A/D数据采集卡后输入到计算机，计算机与显示器连接，当铝合金板振动时，它与电容式位移传感器探头的距离发生变化，引起传感器电容变化，传感器检测到的信息传至计算机，在计算机上通过设计的数字滤波器进行滤波处理，得到铝合金板在前三阶固有频率下的振动信息，用于振动分析或控制。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金板悬臂结构振动检测领域，具体涉及一种基于电容式位 移传感器三角翼振动测量装置与方法。

背景技术

空天飞行器在超高速飞行的时候，受到气动力、弹性力和惯性力等的耦合 作用，使飞行器的三角翼结构产生颤振现象，颤振及振动均会造成结构的疲劳 寿命以及工作性能的下降，甚至危及飞行员和乘客的生命和财产安全，因此需 要对三角翼的颤振与振动进行测量以用于振动分析或控制。现有技术针对悬臂 板结构测量由采用压电片、加速度传感器和PSD传感器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。但上述解耦对于悬臂 板结构的形状有较高的要求，往往要求悬臂板为中心对称的规则形状，否则便 会出现较大的误差，而且上述传感器都是接触式测量，会对悬臂板结构的振动 产生影响，形成较大的负载效应。近几年，用于位置、位移以及厚度等测量的 非接触式传感器和测试系统取得了显著的进展，而电容式位移传感器便是其中 典型的代表。电容式位移传感器的优点是原理简单、可互换探头器和电子线路 不需要现场调节和校准、结实受保护的无源探头在高温下能继续工作、线性度 好、分辨率和稳定度高。缺点是被测件的材料必须是导电的，探头和被测件之 间间隙内的电介质之电介质常数不随时间、温度和机械应力而变化。

中国专利申请号为200810027187.9中，发明名称“基于加速度传感器的绕 性悬臂板振动控制装置与控制方法”中，利用两个安装在绕性板自由端两个边 角位置的加速度计来作为测量传感器，但加速度计在某种意义上是一质量块， 安装于悬臂板上会对测量件的质量分布产生较大的影响，产生负载效应，从而 影响测量件的振动。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于电容式位移传 感器三角翼振动测量装置与方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于电容式位移传感器三角翼振动测量装置，包括三角翼，所述三角 翼为等腰直角三角形，其中一条直角边通过机械夹持装置固定为悬臂板，所述 电容式位移传感器探头通过支架安装在悬臂板的正前方，所述电容式位移传感 器探头检测悬臂板的振动信号传输到电容位移传感器多通道测量系统处理后， 经过A/D数据采集卡后输入到计算机，计算机与显示器连接。

所述电容式位移传感器探头具体为三个，分别为第一、第二及第三电容式 位移传感器探头，根据振动位移云图确定位置。

所述机械夹持装置包括矩形柱状支架及等腰梯形夹板，所述等腰梯形夹板 的上底边固定在矩形柱状支架上，所述等腰梯形夹板的下底边与三角翼固定。

所述三角翼的材料为铝合金。

还包括底座，磁性底座及竖直支架，所述磁性底座安装在底座上，所述竖 直支架安装在磁性底座上，所述竖直支架上安装第一、第二及第三水平支架， 所述第一水平支架安装第一电容式位移传感器探头，所述第二水平支架安装第 二电容式位移传感器探头，所述第三水平支架安装第三电容式位移传感器探头。

一种基于电容式位移传感器三角翼振动测量装置的测量方法，包括如下步 骤：

第一步 在ANSYS软件中分析铝合金板三角翼的固有频率和振型，得到前 3阶固有频率，在计算机上设计以各阶固有频率为中心频率的三种数字滤波器；

第二步 铝合金板三角翼的振动引起第一、第二及第三电容式位移传感器探 头的电容变化，将电容变化信号传输到电容位移传感器多通道测量系统处理后， 经过A/D数据采集卡后输入到计算机中；

第三步 在计算机中将各个电容位移传感器探头测得的位移信号通过不同 的数字滤波器后得到铝合金板三角翼在前三阶固有频率下振动的振动位移。

本发明的有益效果：

(1)本发明针对铝合金板三角翼结构，采用等腰直角三角形结构，同时考 虑结构形状的非对称性对其振动的影响，合理布置传感器，其动力学特性与实 际的空间飞行器三角翼结构更为接近，在此基础上进行振动测量研究，更具有 实际意义。

(2)本发明采用电容式位移传感器，实现非接触式测量，不产生负载效应， 减小了测量误差。

(3)本发明通过设计数字滤波器，对测得的信息进行处理，能较准确的得 到被测体的前三阶振动位移。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1主视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的左视图；

图5是铝合金板三角翼的一阶振动位移云图；

图6是铝合金板三角翼的二阶振动位移云图；

图7是铝合金板三角翼的三阶振动位移云图。

图中示出：

1-三角翼，2-第一电容式位移传感器探头，3-第一水平支架，4-竖直支架， 5-第三电容式位移传感器探头，6-第三水平支架，7-第二水平支架，8-第二电 容式位移传感器探头，9-磁性底座，10-底座，11-矩形柱状支架，12-等腰梯形 夹板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施 方式不限于此。

实施例

如图1、图2、图3及图4所示，一种基于电容式位移传感器三角翼振动测 量装置，包括三角翼1，所述三角翼1为等腰直角三角形，其中一条直角边通过 机械夹持装置固定为悬臂板，所述电容式位移传感器探头通过支架安装在悬臂 板的正前方，距离6mm，所述电容式位移传感器探头检测悬臂板的振动信号传输 到电容位移传感器多通道测量系统处理后，经过A/D数据采集卡后输入到计算 机，计算机与显示器连接。

所述电容式位移传感器探头具体为三个，分别为第一、第二及第三电容式 位移传感器探头2、8、5，每个探头测量一种固有频率的振动，三个电容式位移 传感器探头根据ANSYS软件中分析的振动位移云图确定位置。

所述机械夹持装置包括矩形柱状支架11及等腰梯形夹板12，所述等腰梯形 夹板12的上底边通过螺栓固定在矩形柱状支架11上，所述等腰梯形夹板12的 下底边与三角翼1固定。

还包括底座10，磁性底座9及竖直支架4，所述矩形柱状支架11通过螺钉 固定在底座10上，所述磁性底座9安装在底座10上，所述竖直支架4安装在 磁性底座9上，所述竖直支架4上安装第一、第二及第三水平支架3、7、6，所 述第一水平支架3安装第一电容式位移传感器探头2，所述第二水平支架7安装 第二电容式位移传感器探头8，所述第三水平支架6安装第三电容式位移传感器 探头5。

本发明的测量方法，包括如下步骤：

第一步 在ANSYS有限元分析软件中分析三角翼1的模态特性，得到三角 翼前三阶固有频率分别为8.367HZ、31.73HZ、44.103HZ，同时得到三角翼在各 阶固有频率下振动的位移云图，如图5、图6及图7所示，其中图5为一阶振动 位移云图，图6为二阶振动位移云图，图7为三阶振动位移云图，设计以上述 频率为中心频率的三个数字滤波器，通频带分别为0Hz～16.8Hz、28Hz～35.5Hz、 40Hz～48.2Hz；其中第一电容式位移传感探头2安装于第二阶振动位移较大处， 如图6所示深黑色区域，测量信息通过中心频率为31.73Hz的数字滤波器滤波后 获得第二阶振动信息；第二电容式位移传感器探头8安装于第三阶振动位移较 大处，如图7所示深黑色区域，测量信息通过中心频率为44.103Hz的数字滤波 器滤波后得到第三阶振动信息；第三电容式位移传感器探头5安装于一阶振动 位移较大处，如图5所示深白色区域，测量信息通过中心频率为8.367Hz的数字 滤波器后得到第一阶振动信息，数字滤波器有两个参数叫中心频率和同频带， 只有信号的频率在它的通频带范围内，信号才能通过数字滤波器。

第二步 铝合金板三角翼的振动引起第一、第二及第三电容式位移传感器探 头的电容变化，将电容变化信号传输到电容位移传感器多通道测量系统处理后， 经过A/D数据采集卡后输入到计算机中；

第三步 在计算机中将各个电容位移传感器探头测得的位移信号通过不同 的数字滤波器后得到铝合金板三角翼在前三阶固有频率下振动的振动位移。

图1中的虚线连接表示电信号和信号处理装置的连接图。

在本实施例中，三角翼材料为铝合金板，其两直角边的厚度可选 600mm×600mm×2mm，规格为7075，弹性模量为71.7GPa，泊松比为0.33；电 容式位移传感器探头2、5、8可选用MTI公司生产的探头，型号为CTA，探头 长度和直径分别为101.6mm、82.550mm，量程和感测直径分别为12.7mm、 25.197mm。电容式位移传感器多通道测量系统可选用MTI公司的产品，型号 AS-500，精度为0.02％，分辨率为0.005％，频率响应范围为0Hz～5KHz，通道 数为6；竖直支架4和磁性底座9选用MTI公司的产品；A/D数据采集卡可选 用台湾泓格科技股份有限公司生产的型号为PCI-1800H A/D数据采集卡；计算 机可选用台湾研华IPC610机箱，PCA-6006主板，生产单位：台湾研华科技公 司。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。