一种振动试验中的多维力测试系统技术方案

本发明专利技术涉及一种振动试验中的多维力测试系统，包括相互机械、电连接的上连接板、力传感器、下连接板、信号处理部件以及计算机。上连接板与待测试的试件机械连接，多个力传感器置于上连接板和下连接板之间，并与上连接板和下连接板机械连接，下连接板与振动台的基座机械连接。每个力传感器通过传感器信号连接线与信号处理部件电连接。在试验中，每个力传感器实时采集待测试的试件与上连接板之间的多维接触力信息，传送给信号处理部件，信号处理部件将力传感器的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，并将融合后的信息通过通讯连接线传送给计算机，供振动试验进行反馈控制使用。本发明专利技术为我国航天器振动试验提供有效的多维力信息测量设备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天器动力学环境试验领域，特别涉及卫星等航 天器的一种振动试验中的多维力测试系统。
技术介绍
航天器是一类十分特殊的产品，它具有许多其它产品所没有 的特点，为了保证它的可靠性和具有所要求的工作性能与寿命，除了精心设 计和制造外，通过大量的环境模拟试验来验证产品的设计和制造质量是主要 的和经济有效的手段。为了保证航天器及其各分系统和组件能够承受地面运 输、发射阶段和返回阶段中的动力学环境，需要进行充分的动力学环境模拟 试验。振动环境是普遍存在的最为重要的一种动力学环境，在动力学环境试验 中占有特珠的地位，特别是在航天器的验证和鉴定过程中，振动试验起着至 关重要的作用。振动环境会导致卫星等航天器结构的损坏，仪器设备不能正 常工作或发生故障，因此，在卫星设计中对振动环境十分重视，有时需要采 取专门的防振隔振措施，同时要进行振动试验进行设计检验和暴露产品制造 中的质量缺陷。不仅对卫星组件(仪器、设备)做振动试验，卫星的振动试验 也是十分重要的，振动试验是卫星研制中最重要和数量最大的试验项目之一。各先进航天航空工业国家对振动环境试验方法相当重视，不断改进试验 方法，并研制相应的试验设备，努力使振动环境试验获得更为合理的结果。 在振动环境试验中，只要振动试验的某个或者某些点的某一动力学特性(加 速度或者力等)的自功率谱密度与实际振动环境的自功率谱密度相同(包括 峰值和谷值)，就能实现对实际振动环境的近似模拟，而与试验时振动输入激 励方式和激励点位置无关。所以在振动环境试验设计中，控制点上动力学特 性标准谱的制订非常重要，若标准谱定义过高，会产生"过试验"现象，可能造成产品在实际工作环境下能正常工作，却在振动环境试验中出现失效； 若标准谱定义过低，会产生"欠试验"现象，产品虽然通过了振动环境试验， 但在实际工作环境下却可能出现失效。典型的航天器振动试验通常是在试验装置靠近振动台和试验件界面处，在给定的加速度量级下进行。正弦振动时， 激励振级必须达到指定量级，并将输入力谱控制在试验允许的偏差范围内。 实际上，试验件共振频率处的机械反射阻抗较大，因此需用较大的力保持界 面的加速度振级，正是这个由振动台刚性夹具提供的力，引发了严重的过试 验问题。为了解决过试验的问题，国外进行了大量研究工作。在试验方法上基本思路有三个①阻尼模拟；②响应控制技术；③力限控制技术。阻尼模拟的 方法很少釆用，因为它需要附加的结构，因而也需要额外的费用。目前在航 天器系统级试验中普遍采用响应控制技术。响应控制技术一般有两种方式 一种是限制关键位置的加速度响应，另一种是通过限制质心加速度响应以限 制试验件受到的最大支反力。 一般认为加速度响应控制比较复杂，试验条件 不易确定。限制关键位置的加速度响应主要存在两个问题 一是响应控制量 级的预示精度不理想，二是关键位置很难安装传感器。对试验件质心加速度 响应的控制在概念上与力限是一致的，但它存在两个问题 一是试验件质心 位置经常是没有物理结构，无法在质心位置安装传感器；二是质心位置仅对 于一个刚体是固定的，当试验件共振或变形时，就不可能用加速度传感器测 得质心的加速度。由于基于力限技术的振动试验是测量和限制力，这样就可 以有效避免上述问题。从上世纪90年代开始，力限控制试验方法逐渐在美国NASA和欧洲空间 局得到应用，在我国航天器振动环境试验中的研究和应用刚开始，北京卫星 环境工程研究所对此进行了初步的试验。力限控制技术是解决振动试验中过试验问题的一个较好途径，用力限控 制试验方法进行振动试验量级的响应控制和下凹，更接近于航天器实际发射 情况下的受力，模拟发射时的运载环境，克服单轴加速度响应方法的缺陷， 有效防止过试验和欠试验现象，为卫星等航天器结构设计提供合理依据，在 航天器系统级振动试验和部组件振动试验中能够发挥较大的作用。力限控制 试验方法考虑了卫星等航天器在振动试验中试件连接面处的加速度和受力两 方面情况，是加速度和力双重控制方法，在力限控制中主要以加速度进行控 制，当卫星共振时输入给卫星的力超过给定条件时，加速度试验条件就会自测量和控制技术是试验质量的关键，因此对力信息测量设备、力信号采集和 动下凹，从而有效解决试验中过欠试验问题。在力限控制试验中，力信息的 处理技术以及控制方法等提出了很高的要求。经检索查新，其中专利号为CN1702248A的"一种变曲率自行复位保护 三维减隔震耗能支座"的专利被认为是最接近的现有技术，此专利属于结构 隔震控制与振动控制
，适合建筑物及仪器、设备隔震减震，与振动 试验中的多维力测试系统无关。在现有技术中有欧洲空间局研制的用于航天器测试的力测量装置FMD (Force Measurement Device),发布于2001年2月欧洲空间局第105期公告的文 章"一种新的力测量装置"中进行了介绍，其中力测量装置包括2个支撑环、 8个压电型三维力传感器和1个信号处理单元。在两个刚性支撑环之间安装8 个三轴压电晶体力传感器，下面的支撑环安装在试验设备上，上面的支撑环 安装在试件连接器上。上支撑环是按有l 194mm界面高度的阿里安4卫星试 验而设计的。信号处理单元用来处理三维力传感器的信息。现有技术中的力测量装置存在着不足之处，其一，力测量装置使用2个 圆环来连接8个三维力传感器，圆环直径比较大，不易加工，并且在安装过 程中容易发生形变，影响测量精度；其二，力测量装置中的压电型三维力传 感器，在使用前需要施加预紧力，在力测量装置中使用8个压电型三维力传 感器，很难保证8个压电型三维力传感器的预紧力一致
技术实现思路
本专利技术的目的是避免上述现有技术中力测量装置的不足 之处，提供一种振动试验中的多维力测试系统。该系统是能够实时同步获取 卫星等航天器在振动试验中连接面处的多维力信息的测试系统，为航天器振 动试验提供更多的数据，为振动控制提供更加充分的力信息，为我国的航天 器振动试验提供有效的力信息测量设备。本专利技术的技术方案是 一种振动试验中的多维力测试系统，包括相互机 械连接的上连接板、力传感器、下连接板、信号处理部件，特别是上连接板置有多组试件安装孔与待测试的试件机械连接；力传感器是膜片结构的多个力传感器，力传感器通过传感器上安装孔与 上连接板的上连接板安装孔机械连接；力传感器通过传感器下安装孔与下连 接板的下连接板安装孔机械连接；力传感器与上连接板通过上连接板中心定位销进行中心定位；力传感器与下连接板通过下连接板中心定位销进行中心定位；力传感器与下连接板通 过下连接板方位定位销进行方向定位；力传感器通过传感器信号连接线与信 号处理部件电连接；下连接板置有多组基座安装孔与振动台的基座机械连接； 信号处理部件通过电源连接线与外部电源电连接，信号处理部件有模块 且将每个力传感器的信号进行放大、釆集、处理以及信息融合，并将融合后 的信息通过通讯连接线传送给计算机，供振动试验中的多维力测试系统进行反馈控制使用。作为对现有技术的进一步改进力传感器是膜片结构力传感器，或十字 梁结构力传感器；力传感器是压阻型力传感器，或压电型力传感器。力传感器是三维力传感器，或四维力传感器，或五维力传感器，或六维 力传感器；多个力传感器是6个，或4个，或8个。传感器上安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振动试验中的多维力测试系统，包括相互机械连接、电连接的上连接板（１）、力传感器（２）、下连接板（３）、信号处理部件（５），其特征在于：　所述的上连接板（１）置有多组试件安装孔（１８）与待测试的试件（９）机械连接；　所述的力传感器（２）是膜片结构的多个力传感器（２），所述的力传感器（２）通过传感器上安装孔（１２）与上连接板（１）的上连接板安装孔（１１）机械连接；所述的力传感器（２）通过传感器下安装孔（１５）与下连接板（３）的下连接板安装孔（１４）机械连接；所述的力传感器（２）与所述的上连接板（１）通过上连接板中心定位销（１３）进行中心定位；所述的力传感器（２）与所述的下连接板（３）通过下连接板中心定位销（１７）进行中心定位；所述的力传感器（２）与下连接板（３）通过下连接板方位定位销（１６）进行方向定位；所述的力传感器（２）通过传感器信号连接线（４）与信号处理部件（５）电连接；　所述的下连接板（３）置有多组基座安装孔（１９）与振动台的基座（１０）机械连接；　所述的信号处理部件（５）通过电源连接线（６）与外部电源电连接，所述的信号处理部件（５）内部有模块且将每个力传感器（２）的信号进行放大、采集、处理以及信息融合，并将融合后的信息通过通讯连接线（７）传送给计算机（８），供振动试验进行反馈控制使用。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴仲城，申飞，吴宝元，沈春山，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]