基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置及方法
2023-05-16 18:49:31 1
基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置及方法，包括柔性板本體部分及振動檢測部分，柔性板本體部分包括柔性板、磁性底座、光纖探針及千分尺，柔性板的兩端通過機械夾持裝置固定，光纖探針通過水平支架及豎直支架安裝在柔性板的正前方，千分尺調節光纖探針與柔性板的距離，豎直支架安裝在磁性底座上；振動檢測部分包括光纖位移測量儀系統，A/D數據採集卡及計算機，光纖位移測量儀系統採集光纖探針的振動信號，經過A/D數據採集卡處理後傳輸到計算機，計算機經過解耦得到兩端固支板的低階模態振動，用于振動分析或控制。本發明通過非接觸檢測方式實現了兩端固支板在低階模態振動檢測上的解耦。
【專利說明】基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及兩端固定支板振動檢測領域，具體涉及基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代飛行器技術的飛速發展，飛行器的速度越來越向高音速或者高超音速方向發展。為了減輕結構重量，新一代高速飛行器的結構設計中更多的採用薄壁結構，而薄壁結構由於質量輕，模態阻尼小，加上高速氣流的氣動力影響，容易引發結構振動或者壁板顫振。壁板顫振指高速飛行器的壁板結構(如機翼蒙皮)在超音速氣流中的一種自激振動現象。高速飛行器高速飛行過程經不確定擾動激勵而發生振動時，壁板結構在慣性力、彈性力、熱載荷以及作用於壁板一個表面上的氣動力的共同作用下，將可能產生複雜氣動彈性動力學不穩定現象。壁板出現顫振現象後，一般不會立刻導致災難性的結構破壞，而是以穩定極限環的形式振動，對壁板結構的疲勞壽命甚至飛行器的飛行性能產生十分不利的影響。
[0003]為了抑制壁板顫振，需要先檢測出振動量，而現有技術中一般採用接觸式傳感器對其進行測量，比如使用粘貼式壓電陶瓷片檢測，或者安裝式加速度傳感器檢測等，都會對壁板產生附加質量，會改變壁板結構特性，同時壓電陶瓷材料為脆性材料，材料的強度和疲勞壽命受環境溫度等影響，所以應用上受到一定的限制，加速度傳感器的測量噪聲相對較大，這需要對振動信號進行濾波處理。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置及方法。
[0005]本發明採用的技術方案:
[0006]一種基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置，包括柔性板本體部分及振動檢測部分，
[0007]所述柔性板本體部分包括柔性板、磁性底座、光纖探針及千分尺，所述柔性板的兩端通過機械夾持裝置固定，所述光纖探針通過水平支架及豎直支架安裝在柔性板的正前方，所述千分尺調節光纖探針與柔性板的距離，所述豎直支架安裝在磁性底座上；
[0008]所述振動檢測部分包括光纖位移測量儀系統，A/D數據採集卡及計算機，所述光纖位移測量儀系統採集光纖探針的振動信號，經過A/D數據採集卡處理後傳輸到計算機，所述計算機經過解耦得到兩端固支板的低階模態振動，用于振動分析或控制。
[0009]所述光纖探針具體有四個，分別為第一、第二、第三及第四光纖探針，所述第一及第四光纖探針安裝在豎直支架上，所述第二及第三光纖探針安裝在水平支架上；
[0010]所述千分尺具體有四個，分別為第一、第二、第三及第四千分尺，所述第一及第四千分尺安裝在豎直支架上，所述第二及第三千分尺安裝在水平支架上。
[0011]所述第一、第二、第三及第四光纖探針在柔性板正前方的位置根據兩端固支板低階振動模態的振型分布圖布置，此位置可以通過光纖探針在水平支架和豎直支架上移動進行調整。
[0012]所述第一、第二、第三及第四光纖探針與柔性板的距離為5-100mm，針對不同類型的光纖探針有不同的標準距離，並且此距離可通過磁性底座的粗調和千分尺的微調來實現。
[0013]所述第一和第四光纖探針關於柔性板縱向中線對稱，分別距離柔性板寬度邊沿20mm;所述第二和第三光纖探針關於柔性板橫向中線對稱放置，分別距離柔性板長度邊沿200mmo
[0014]所述光纖位移測量儀系統的頻率範圍是0-500kHz。
[0015]所述豎直支架與水平支架成十字型交叉固定，並且水平支架可以在豎直支架上滑動。
[0016]還包括大底座，所述磁性底座安裝在大底座上。
[0017]一種基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測方法，包括如下步驟:
[0018]第一步當柔性板發生振動時，光纖探針中的接收光纖與柔性板之間的距離發生變化，接收光纖接收的反射光也發生變化，經過光電轉換後，通過電信號輸出其對應點的振動位移量；
[0019]第二步將步驟一得到的振動位移量經過光纖位移測量儀系統進行濾波處理後，通過A/D數據採集卡處理，再輸入計算機中；
[0020]第三步計算機運行解耦算法而得到兩端固支板的低階模態振動。
[0021]所述計算機運行解耦方法如下:
[0022]利用第一光纖探針和第四光纖探針檢測的振動位移信號相加，即為一階模態振動的位移信號wwl:
[0023]Wwl = w ! (X1, Y1, t) +W4 (x4, y4, t)
[0024]利用第一光纖探針和第四光纖探針檢測的振動位移信號相減，即為二階模態振動的位移信號wn2:
[0025]Wn2= w ! (X1, Y1, t) -W4(x4, y4, t)
[0026]式中W1 (X1, Y1, t)和W4(x4，y4, t)分別為第一光纖探針和第四光纖探針檢測的其對應點(Xi，Yi)和(χ4，y4)在t時刻的位移信號；
[0027]第二光纖探針和第三光纖探針用來輔助檢測三階以上模態振動的振動位移值。
[0028]本發明的有益效果:
[0029](I)本發明利用光纖位移測量儀檢測兩端固支板的彎曲和扭轉振動，是非接觸式測量，不增加結構附加質量，不改變結構特徵，具有測量精度高，動態響應快的優點；
[0030](2)光纖位移測量儀振動測量頻率範圍是0_500kHz，頻率範圍廣，遠優於其他類型傳感器，既適合於低頻振動測量也適合於高頻振動測量；
[0031](3)本發明設計了一套由水平支架和豎直支架組成的結構，可以簡便地手動調整光纖探針位置，從而可以簡便地測量兩端固支板上各點的振動位移，可以檢測三階模態振動之後的模態(包含三階模態)的振動位移值；
[0032](4)本裝置安裝有若干個光纖探針，既可以通過兩個光纖探針的測量信號組合解耦出兩端固支板的前兩階模態振動，也可以只利用其中一個光纖探針，通過將其放置在兩端固支板縱向中線處而測量出一階模態振動位移。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是實施例中基於光纖位移測量儀的兩端固支板振動檢測裝置的總體結構示意圖，
[0034]圖2是實施例中圖1的前視圖，
[0035]圖3是實施例中圖1的右視圖，
[0036]圖4是實施例中圖1的俯視圖，
[0037]圖5是實施例中用ANSYS軟體分析的兩端固支板的一階振動振型分布圖，
[0038]圖6是實施例中用ANSYS軟體分析的兩端固支板的二階振動振型分布圖，
[0039]圖7是實施例中用ANSYS軟體分析的兩端固支板的三階振動振型分布圖。
[0040]圖中示出:I一柔性板，2—第一光纖探針，3—第一千分尺，4一豎直支架，5—水平支架，6—第二光纖探針，7一第二千分尺，8一第三光纖探針，9一第三千分尺，10一第四光纖探針，11 一第四千分尺，12—磁性底座，13—大底座。
【具體實施方式】
[0041]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
[0042]實施例
[0043]如圖1、圖2、圖3及圖4所示，一種基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置，包括柔性板本體部分及振動檢測部分。
[0044]所述柔性板本體部分包括柔性板1、磁性底座12、大底座13、光纖探針及千分尺，所述柔性板I的兩端通過機械夾持裝置固定，所述磁性底座12安裝在大底座13上，所述光纖探針通過水平支架5及豎直支架4安裝在柔性板I的正前方，所述豎直支架4及水平支架5成十字型交叉固定，並且水平支架5可以在豎直支架4上滑動，具體為第一、第四光纖探針
2、10安裝在豎直支架4上，第二、第三光纖探針6、8安裝在水平支架上，本實施例選用光纖探針型號MT1-2125H，光纖探針距離柔性板I的距離為30mm，針對不同類型的光纖探針有不同的標準距離，此距離可通過磁性底座12的粗調和千分尺的微調來實現，光纖探針在柔性板寬度邊沿和長度邊沿的位置根據兩端固支板低階振動模態的振型分布圖來合理布置，並通過光纖探針在水平支架5和豎直支架4上的移動進行調整。
[0045]所述千分尺具體有四個，分別為第一、第二、第三及第四千分尺，所述第一及第四千分尺3、11安裝在豎直支架上，所述第二及第三千分尺7、9安裝在水平支架上，所述第一千分尺3調節第一光纖探針2與柔性板的距離，第二千分尺7調節第二光纖探針6與柔性板的距離，第三千分尺9調節第三光纖探針8與柔性板的距離，第四千分尺11調節第四光纖探針10與柔性板的距離。
[0046]本實施例中第一光纖探針2和第四光纖探針10關於柔性板縱向中線對稱放置，分別距離柔性板寬度邊沿20mm，第二光纖探針6和第三光纖探針8關於柔性板橫向中線對稱放置，分別距離柔性板長度邊沿200mm。
[0047]振動檢測部分
[0048]當柔性板I發生振動時，第一至第四光纖探針可以檢測出相應振動點的位移，振動信息經過光纖位移測量儀系統濾波處理，通過A/D數據採集卡處理，再輸入計算機中進行解耦而得到低階模態振動，可用于振動分析或控制；
[0049]一種基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測方法，包括如下步驟:
[0050]第一步，當柔性板發生振動時，光纖探針中的接收光纖與柔性板之間的距離發生變化，接收光纖接收的反射光也發生變化，經過光電轉換後，通過電信號輸出其對應點的振動位移量；
[0051]第二步將步驟一得到的振動位移量經過光纖位移測量儀系統進行濾波處理後，通過A/D數據採集卡處理，再輸入計算機中；
[0052]第三步計算機運行解耦算法而得到兩端固支板的低階彎曲和扭轉振動模態，計算機運行解耦方法如下:
[0053]利用第一光纖探針2和第四光纖探針10檢測的振動位移信號相加，即為一階模態振動的位移信號wwl:
[0054]Wwl = w I (X1, Y1, t) +W4 (x4, y4, t)
[0055]利用第一光纖探針2和第四光纖探針10檢測的振動位移信號相減，即為二階模態振動的位移信號wn2:
[0056]Wn2= w ! (X1, Y1, t) -W4(x4, y4, t)
[0057]式中Wl(Xl，yi，t) *w4(x4，y4，t)分別為第一光纖探針2和第四光纖探針10檢測的其對應點(Xl，yi)和(x4，y4)的位移信號，t為時間，以上一階和二階模態振動檢測運算方法適用於任何尺寸的兩端固定支板；
[0058]利用第二光纖探針6和第三光纖探針8檢測的振動位移信號相減，即為三階模態振動的位移信號ww3:
[0059]Ww3= w 2 (x2, j2, t) -W3 (x3, y3, t)
[0060]式中w2 (x2, j2, t)和W3 (x3, y3, t)分別為第二光纖探針和第三光纖探針檢測的其對應點(x2，y2)和(x3，y3)在t時刻的位移信號，t為時間，上述三階模態振動檢測運算方法只適合於本實例中具體尺寸的柔性板，對於其他尺寸的柔性板，此模態分析和測量解耦方法不一定適用，因此三階以上的模態振動檢測方法要根據具體尺寸的柔性板具體分析；
[0061]以上光纖探針的配置方法可以實現兩端固支板低階模態振動在檢測上的解耦。
[0062]圖1中的虛線連接表示光纖探針與光纖位移測量儀系統的連接，
[0063]如附圖2，圖3，圖4所示，第一光纖探針和第四光纖探針關於柔性板縱向中線對稱放置，距離柔性板寬度邊沿20mm，第二光纖探針和第三光纖探針關於柔性板橫向中線對稱放置，距離柔性板長度邊沿200mm，此位置可以通過光纖探針在水平支架和豎直支架上的移動進行調整；
[0064]如附圖5，圖6，圖7所不，兩端固支板前三階振動振型分布圖，一階模態振動頻率為19.002Hz, 二階模態振動頻率為25.460Hz，三階模態振動頻率為52.453Hz，光纖探針在柔性板寬度邊沿和長度邊沿的位置根據此振型分布圖來合理布置。
[0065]在本實施例中，柔性板的材料選用環氧樹脂材料薄板，其幾何尺寸可選700mmX500mmX2mm,即圖1所不水平方向長度為700mm，豎直方向長度為500mm，厚度為2mm，密度P為1840kg/m3，楊氏模量E為34.64GPa，泊松比v為0.33。
[0066]本實例中光纖位移測量儀選用美國MT1-2100系列光纖位移測量儀，可以精確的測量位移、位置和振動，其解析度高達0.25nm，頻率響應範圍0_500kHz，可以設置7種不同的低通濾波和3種不同的高通濾波。光纖探針選用MT1-2125H型號，探針直徑3.175mm，探針長度76.2mm，電纜線長1372mm，頻率響應為0_150kHz，有兩個測量範圍可以選擇，本發明選用範圍進行測量，線性範圍4.445mm，標準距離7.620mm，其中標準距離可通過光學透鏡調整。
[0067]A/D數據採集卡選用PC1-1800H多功能卡。PC1-1800系列是PCI總線高性能的數據採集卡，它可以在Windows環境下實現330KHZ的連續平滑的數據採集。計算機可選用研華工控機。
[0068]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於光纖位移測量儀的兩端固定支板振動檢測裝置，其特徵在於，包括柔性板本體部分及振動檢測部分， 所述柔性板本體部分包括柔性板、磁性底座、光纖探針及千分尺，所述柔性板的兩端通過機械夾持裝置固定，所述光纖探針通過水平支架及豎直支架安裝在柔性板的正前方，所述千分尺調節光纖探針與柔性板的距離，所述豎直支架安裝在磁性底座上； 所述振動檢測部分包括光纖位移測量儀系統，A/D數據採集卡及計算機，所述光纖位移測量儀系統採集光纖探針的振動信號，經過A/D數據採集卡處理後傳輸到計算機，所述計算機經過解耦得到兩端固支板的低階模態振動，用于振動分析或控制。
2.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，所述光纖探針具體有四個，分別為第一、第二、第三及第四光纖探針，所述第一及第四光纖探針安裝在豎直支架上，所述第二及第三光纖探針安裝在水平支架上； 所述千分尺具體有四個，分別為第一、第二、第三及第四千分尺，所述第一及第四千分尺安裝在豎直支架上，所述第二及第三千分尺安裝在水平支架上。
3.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特徵在於，所述第一、第二、第三及第四光纖探針在柔性板正前方的位置根據兩端固支板低階振動模態的振型分布圖布置。
4.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特徵在於，所述第一、第二、第三及第四光纖探針與柔性板的距離為5-100mm。
5.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特徵在於，所述第一和第四光纖探針關於柔性板縱向中線對稱，分別距離柔性板寬度邊沿20mm ;所述第二和第三光纖探針關於柔性板橫向中線對稱放置，分別距離柔性板長度邊沿200mm。
6.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，所述光纖位移測量儀系統的頻率範圍是 0-500kHzo
7.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，所述豎直支架與水平支架成十字型交叉固定，並且水平支架在豎直支架上滑動。
8.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，還包括大底座，所述磁性底座安裝在大底座上。
9.根據權利要求1-8任一項所述的檢測裝置的檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟: 第一步當柔性板發生振動時，光纖探針中的接收光纖與柔性板之間的距離發生變化，接收光纖接收的反射光也發生變化，經過光電轉換後，通過電信號輸出其對應點的振動位移量； 第二步將步驟一得到的振動位移量經過光纖位移測量儀系統進行濾波處理後，通過A/D數據採集卡處理，再輸入計算機中； 第三步計算機運行解耦算法而得到兩端固支板的低階模態振動。
10.根據權利要求9所述的檢測方法，其特徵在於，所述計算機運行解耦方法如下: 利用第一光纖探針和第四光纖探針檢測的振動位移信號相加，即為一階模態振動的位移?目號Wwl:
Wwl= W ! (X1, Y1, t) +W4 (x4, y4, t) 利用第一光纖探針和第四光纖探針檢測的振動位移信號相減，即為二階模態振動的位移?目號Wn2:
Wn2= w I (X1, Y1, t) -W4 (x4, y4, t) 式中W1 (X1, Yl, t)和W4(x4，y4, t)分別為第一光纖探針和第四光纖探針檢測的其對應點(X1, Y1)和(x4，y4)在t時刻的位移信號； 第二光纖探針和第三光纖探針用來輔助檢測三階以上模態振動的振動位移值。
【文檔編號】G01H9/00GK104457958SQ201410696245
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】邱志成, 謝凌波 申請人:華南理工大學