本發(fā)明涉及一種振動加速度測量裝置，尤其是一種六自由度振動加速度測量裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段，我國對機電產(chǎn)品和大型設(shè)備的振動環(huán)境試驗都采用一維振動方式。然而，一些已經(jīng)按照標(biāo)準(zhǔn)通過了一維振動試驗的軍用設(shè)備，在外場或服役階段的多維復(fù)雜振動環(huán)境中仍然會出現(xiàn)故障。實際上，設(shè)備的運行環(huán)境往往包含多維振動分量，只有用多軸振動試驗系統(tǒng)才能更有效地模擬設(shè)備的真實動力學(xué)環(huán)境，暴露設(shè)備在單軸激勵振動方式下不易被發(fā)現(xiàn)的缺陷和隱患。上世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)外已經(jīng)開始注意到模擬真實多維振動環(huán)境的必要性，并已著手多軸振動試驗系統(tǒng)的研究。在美軍標(biāo)MIL-STD-810G中的“方法527”提出了一種多維振動試驗方法。然而，多維振動環(huán)境特征的識別以及多維振動響應(yīng)特征的分析研究等均需要用到多維振動加速度傳感器，用于測量多維振動信號。因此，發(fā)明一種結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高的六自由度振動加速度測量裝置就顯得十分必要。

當(dāng)前，還沒有現(xiàn)成的通用裝置可以測量角加速度參數(shù)，如果采用角位移傳感器進行測量則存在體積大、安裝困難、頻率范圍受限等問題，而且，通過對角位移進行兩次微分來求角加速度不可避免地會產(chǎn)生計算誤差。近年來，加速度傳感器技術(shù)和性能的不斷提高，為傳感器空間陣列測試技術(shù)工程化應(yīng)用提供了條件。現(xiàn)有研究通常采用六加速度傳感器、九加速度傳感器、十二加速度傳感器以及一些其他構(gòu)型的傳感器陣列來實現(xiàn)六自由度振動的測量。

因此，需要借鑒無陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的相關(guān)技術(shù)，將傳感器空間陣列測試技術(shù)運用到振動環(huán)境中，可以有效地對較高頻率下的多維線振動與角振動加速度進行測量。即，通過多個三向加速度傳感器的空間陣列技術(shù)，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、動態(tài)性能好的加速度測量裝置，可以實現(xiàn)多維振動環(huán)境和多維振動響應(yīng)特征的測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要提供一種六自由度振動加速度測量裝置，該裝置采用一種由一個空間轉(zhuǎn)接頭、四個三向加速度傳感器和一個配重件組成的六自由度振動加速度測量裝置，適用于多維振動環(huán)境中三個線加速度和三個角加速度的同步測試，也可以應(yīng)用于多維振動環(huán)境試驗、多維振動響應(yīng)特征以及多維振動傳遞特性分析等方面的研究。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種六自由度振動加速度測量裝置，用于復(fù)雜振動環(huán)境中多維振動量的測量以及結(jié)構(gòu)多維振動分析，該裝置具有一個一體化的空間轉(zhuǎn)接頭，四個三向加速度傳感器和一個配重件，所述四個三向加速度傳感器分別安裝在空間轉(zhuǎn)接頭的豎直分叉梁和三根水平分叉梁上，其中，一根水平分叉梁后部延伸端安裝一個配重件，用于調(diào)節(jié)測量裝置關(guān)于垂直中心軸的幾何對稱性，所述豎直分叉梁下端固定在底座上。

所述底座通過膠水或磁性連接件安裝在被測件表面，豎直分叉梁和水平分叉梁之間通過筋板加固。

所述水平分叉梁和豎直分叉梁內(nèi)具有鏤空部分，用于有效降低空間轉(zhuǎn)接頭的重量。

四個三向加速度傳感器組成陣列，保證安裝在同一坐標(biāo)軸的敏感方向的正交性，三向加速度傳感器的三個敏感軸與絕對坐標(biāo)系中的對應(yīng)軸平行。

所述配重件位于測量裝置的Y軸負(fù)方向，使測量裝置的重量同時關(guān)于OXZ平面和OYZ平面對稱。

所述六自由度振動加速度測量裝置用于0-200Hz頻率范圍內(nèi)的六自由度振動環(huán)境的測量。

本發(fā)明的有益效果是：

六自由度振動加速度測量裝置通過三向加速度傳感器的空間陣列技術(shù)，可以實現(xiàn)對多維振動環(huán)境中線加速度和角加速度的同步測量。通過該發(fā)明中的方法，可以設(shè)計出重量小、剛度大的空間轉(zhuǎn)接頭，這保證了該測量裝置的振動測試頻率范圍。六自由度振動加速度測量裝置中四個傳感器均分布在裝置底座的一側(cè)，而在另一側(cè)未布置傳感器，這便于測量裝置在實際振動環(huán)境中的安裝與移動。空間轉(zhuǎn)接頭中的結(jié)構(gòu)薄弱部位均設(shè)計有筋板，這可以大幅提高空間轉(zhuǎn)接頭的剛度。在不影響轉(zhuǎn)接頭剛度的前提下，對空間轉(zhuǎn)接頭進行鏤空處理，這可以有效地降低轉(zhuǎn)接頭的重量。六自由度振動加速度測量裝置中安裝設(shè)計了配重件，這保證了測量裝置的重量在靜態(tài)時關(guān)于中心軸對稱，這提高了不同傳感器之間振動信號一致性的同時，也保證了裝置在測量過程中的平衡能力。

本發(fā)明所設(shè)計的六自由度振動加速度測量裝置具有測量頻率范圍寬、重量輕、安裝便捷以及測量精度高等諸多優(yōu)點，在工程上具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的六自由度振動加速度測量裝置的三維模型圖；

圖2A為六自由度振動加速度測量裝置主視圖；

圖2B為六自由度振動加速度測量裝置俯視圖；

圖3為三向加速度傳感器空間陣列方案圖；

圖4A為空間轉(zhuǎn)接頭一階模態(tài)及其振型；

圖4B為空間轉(zhuǎn)接頭二階模態(tài)及其振型；

圖4C為空間轉(zhuǎn)接頭三階模態(tài)及其振型；

圖4D為空間轉(zhuǎn)接頭四階模態(tài)及其振型

圖5為空間轉(zhuǎn)接頭加速度傳遞率曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的六自由度振動加速度測量裝置，如圖1所示，用于復(fù)雜振動環(huán)境中多維振動量的測量以及結(jié)構(gòu)多維振動分析技術(shù)的研究。六自由度振動加速度測量裝置的主體結(jié)構(gòu)為一個一體化的空間轉(zhuǎn)接頭，四個三向加速度傳感器和一個配重件剛性地安裝在空間轉(zhuǎn)接頭上。該發(fā)明通過動態(tài)優(yōu)化分析技術(shù)，設(shè)計了一種具有高振動模態(tài)的空間轉(zhuǎn)接頭，保證裝置具有較寬的振動測量頻率范圍。空間轉(zhuǎn)接頭進行鏤空和局部加筋處理，這大大提高了轉(zhuǎn)接頭模態(tài)的同時也降低了轉(zhuǎn)接頭的重量。全部加速度傳感器布置在空間的一側(cè)(即，裝置底座的一側(cè))，而另一側(cè)沒有布置傳感器，這便于測量裝置在復(fù)雜環(huán)境中的安裝與移動?；趧傮w動力學(xué)理論，利用三向傳感器的加速度信號，并通過空間幾何結(jié)構(gòu)的換算關(guān)系，得到多維振動環(huán)境測點處的六自由度振動加速度。

本發(fā)明使用四個三向加速度傳感器組成空間陣列的方案，減少了陣列中傳感器的個數(shù)，保證了安裝在同一坐標(biāo)軸的敏感方向的正交性，也便于在狹小空間中的安裝。六自由度振動加速度測量裝置的性能取決于其中空間轉(zhuǎn)接頭的幾何和性能參數(shù)，在轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)綜合考慮其尺寸、重量和剛度等參數(shù)。1)空間轉(zhuǎn)接頭尺寸方面，由于測點角加速度是有兩個傳感器位置處的線加速度以及這兩個位置的相對距離換算得到，在傳感器分辨率不變的情況下，轉(zhuǎn)接頭的尺寸越大(即兩個傳感器之間的相對距離越大)，則裝置的角加速度測量精度越高。然而，受限于真實多維振動環(huán)境的安裝空間，測量裝置的尺寸又不能過大。2)空間轉(zhuǎn)接頭剛度方面，由于三向加速度傳感器安裝在轉(zhuǎn)接頭的端部，轉(zhuǎn)接頭底座處的振動通過轉(zhuǎn)接頭向四個傳感器位置傳遞，在振動測量頻率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動傳遞特性不應(yīng)顯著變化，這要求空間轉(zhuǎn)接頭的剛度應(yīng)足夠大，即轉(zhuǎn)接頭的一階模態(tài)應(yīng)大于振動測量頻率上限的三倍。3)轉(zhuǎn)接頭重量方面，六自由度振動加速度測量裝置安裝在多維振動環(huán)境中，測量裝置的重量越重，則其對原有振動環(huán)境的多維振動響應(yīng)特征的影響越大。此外，考慮到測量裝置的便攜性，六自由度振動加速度測量裝置的重量不應(yīng)過大。4)六自由度振動加速度測量裝置中四個三向加速度傳感器采用商業(yè)化的高精度傳感器產(chǎn)品。傳感器的選擇應(yīng)重點考慮其加速度分辨率，這是由于受限于測量裝置的尺寸，測量裝置所能測量的角加速度分辨率一般為線加速度分辨率的10％～20％，這對于角加速度較小的振動環(huán)境，測量裝置的角加速度測試能力將大打折扣。

如圖2A和圖2B所示，四個三向加速度傳感器(1a、1b、1c和1d)分別安裝在裝置中的豎直分叉梁2a和三根水平分叉梁2b上，裝置中的豎直分叉梁和水平分叉梁之間由筋板2c加固，裝置的底座2d通過膠水或磁性連接件安裝在被測件表面，配重件3用于調(diào)節(jié)測量裝置關(guān)于垂直中心軸的幾何對稱性，提高裝置的安裝穩(wěn)定性。該裝置實現(xiàn)六自由度振動加速度測量的方式如下：

(一)傳感器陣列型式

本項目使用四個三向加速度傳感器組成陣列的方案，減少了陣列中傳感器的使用個數(shù)，保證了安裝在同一坐標(biāo)軸的敏感方向的正交性，在狹小振動環(huán)境空間中也便于安裝。六自由度加速度測量裝置中加速度傳感器的陣列方案如圖3所示，其中，O-XYZ表征實際被測多維振動環(huán)境坐標(biāo)系(絕對坐標(biāo)系)，A_i-a_ixa_iya_iz為三向加速度傳感器坐標(biāo)系(相對坐標(biāo)系)。A₁、A₂、A₃和A₄表示四個三向加速度傳感器，傳感器位置距離原點O或O’的距離分別為O’A₁＝l₁、O’A₂＝l₂、O’A₃＝l₃和OA₄＝l₄，O’O＝h，三向加速度傳感器的三個敏感軸與絕對坐標(biāo)系中的對應(yīng)軸平行。

(二)振動參數(shù)的解耦

以A表示加速度傳感器的十二個敏感軸上測量到的加速度信號，設(shè)l₁＝l₂＝l₃＝l₄＝l。假設(shè)絕對坐標(biāo)系的原點O(即振動環(huán)境中的被測點)的三軸六自由度加速度信號已知的情況下，由剛體運動學(xué)理論知識，六自由度加速度測量裝置中四個三向加速度傳感器的加速度信號A_i可以表示為

式中，A_i為第i個三向傳感器沿X、Y和Z軸的加速度信號向量，θ_i為第i個傳感器的敏感軸的方向矩陣；為絕對坐標(biāo)系原點O的線加速度向量；Ω和分別為絕對坐標(biāo)系原點O的運動角位移和角速度反對稱矩陣；L_i為第i個傳感器在絕對坐標(biāo)系中安裝的空間位置向量。具體地

三向加速度傳感器信號向量、安裝位置向量及敏感方向矩陣如表1所示。

表1傳感器安裝位置及敏感方向

假設(shè)h＝l/2，將L_i和i代入式(1)后得到被測點O沿X、Y和Z軸的線加速度與三向加速度傳感器輸出信號之間的關(guān)系為：

被測點O繞X、Y和Z軸的角加速度與三向加速度傳感器輸出信號之間的關(guān)系為：

由式(3)和式(4)可知，通過檢測六自由度振動加速度測量裝置上四個三向加速度傳感器的信號，可以換算得到多維振動環(huán)境被測點處的三個線加速度和三個角加速度。

(三)靜力分析

所設(shè)計的空間轉(zhuǎn)接頭的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)于如圖3所示的OXZ平面非對稱，為了消除結(jié)構(gòu)的不對稱性對六自由度振動加速度測量裝置的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)均衡性造成影響，在測量裝置的Y軸負(fù)方向安裝配重件，使測量裝置的重量同時關(guān)于OXZ平面和OYZ平面對稱。配重件形狀和重量的選擇通過靜力仿真分析來確定。

(四)動態(tài)分析

六自由度振動加速度測量裝置的測量頻率范圍的大小主要取決于測量裝置中空間轉(zhuǎn)接頭的剛度，轉(zhuǎn)接頭剛度越大，則測量裝置的振動測試頻帶越寬。本發(fā)明利用有限元仿真軟件，對空間轉(zhuǎn)接頭開展模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)接頭的一階振動模態(tài)的振型如圖4A所示，主要為水平分叉梁的彎曲運動，固有頻率為642Hz，二階振動模態(tài)的振型如圖4B所示，主要為轉(zhuǎn)接頭在水平分叉梁所在平面內(nèi)的反對稱彎曲運動，固有頻率為710Hz，三階振動模態(tài)的振型如圖4C所示，主要為轉(zhuǎn)接頭在水平分叉梁所在平面內(nèi)的對稱彎曲運動，固有頻率為744Hz，四階振動模態(tài)的振型如圖4D所示，主要為水平分叉梁的彎曲運動，固有頻率為899Hz。

進一步地，通過有限元軟真軟件中的諧波分析模塊，分析振動在六自由度振動加速度測量裝置的傳遞特征。利用力錘，在六自由度振動加速度測量裝置的底座(即多維振動環(huán)境測點所在位置)上施加錘擊力，分別測量裝置底座和水平分叉梁端部(三向傳感器所在位置)的加速度信號，并分析兩個測點處加速度的傳遞特性，傳遞率結(jié)果如圖5所示。由圖可知，在0-200Hz頻率范圍內(nèi)，加速度傳遞率接近1，即被測點處的振動幾乎毫無損失或放大地傳遞三向加速度傳感器位置。而從200Hz開始，測量裝置的加速度傳遞率逐漸變大，即被測點處的真實信號經(jīng)過測量裝置的傳遞后失真幅度變大?？傊?，本發(fā)明所設(shè)計的六自由度振動加速度測量裝置適用于0-200Hz頻率范圍內(nèi)的六自由度振動環(huán)境的測量。

(五)加工技術(shù)

空間轉(zhuǎn)接頭的材料選取6061硬鋁。為了保證六自由度振動加速度測量裝置的幾何尺寸以及動態(tài)性能穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)接頭不應(yīng)為裝配件，而應(yīng)為通過線切割等高精度加工方式所形成的一體件。轉(zhuǎn)接頭的整體結(jié)構(gòu)框架以及轉(zhuǎn)接頭上水平分叉梁和豎直分叉梁中的鏤空部位通過線切割加工方式，水平分叉梁和豎直分叉梁之間拐角處的筋板通過加工中心處理而成。空間轉(zhuǎn)接頭表面去毛刺，直角邊倒角。