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基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測控制裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測控制裝置與方法，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)檢測優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)檢測的解耦，可以動(dòng)態(tài)標(biāo)定電阻應(yīng)變片的測量值，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。
【專利說明】基于激光位移傳感器的壓電板振動(dòng)檢測控制裝置與方法

【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越大，需要的太陽能帆板的面 積也就越大。為降低發(fā)射成本，太陽能帆板結(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)很長時(shí)間，這導(dǎo)致由此帶來的振動(dòng)問題越來越突出。如果沒有采 用恰當(dāng)?shù)臋z測控制方法對(duì)太陽能帆板的振動(dòng)進(jìn)行抑制，將會(huì)對(duì)航天器的在軌運(yùn)行帶來許多 問題，如影響航天器的姿勢穩(wěn)定度和指向精度，縮短航天器壽命，甚至造成太陽能帆板結(jié)構(gòu) 的破壞，使航天器失效。因此，如太陽能帆板這類大型柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)的檢測控制就成為了當(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)航天器太陽能帆板這種柔性結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)檢測控制，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，近年來發(fā) 展起來的各種傳感器和智能結(jié)構(gòu)控制技術(shù)對(duì)太陽能帆板的振動(dòng)進(jìn)行檢測控制提供了思路。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，研究模擬太陽能帆板結(jié)構(gòu)的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)檢測，一般使 用接觸式測量傳感器，比如使用加速度傳感器安裝在柔性板上測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量靜態(tài)信號(hào)，只能用于 動(dòng)態(tài)信號(hào)測量。 申請人:申請的相關(guān)專利，專利申請?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。但是在該申請專利中利用 加速度傳感器測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)包含大量的測量噪聲。同時(shí)使用壓電陶瓷片傳感器測量彎曲振動(dòng)信號(hào)，但是不能測 量靜態(tài)信號(hào)，只能用于動(dòng)態(tài)信號(hào)測量。


【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)檢測控制裝置，包括壓電板本體部分、檢 測部分及驅(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 感器探測頭分別為第一激光位移傳感器探測頭及第二激光位移傳感器探測頭，所述第一激 光位移傳感器探測頭及第二激光位移傳感器探測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] 檢測部分包括：
[0014] 電阻應(yīng)變片傳感器檢測柔性板的彎曲振動(dòng)，檢測到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變 儀放大以后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開發(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頭和第二激光位移傳感器探測頭檢測柔性板自由端的 位移變化，其檢測的信號(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 發(fā)板，經(jīng)過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)變片傳感器檢測柔性板的彎曲振動(dòng)信號(hào)，采用激光位移傳感器 探測頭檢測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)變片傳感器檢測的信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀處理后，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開發(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頭和第 二激光位移傳感器探測頭檢測的信號(hào)傳送至激光位移傳感器控制器，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后， 傳送至到ARM開發(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頭檢測的信號(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)檢測控制裝置，其特征在于，包括壓電板本 體部分、檢測部分及驅(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 測頭分別為第一激光位移傳感器探測頭及第二激光位移傳感器探測頭，所述第一激光位移 傳感器探測頭及第二激光位移傳感器探測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； 檢測部分包括： 電阻應(yīng)變片傳感器檢測柔性板的彎曲振動(dòng)，檢測到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀放 大以后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開發(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頭和第二激光位移傳感器探測頭檢測柔性板自由端的位移 變化，其檢測的信號(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開發(fā) 板，經(jīng)過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)變片傳感器檢測柔性板的彎曲振動(dòng)信號(hào)，采用激光位移傳感器探測 頭檢測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)變片傳感器檢測的信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀處理后，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換電路輸入到ARM開發(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頭和第二 激光位移傳感器探測頭檢測的信號(hào)傳送至激光位移傳感器控制器，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，傳 送至到ARM開發(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頭檢測的信號(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頭檢測的其安裝點(diǎn) (Xp 和（x2, y2)的位移測量信息，t為時(shí)間； 將第一、第二激光位移傳感器探測頭檢測的信號(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
【公開日】2014年11月12日 申請日期: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 申請人:華南理工大學(xué)