一种柔性板的振动测量与控制装置及方法与流程

本发明涉及柔性结构振动测量与控制领域，具体涉及一种基于多个单点激光测振仪的柔性板振动测量与控制装置及方法。

背景技术：

在现代工业中，机器作为原动力被广泛地采用，随着机器向着高精度、高速度的方向发展，对于振动的控制要求越来越高。高频振动不仅会影响机械结构的工作精度，还会使结构产生过早的疲劳破坏，影响结构的使用寿命。在这种背景下，抑制高频振动成为了一个亟待解决的问题。例如，航天器、飞机、轮船中的大型柔性结构，发电用的大型风车的扇叶，还有卫星天线等结构在工作中都会产生高频振动，一些传统的振动控制方法已经难以满足精度和速度越来越高的结构的振动抑制。要对柔性结构产生的高频振动进行控制，需要对柔性结构进行动态跟踪测量，并实时反馈以抑制柔性结构的振动。为了更好地控制振动，不但要提高测量的准确性，还要加快控制的动态响应速率，只有这样，振动的信息才能更快更准地传递到工控计算机中，通过相应的算法，输出控制量到压电式作动器中，实现即时的振动控制。

高频振动测量与控制系统中，测量的精度和速度是其中的关键。传统的传感器接触式测振方法，需要把一些传感器附着于被测物体的表面，不仅连线复杂，还有可能因为附加传感器质量改变被测物体的动态性能，从而影响测量结果，而且接触式测量传感器往往抗干扰性差，容易损坏，在很多的特殊情况下，例如高温环境，传感器会受到影响而无法正常工作。常见的接触式测量振动的传感器有压电陶瓷片和加速度传感器。采用压电陶瓷片测量振动时，因为信号放大、滤波等多个环节会引起信号延迟和相位滞后等问题，测量速度慢；采用加速度传感器测量振动时，它对外部的干扰的抗性差，对噪声敏感，测量的精度受到限制。非接触式对的测量方法具有对被测对象的动态性能和正常工作不造成影响的优点。目前比较常见的振动非接触式测量方法是光学测量方法，包括激光位移传感器、激光测振仪和机器视觉等方法。其中，激光测振仪具有测量精度高，响应速度快，抗干扰性强等优点，是当前振动测量中的一个切实可行，方便有效的测量方法。

在控制方面，柔性结构振动控制的驱动方式有很多种，常用的有压电式作动器驱动、电机驱动、形状记忆合金驱动等。压电式作动器采用压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形达到控制振动的效果，它有响应迅速、稳定、结构简单等优点，但是脆性较大，容易产生破坏，所以比较适合变形比较小的场合；电机驱动容易获得较大的驱动力，但是不稳定，容易对柔性结构造成破坏；形状记忆效应是在特定温度下急剧发生的，使用范围受到限制。本发明中，采用压电惯性驱动器作为控制的驱动方式。

本发明采用激光测振仪作为振动测量的方式，采用压电式作动器作为控制驱动，将激光测振仪测量精度高、采样频率高、动态响应快等优点和压电陶瓷材料响应迅速、稳定、适用范围广等优点相结合，避免了传统振动测量及控制的种种弊端，如测量精度低，响应速度慢，误差大、适用范围狭窄等缺点，使柔性板的振动测量和控制更加地精确和快速。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的柔性结构振动测量与控制技术的缺点与不足，提供了一种基于多个单点激光测振仪的柔性板振动测量与控制装置，该装置使得振动测量的精度更高，振动的控制响应更快，抗干扰性更强，避免了接触式测量对柔性板的质量和表面造成影响从而改变其动态性能的弊端，使柔性板的振动可以快速、稳定地回复到一个几乎不对结构造成不良影响的范围，同时考虑到了振动信息收集的准确性和反馈的即时性，采用激光测振仪和压电式加速度传感器共同对振动进行测量，相互修正，同时工作，保证振动信息可以准确即时地传递到工控计算机，保证振动控制量的准时、准确输出。

本发明的另一目的在于提供一种基于多个单点激光测振仪的柔性板振动测量与控制方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于多个单点激光测振仪的柔性板振动测量与控制装置，包括振动装置本体、振动感知系统、振动控制系统、信号处理模块和工控计算机，所述振动装置本体包括柔性板和激振器，柔性板沿竖直方向固定在实验台上，两个激振器通过基座平行固定在柔性板的一侧实验台上，并分别通过激振器顶杆和柔性板连接，在竖直方向靠近柔性板的固定端，在水平方向靠近柔性板宽度方向的两侧；所述振动感知系统包括多个单点激光测振仪和压电式加速度传感器，用于非接触式测量振动的多个单点激光测振仪安装在距离柔性板一定距离的另一侧，单点激光测振仪的发射面与柔性板平行，通过激光测振仪支撑柱固定在实验台上，分别测量柔性板上对应位置点的振动信息，用于接触式测量振动的多个压电式加速度传感器固定在柔性板的相同对应位置点上，与激振器位于同一侧；所述振动控制系统包括多个压电惯性驱动器，所述多个压电惯性驱动器和压电式加速度传感器固定在柔性板的同一侧的同一位置；振动感知系统测量振动装置本体的振动信息，通过信号处理模块处理后发送给工控计算机，工控计算机经过相应处理后来控制振动控制系统动作，从而完成对柔性板振动的测量与控制。

进一步地，所述信号处理模块包括信号处理器、a/d转换器、电荷放大器、功率放大器、信号发生器、压电放大器和d/a转换器。

进一步地，信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送给两个激振器，两个激振器分别通过激振器顶杆激励柔性板振动，在柔性板振动的过程中，单点激光测振仪中的激光器发出激光，单点激光测振仪接收柔性板的反射光并与参考光汇聚在传感器上产生干涉，干涉信号携带柔性板的振动位移信息，并输入到信号处理器，信号处理器输出的信号经a/d转换器转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机处理后得到柔性板振动的相关数据；压电式加速度传感器的信号经电荷放大器处理后，输出的信号经a/d转换器转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机处理后得到柔性板振动的相关数据；在本装置中，柔性板振动相关数据的测量主要由单点激光测振仪完成，压电式加速度传感器的作用是和单点激光测振仪的测量结果相互验证。

进一步地，工控计算机得到柔性板振动的相关数据后，经过相应处理后通过d/a转换器，再经由压电放大器将信号放大，将控制信号施加到压电惯性驱动器上，使压电惯性驱动器产生相应的控制力来抑制柔性板弯曲模态和扭转模态振动，单点激光测振仪和压电式加速度传感器组成的振动感知系统用于测量柔性板的多个单点的振动，形成振动反馈信号，振动反馈信号经过相应的控制算法处理后用于控制压电惯性驱动器产生相应的控制力抑制柔性板的振动。

进一步地，所述单点激光测振仪的数量、压电式加速度传感器的数量以及压电惯性驱动器的数量相同。

进一步地，所述单点激光测振仪的数量、压电式加速度传感器的数量以及压电惯性驱动器的数量都为五个。

进一步地，所述多个压电惯性驱动器和多个压电式加速度传感器分别通过螺柱螺母机械固定在柔性板的同一侧的同一位置，且与单点激光测振仪在柔性板上的测量点相对应，其中，压电惯性驱动器紧贴在柔性板上，以保证压电惯性驱动器发出的控制力能够良好地施加在柔性板上来抑制柔性板的振动。

进一步地，所述多个单点激光测振仪在柔性板上的测量点的个数以及排列形式能够根据柔性板的形状大小以及测量者想要获得的柔性板的振动信息来自行设计。

进一步地，所述压电惯性驱动器、压电式加速度传感器以及两个激振器位于柔性板的同一侧。

进一步地，所述两个激振器分别通过激振器顶杆激励柔性板弯曲模态振动和扭转模态振动；当两个激振器接收到与弯曲模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器按相同信号且相位相同激励，则激励产生柔性板的弯曲振动；当两个激振器接收到与扭转模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器按相同信号且相位相反激励，则激励产生柔性板的扭转振动。

本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于多个单点激光测振仪的柔性板振动测量与控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、信号发生器发出振动信号，经功率放大器放大后发送给两个激振器，两个激振器分别通过激振器顶杆激励柔性板振动，在柔性板振动的过程中，单点激光测振仪中的激光器发出激光投射到柔性板上，单点激光测振仪接收柔性板的反射光并与参考光汇聚在传感器上产生干涉，干涉信号携带柔性板的振动位移信息，并输入到信号处理器，信号处理器输出的信号经a/d转换器转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机处理后得到柔性板振动的相关数据；压电式加速度传感器的信号经电荷放大器处理后，输出的信号经a/d转换器转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机处理后得到柔性板振动的相关数据；将压电式加速度传感器的测量结果和单点激光测振仪的测量结果相互验证；

步骤二、工控计算机得到柔性板振动的相关数据后，经过相应处理后通过d/a转换器，再经由压电放大器将信号放大，将控制信号施加到压电惯性驱动器上，使压电惯性驱动器产生相应的控制力来抑制柔性板弯曲模态和扭转模态振动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的柔性板振动测量与控制装置采用多个单点激光测振仪，分别对柔性板的多个单点进行振动测量，获得多点振动信息后综合分析整块柔性板的振动情况，单点激光测振仪对柔性板采用了非接触式测量的方式，避免了接触式测量中对柔性板附加质量而造成柔性板动态性能发生变化的情况。

2、本发明的柔性板振动测量与控制装置测量方式灵活，被测点可以有多个，被测点的排列方式也没有固定限制，被测点的个数以及排列形式能够根据柔性板的形状大小以及测量者想要获得的柔性板的振动信息来自行设计。

3、本发明的柔性板振动测量与控制装置采用压电惯性驱动器，它具有控制精度高、响应速度快、驱动力大、驱动速率低等优点，适合于柔性板振动控制中高精度、高速度的要求，是大型柔性结构振动控制中的一种理想的驱动器。

附图说明

图1为本发明实施例1的柔性板振动测量与控制装置的总体示意图。

图2为本发明实施例1的柔性板振动测量与控制装置的俯视图。

图3为本发明实施例1的柔性板振动测量与控制装置的正视图。

图4为本发明实施例1柔性板上被测点的分布图。

图5为本发明实施例1压电惯性驱动器和压电式加速度传感器的安装示意图。

其中，1-柔性板，2-激振器，3-激振器顶杆，4-激光测振仪支撑柱，5-单点激光测振仪，6-压电式加速度传感器，7-压电惯性驱动器，8-实验台，9-信号处理器，10-功率放大器，11-压电放大器，12-a/d转换器，13-信号发生器，14-d/a转换器，15-工控计算机，16-电荷放大器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种基于多个单点激光测振仪的柔性板振动测量与控制装置，包括振动装置本体、振动感知系统、振动控制系统、信号处理模块和工控计算机(15)，所述振动装置本体包括柔性板(1)和激振器(2)，其中柔性板(1)的大小为800mm×1000mm×3mm，材料采用环氧树脂复合材料，沿竖直方向固定在实验台(8)上，两个激振器(2)通过基座平行固定在柔性板(1)的一侧实验台(8)上，相距560mm，并分别通过激振器顶杆(3)和柔性板(1)连接，激振器顶杆(3)长300mm，在竖直方向靠近柔性板(1)的固定端，在水平方向靠近柔性板(1)宽度方向的两侧；所述振动感知系统包括五个单点激光测振仪(5)和压电式加速度传感器(6)，用于非接触式测量振动的五个单点激光测振仪(5)安装在距离柔性板(1)约630mm的另一侧，单点激光测振仪(5)的发射面与柔性板(1)平行，通过激光测振仪支撑柱(4)固定在实验台(8)上，分别测量柔性板(1)上对应位置点的振动信息，用于接触式测量振动的五个压电式加速度传感器(6)固定在柔性板(1)的相同对应位置点上，与激振器(2)位于同一侧；柔性板(1)上对应被测位置点的分布图如图4所示，所述振动控制系统包括五个压电惯性驱动器(7)，所述五个压电惯性驱动器(7)和压电式加速度传感器(6)固定在柔性板(1)的同一侧的同一位置；振动感知系统测量振动装置本体的振动信息，通过信号处理模块处理后发送给工控计算机(15)，工控计算机(15)经过相应处理后来控制振动控制系统动作，从而完成对柔性板(1)振动的测量与控制。

其中，所述信号处理模块包括信号处理器(9)、a/d转换器(12)、电荷放大器(16)、功率放大器(10)、信号发生器(13)、压电放大器(11)和d/a转换器(14)。信号发生器(13)发出振动信号，经功率放大器(10)放大后发送给两个激振器(2)，两个激振器(2)分别通过激振器顶杆(3)激励柔性板(1)振动，在柔性板(1)振动的过程中，单点激光测振仪(5)中的激光器发出激光，单点激光测振仪(5)接收柔性板(1)的反射光并与参考光汇聚在传感器上产生干涉，干涉信号携带柔性板(1)的振动位移信息，并输入到信号处理器(9)，信号处理器(9)输出的信号经a/d转换器(12)转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机(15)处理后得到柔性板(1)振动的相关数据；压电式加速度传感器(6)的信号经电荷放大器(16)处理后，输出的信号经a/d转换器(12)转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机(15)处理后得到柔性板(1)振动的相关数据；在本装置中，柔性板(1)振动相关数据的测量主要由单点激光测振仪(5)完成，压电式加速度传感器(6)的作用是和单点激光测振仪(5)的测量结果相互验证。工控计算机(15)得到柔性板(1)振动的相关数据后，经过相应处理后通过d/a转换器(14)，再经由压电放大器(11)将信号放大，将控制信号施加到压电惯性驱动器(7)上，使压电惯性驱动器(7)产生相应的控制力来抑制柔性板(1)弯曲模态和扭转模态振动，单点激光测振仪(5)和压电式加速度传感器(6)组成的振动感知系统用于测量柔性板(1)的多个单点的振动，形成振动反馈信号，振动反馈信号经过相应的控制算法处理后用于控制压电惯性驱动器(7)产生相应的控制力抑制柔性板(1)的振动。

其中，所述压电惯性驱动器(7)和压电式加速度传感器(6)的安装示意图如图5所示，分别通过螺柱螺母机械固定在柔性板(1)的同一侧的同一位置，且与单点激光测振仪(5)在柔性板(1)上的测量点相对应，其中，压电惯性驱动器(7)紧贴在柔性板(1)上，以保证压电惯性驱动器(7)发出的控制力能够良好地施加在柔性板(1)上来抑制柔性板(1)的振动。

其中，所述单点激光测振仪(5)在柔性板(1)上的测量点的个数以及排列形式能够根据柔性板(1)的形状大小以及测量者想要获得的柔性板(1)的振动信息来自行设计。所述激振器(2)的个数以及安装位置也能够根据柔性板(1)的形状大小以及测量者想要获得的柔性板(1)的振动信息来自行设计。

其中，所述压电惯性驱动器(7)、压电式加速度传感器(6)以及两个激振器(2)位于柔性板(1)的同一侧。

进一步地，所述两个激振器(2)分别通过激振器顶杆(3)激励柔性板(1)弯曲模态振动和扭转模态振动；当两个激振器(2)接收到与弯曲模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器(2)按相同信号且相位相同激励，则激励产生柔性板(1)的弯曲振动；当两个激振器(2)接收到与扭转模态频率相同的正弦信号激励时，两个激振器(2)按相同信号且相位相反激励，则激励产生柔性板(1)的扭转振动。

在本实施例中，激振器(2)选用美国gst公司生产的型号为jzk-50的激振器，此激振器最大激振力为500n，最大振幅为±12.5mm，最大加速度为55g，最大输入电流为30arms，频率范围为dc-2k，外形尺寸为φ240mm×345mm，输出方式是由激振器顶杆传输力到柔性板(1)上。柔性板(1)采用的材料是采用环氧树脂复合材料，大小为800mm×1000mm×3mm。实验台(8)表面采用多孔的形式，满足不同的装置固定要求。单点激光测振仪(5)选用舜宇公司生产的型号为lv-s01的单点激光测振仪，采用激光多普勒原理测量物体沿激光方向的振动，它采用非接触式测量方法，具有自动聚焦、远程聚焦和聚焦存储等功能，目标测量距离在0.35m～20m之间，设备干扰性强，安装简单快捷，适用于各种测量环境，它的工作温度在3℃到45℃之间，电源采用220～240vrms、50～60hz，激光类型为he-nelaser，波长为632.8nm，频率范围为dc～25khz，速度分辨率为1μm/s，最大线性误差为1.00％，产品尺寸为67mm×380mm×159mm，与控制箱配套使用。压电式加速度传感器(6)选用德国kistler公司生产的型号为8688a的压电式加速度传感器，加速度测量范围为±50g，灵敏度为100mv/g，频率响应为0.5～5000hz，工作温度在-40摄氏度到65摄氏度之间，输入电压为22～30vdc，输入直流电为2～6ma，最大随机振动为100grms。压电惯性驱动器(7)选用美国pcb公司的712系列的压电式惯性驱动器。功率放大器(10)采用美国ar公司的型号为50wd1000的功率放大器，工作频率为dc～1000mhz。压电放大器(11)采用型号为apex-pa241dw的压电放大器，输出类型为cmos，转换速率为30v/μs，电压增益为96db。a/d转换器(12)采用intersil公司的型号为hi5812的a/d转换器，位数为12，速率为0.05msps，输出范围为0～5v。d/a转换器(14)采用intersil公司的型号为isl5861的d/a转换器，位数为12，速率为210msps，工作电压为3.3v。

实施例2：

本实施例提供了一种基于多个单点激光测振仪的柔性板振动测量与控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、信号发生器(13)发出振动信号，经功率放大器(10)放大后发送给两个激振器(2)，两个激振器(2)分别通过激振器顶杆(3)激励柔性板(1)振动，在柔性板(1)振动的过程中，单点激光测振仪(5)中的激光器发出激光，单点激光测振仪(5)接收柔性板(1)的反射光并与参考光汇聚在传感器上产生干涉，干涉信号携带柔性板(1)的振动位移信息，并输入到信号处理器(9)，信号处理器(9)输出的信号经a/d转换器(12)转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机(15)处理后得到柔性板(1)振动的相关数据；压电式加速度传感器(6)的信号经电荷放大器(16)处理后，输出的信号经a/d转换器(12)转换后生成数字信号，该数字信号经工控计算机(15)处理后得到柔性板(1)振动的相关数据；将压电式加速度传感器(6)的测量结果和单点激光测振仪(5)的测量结果相互验证；

步骤二、工控计算机(15)得到柔性板(1)振动的相关数据后，经过相应处理后通过d/a转换器(14)，再经由压电放大器(11)将信号放大，将控制信号施加到压电惯性驱动器(7)上，使压电惯性驱动器(7)产生相应的控制力来抑制柔性板(1)弯曲模态和扭转模态振动。

另外，在柔性板振动过程中，可以考虑通过设计友好的人际交互界面实时显示相关测量信号和控制信号动态曲线，便于实时观测柔性板振动的模态分析和控制效果，控制各种参数的修改输入和数据保存等，便于实时调试和分析。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。