[发明专利]一种超低频高精度微振动测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种超低频高精度微振动测量系统，可用于对航天器内部微小扰动载荷在六个自由度上的振动信号进行动态测量。

背景技术

目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对指向精度和稳定度均提出了很高的要求。另外，在现代航天器姿态控制系统中，反作用轮、单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制系统中的重要元件，它们在提供必要的控制动力的同时，也会引起一些有害振动(为简单起见，下面将上述三种系统统称为扰动源)。这些扰动主要由飞轮不平衡、轴承扰动、电机扰动、电机驱动误差等引起的，其中电机扰动是导致太阳翼驱动机构振动的最主要原因，而且电机扰动的低频区域情况复杂，这些扰动力和扰动力矩会降低体太空中精密性仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰动的动态特性，对于分析并消除扰动从而提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。

由于航天器扰动源的扰动很小，个别有效载荷如动量轮在空间三个方向只能产生几十毫牛顿甚至几毫牛顿的微弱扰动，要想在具有相对强烈干扰背景噪音的地面实验室中测量此类扰动十分困难，而其对应传感器的精度要求非常高。另外，压电式力传感器在低频区域精确度较低，不能满足对太阳翼驱动机构振动的测试要求。

目前，国内外尚未见有关此类超低频微小振动测量系统的文献报导。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种超低频高精度微振动测量系统，测量并分析航天器运行过程中，扰动源在空间六个自由度上的动态特性，克服了压电式力传感器在低频区域精确度较低的不足，为提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计提供可靠的测试数据。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超低频高精度微振动测量系统，其测量频率可低至0Hz，其振动力和振动力矩的精度分别优于10^-3N和10^-3Nm；该测量系统包括底座1、测力装置2、动态应变仪3以及数据采集和处理系统4；测力装置2由四个应变式力传感器5、四个转接块6、负载盘7和48片应变片11组成；四个转接块6分别位于底座1的四个侧表面上，每个转接块6均通过三个螺栓拧紧于底座1的侧表面上；四个应变式力传感器5位于四个转接块6的上表面和负载盘7下表面之间，每个应变式力传感器5分别通过四个螺栓拧紧于转接块6的上表面和负载盘7的下表面；四个应变式力传感器5均有形状相同的三部分组成，其中两部分位于水平方向上，另一部分位于竖直方向上，且每一部分均在圆弧对应的平面位置处贴有4片应变片11，每部分的四片应变片11和动态应变仪3组成一个全桥，这样构成两个水平方向上的全桥8、9和竖直方向上的全桥10，两个水平方向上的全桥8、9保证能测量沿Z轴的振动力和绕X、Y轴的振动力矩，竖直方向上的全桥10保证能测量沿X、Y轴的振动力和绕Z轴的振动力矩；四个应变式力传感器5上的应变片11通过信号传输线与动态应变仪3相连；动态应变仪3输出通过信号传输线与数据采集和处理系统4相连；当微小扰动源产生振动时，四个应变式力传感器5上的应变片11与动态应变仪3组成的全桥产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统4转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础准确分析出微小扰动源的振动特性。

本发明的原理是：本发明包括底座、四个转接块、四个应变式力传感器、48片应变片、负载盘、动态应变仪以及数据采集和处理系统；扰动源安装在负载盘的中心处，四个应变式力传感器的水平部分上粘贴的应变片与动态应变仪组成的全桥用于测量Z方向的振动力和X、Y方向的振动力矩；四个应变式力传感器的竖直部分上粘贴的应变片和动态应变仪组成的全桥用于测量X、Y方向的振动力和Z方向的振动力矩；四个应变式力传感器上粘贴的应变片通过信号传输线与动态应变仪相连；动态应变仪输出通过信号传输线与数据采集和处理系统相连；当微小扰动源产生振动时，四个应变式力传感器上粘贴的应变片与动态应变仪组成的全桥产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础可以准确分析出微小扰动源的振动特性。

所述的四个转接块为不锈钢块，且对称地分布在底座的四个侧表面上。

所述的四个应变式力传感器为铝制元件，其上贴有应变片。

所述的四个应变式力传感器分别位于四个转接块的上表面上，且对称地分布在负载盘下表面上，并位于负载盘的边缘。

所述的负载盘的形状为内圆外方。