一種基于自由落體的位移測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于自由落體的位移測量方法及裝置，其裝置包括位移傳感器、質(zhì)量體均置于支撐架內(nèi)，并與釋放機構(gòu)一起組成一體機，該一體機垂直固定于待測對象上。測試步驟包括繪制待測對象靜止時的位移-時間曲線、繪制待測對象振動時的位移-時間曲線、將含有振動信息的位移-時間曲線與位移測量的基線相減，即可得到待測對象的位移-時間曲線，克服了利用速度、加速度信號進行積分所引入的積分誤差。
【專利說明】一種基于自由落體的位移測量方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種強沖擊、振動過程中的位移測量方法及裝置，特別涉及絕對位移的測量方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在測試領(lǐng)域，位移是傳統(tǒng)的監(jiān)測量，隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，對位移測量的要求也趨向極端，特別在兵器制造、航空航天等領(lǐng)域，常常需要監(jiān)測強沖擊、振動環(huán)境中特定對象的位移變化量，要求傳感器具有頻率響應(yīng)快、頻帶范圍寬、靈敏度高等特點。目前工程中常用的位移傳感器有電阻式、電容式、電渦流式、差動變壓器、磁測法、光測法等，在各行業(yè)均得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]在強沖擊、振動過程中，常需要測量特定對象相對于沖擊、振動之前的位移量，在本發(fā)明中將該位移稱作絕對位移?？梢娊^對位移具有時間相對性，并不能通過常規(guī)的位移傳感器進行測量，因為常規(guī)位移傳感器大多是用于測量不同位置之間的位移，并不具有時間相對性。目前絕對位移的獲取，大多是先測量待測對象的速度、加速度值，積分后即可獲得待測對象的絕對位移，該方法容易引入積分誤差，而且頻帶范圍窄、頻率響應(yīng)慢，一般應(yīng)用于頻率較低的地震信號，不適用于強沖擊、振動過程的近區(qū)位移測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有時間相對性，頻帶范圍寬的位移測量方法及裝置。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0006]一種基于自由落體的位移測量方法，包括以下步驟:
[0007]I)在待測對象上固定空心支撐架，支撐架頂部上方設(shè)置釋放機構(gòu)，支撐架內(nèi)部設(shè)置質(zhì)量體和至少一個位移傳感器，所述質(zhì)量體被釋放機構(gòu)吸附于支撐架頂部內(nèi)側(cè)面；所述位移傳感器與質(zhì)量體或支撐架固連；
[0008]2)繪制待測對象靜止時的位移-時間曲線:
[0009]2.1)釋放機構(gòu)釋放質(zhì)量體，質(zhì)量體做自由落體運動；
[0010]2.2)位移傳感器測量支撐架與質(zhì)量體之間一個或者多個維度的位移X1 (t)；
[0011]2.3)記錄各個維度的位移-時間曲線，得到位移測量的基線；
[0012]3)繪制待測對象振動時的位移-時間曲線:
[0013]3.1)釋放機構(gòu)釋放質(zhì)量體，質(zhì)量體做自由落體運動；
[0014]3.2)待測對象開始振動，位移傳感器測量支撐架與質(zhì)量體之間一個或者多個維度的位移X1U)；
[0015]3.3)記錄各個維度的位移-時間曲線，得到含有振動信息的位移-時間曲線；
[0016]4)將含有振動信息的位移-時間曲線與位移測量的基線相減，即可得到待測對象的位移-時間曲線。[0017]上述位移傳感器可與質(zhì)量體的側(cè)面固連；所述待測對象水平方向振動。
[0018]上述位移傳感器還可與質(zhì)量體的頂面或底面固連；所述待測對象垂直方向振動。
[0019]上述位移傳感器還可與支撐架的頂面或底面固連；所述待測對象垂直方向振動。
[0020]上述位移傳感器還可與質(zhì)量體的側(cè)面和頂面或者側(cè)面和底面固連；所述待測對象三維方向振動。
[0021]一種基于自由落體的位移測量裝置，其特殊之處在于:
[0022]包括支撐架、位移傳感器、質(zhì)量體、釋放機構(gòu)；
[0023]所述支撐架為空心圓筒、空心框架或空心方筒結(jié)構(gòu)，其固定在待測對象的上方；
[0024]所述釋放機構(gòu)用于產(chǎn)生吸附質(zhì)量體的電磁力并根據(jù)輸入觸發(fā)信號以確定釋放動作的時刻；
[0025]所述質(zhì)量體為磁鐵或磁性材料，其設(shè)置在支撐架內(nèi)并被釋放機構(gòu)吸附在支撐架上端內(nèi)側(cè)；
[0026]所述位移傳感器數(shù)量至少為一個，其設(shè)置在支撐架或質(zhì)量體上，用于測量支撐架和質(zhì)量體之間一個或兩個或三個方向的位移。
[0027]上述空心圓筒或空心方筒為真空結(jié)構(gòu)。
[0028]上述釋放機構(gòu)I包括電磁螺線管、電源、控制器，所述電源為電磁螺線管通入電流以產(chǎn)生電磁力，所述控制器根據(jù)輸入的觸發(fā)信號，切斷通入電磁螺線管的電流。
[0029]上述位移傳感器為采用激光干涉法、激光三角法的傳感器，或者為成像相機。
[0030]本發(fā)明的有益效果:
[0031]由于本發(fā)明以自由落體的質(zhì)量體為基準，可以利用現(xiàn)有的多種位移傳感器進行絕對位移的測量，克服了利用速度、加速度信號進行積分所引入的積分誤差，特別地可以使用激光干涉法和激光三角法進行位移測量，使整個測量系統(tǒng)具有較強的抗電磁干擾能力和快的響應(yīng)速度，在兵器制造、工程振動、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明具體實施例的原理示意圖；
[0033]圖中，1-釋放機構(gòu)，2-支撐架，3-位移傳感器，4-質(zhì)量體，5-待測對象。
【具體實施方式】
[0034]如圖1所示，位移傳感器3、質(zhì)量體4均置于支撐架2內(nèi)，并與釋放機構(gòu)I 一起組成一體機，該一體機垂直固定于待測對象5上。
[0035]質(zhì)量體，為位移測量提供基準，在測量過程中質(zhì)量體做自由落體運動；
[0036]釋放機構(gòu)，用于在測量過程之前某一時刻釋放質(zhì)量體，使質(zhì)量體做自由落體運動；
[0037]位移傳感器，用于測量支撐架與質(zhì)量體之間的位移；
[0038]支撐架，用于支撐質(zhì)量體、釋放機構(gòu)和位移傳感器，并垂直固定于待測對象，可以反映待測對象的運動情況；
[0039]質(zhì)量體、釋放機構(gòu)、位移傳感器和支撐架共同組成一體機，釋放機構(gòu)需要輸入觸發(fā)信號以確定釋放動作的時刻，位移傳感器的輸出信號需要數(shù)據(jù)采集儀記錄。[0040]質(zhì)量體可以選取磁鐵或者磁性材料。
[0041]釋放機構(gòu)可以利用電磁繼電器的工作原理來實現(xiàn)。簡單地包括電磁螺線管、電源、控制器。為電磁螺線管通入足夠大的電流，其產(chǎn)生的磁力與質(zhì)量體相互作用，使質(zhì)量體處于靜止狀態(tài)，當輸入觸發(fā)信號后，通過比較器和功率放大器組成的控制器，立即切斷通入螺線管的電流，則磁力消失，完成釋放動作。
[0042]位移傳感器用于測量一個或兩個或三個方向的位移，位移傳感器可以選用激光干涉法、激光三角法、電容法等常規(guī)測量方法，測量支撐架與質(zhì)量體之間的位移。位移傳感器也可以選擇相機成像系統(tǒng)從不同角度拍攝支撐架與質(zhì)量體，從而得出支撐架與質(zhì)量體之間的位移。
[0043]支撐架的高度與位移測量時間相關(guān)，即質(zhì)量塊自由落體的時間。支撐架可以用抽真空的管道來實現(xiàn)，并將質(zhì)量體、位移傳感器置入其中，以避免空氣流動對質(zhì)量體運動的干擾。
[0044]釋放機構(gòu)I由電磁螺線管、電源、控制器組成，測量前為電磁螺線管通入足夠大的電流，其產(chǎn)生的磁力與質(zhì)量體4相互作用，使質(zhì)量體4處于靜止狀態(tài)，當輸入觸發(fā)信號后，通過由比較器和功率放大器組成的控制器，立即切斷通入電磁螺線管的電流，使磁力消失，質(zhì)量體4受重力作用，開始做自由落體運動。
[0045]支撐架2為空心柱狀體 ，其高度決定著測量時間，可以由當?shù)氐闹亓铀俣群退枰臏y量時間計算出支撐架2的高度，具體可利用式(I)進行計算。
[0046]h = 0.5gT2(I)
[0047]式中，
[0048]h表示支撐架的最小高度，
[0049]g表示當?shù)刂亓铀俣龋?br> [0050]T表示位移測量的時間。
[0051]當位移測量時間取0.ls，重力加速度取lOm/s2時，支撐架2的最小高度為0.05m。為確保記錄到振動信號，位移測量的時間應(yīng)足夠長。
[0052]支撐架2的直徑由待測位移量的大小、質(zhì)量體4和位移傳感器3的體積來確定，確保在測量過程中，支撐架2的管壁與質(zhì)量體4、位移傳感器3不發(fā)生碰撞。
[0053]支撐架2需要固定安裝在待測對象5上，隨待測對象5 —起運動，而且要求支撐架2的位移可以反映出待測對象5的位移，同時應(yīng)盡量減小支撐架2對待測對象5運動的影響。這就要求支撐架2的質(zhì)量越小越好，同時支撐架2應(yīng)具有良好的剛性，特別地，當待測對象5的運動較為劇烈時，即待測位移信號的頻率較高時，支撐架2的體積應(yīng)盡量小，以減小支撐架2自身的擺動對測量結(jié)果的影響。
[0054]位移傳感器3用于測量質(zhì)量體4與支撐架2之間的位移。當測量水平位移時，位移傳感器3可以固定安裝在質(zhì)量體4的側(cè)邊，且正對(或者背對)待測的位移方向，用于測量支撐體2與位移傳感器3之間的垂直位移，可以同時安裝多個位移傳感器3，實現(xiàn)多維度的位移測量。為提高測量精度，控制成本，需根據(jù)待測位移量的大小選擇合適的位移傳感器3，對厘米級的位移量，可以選擇激光干涉法實現(xiàn)，對毫米級的位移量，可以選擇光強調(diào)制型的微位移測量方法來實現(xiàn)。位移傳感器3的引出線松散地盤旋于支撐架的頂部，以避免影響質(zhì)量體4的自由落體過程。[0055]當測量待測對象5垂直方向的位移時，位移傳感器3可固定于支撐架2頂部或者底部的中心位置，并正對質(zhì)量體4，用于測量質(zhì)量體4與位移傳感器3之間的垂直位移，可以選擇激光三角法來實現(xiàn)該位移的實時測量。
[0056]質(zhì)量體4選取磁鐵或者磁性材料，位于支撐架2的中心位置，在測量之前，被釋放機構(gòu)I所吸附，處于支撐架2的頂部，在測量過程中做自由落體運動。為減弱位移傳感器3的引入線對質(zhì)量體4的作用力，質(zhì)量體4的質(zhì)量可以選取的足夠大。
[0057]該一體機需要輸入觸發(fā)信號來控制釋放機構(gòu)I的釋放動作，需要信號記錄儀完成位移傳感器3輸出的位移信號采集。
[0058]為提高位移測量精度，可以在待測對象無振動時，重復(fù)進行位移測量工作，并記錄各個維度的位移-時間曲線，作為位移測量的基線，利用該基線對實驗結(jié)果進行校準。具體地，將含有振動信息的位移-時間曲線與該基線相減，即可得到待測對象的位移-時間曲線。對實驗結(jié)果進行校準后，可以獲得高精度的位移-時間曲線，完成絕對位移的測量工作。
[0059]本發(fā)明工作原理:
[0060]本發(fā)明中，將支撐架垂直固定于待測對象，確保支撐架隨著待測對象一起運動，在待測對象振動之前，確保釋放機構(gòu)完成釋放動作，質(zhì)量體脫離釋放機構(gòu)，做自由落體運動，并將質(zhì)量體作為位移測量的基準。在待測對象振動過程中，要求質(zhì)量體處于自由落體過程中，并利用位移傳感器測量支撐架與質(zhì)量體之間一個或者多個維度的位移X1 (t)，該位移量可以反映待測對象的振動位移x(t)。對水平方向，待測對象的振動位移X(t)可利用下式計算:
[0061]X(O=X1Ct)-L(2)
[0062]其中，L為測量過程開始之前，支撐架與質(zhì)量體之間的固有位移。
[0063]對垂直方向還需要扣除自由落體引起的位移，此時需要得知當?shù)氐闹亓铀俣萭，利用公式表達X (t)為:
[0064]X (t) = X1(^t)-0.5g(t_t0)2(3)
[0065]其中，h為質(zhì)量體開始脫離釋放機構(gòu)的時刻。
[0066]該方法中，為提高位移測量精度，可以在待測對象無振動時，重復(fù)進行位移測量，并記錄各個維度的位移-時間曲線，作為位移測量的基線Xtl (t)，利用該基線對實驗結(jié)果進行校準。具體地，將含有振動信息的位移-時間曲線Xi(t)與相對應(yīng)的基線XtlU)相減，即可得到待測對象的位移-時間曲線x(t)，利用公式表達為:
[0067]X(t) = X1(O-Xoa)(4)
[0068]對垂直方向的位 移測量而言，該校準方法可以省去測量當?shù)氐闹亓铀俣龋粚λ椒较虻奈灰茰y量而言，該方法可以消除支撐架安裝造成的垂直位置誤差，以及支撐架的加工誤差。對實驗結(jié)果進行校準后，可以獲得高精度的位移-時間曲線，完成位移測量工作。
【權(quán)利要求】
1.一種基于自由落體的位移測量方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)在待測對象上固定空心支撐架，支撐架頂部上方設(shè)置釋放機構(gòu)，支撐架內(nèi)部設(shè)置質(zhì)量體和至少一個位移傳感器，所述質(zhì)量體被釋放機構(gòu)吸附于支撐架頂部內(nèi)側(cè)面；所述位移傳感器與質(zhì)量體或支撐架固連； 2)繪制待測對象靜止時的位移-時間曲線: 2.1)釋放機構(gòu)釋放質(zhì)量體,質(zhì)量體做自由落體運動； 2.2)位移傳感器測量支撐架與質(zhì)量體之間一個或者多個維度的位移X1U)； 2.3)記錄各個維度的位移-時間曲線，得到位移測量的基線； 3)繪制待測對象振動時的位移-時間曲線: 3.1)釋放機構(gòu)釋放質(zhì)量體,質(zhì)量體做自由落體運動； 3.2)待測對象開始振動，位移傳感器測量支撐架與質(zhì)量體之間一個或者多個維度的位移X1⑴； 3.3)記錄各個維度的位移-時間曲線，得到含有振動信息的位移-時間曲線； 4)將含有振動信息的位移-時間曲線與位移測量的基線相減，即可得到待測對象的位移-時間曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自由落體的位移測量方法，其特征在于:所述位移傳感器與質(zhì)量體的側(cè)面固連；所述待測對象水平方向振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自由落體的位移測量方法，其特征在于:所述位移傳感器與質(zhì)量體的頂面或底面固連；所述待測對象垂直方向振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自由落體的位移測量方法，其特征在于:所述位移傳感器與支撐架的頂面或底面固連；所述待測對象垂直方向振動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自由落體的位移測量方法，其特征在于:所述位移傳感器與質(zhì)量體的側(cè)面和頂面或者側(cè)面和底面固連；所述待測對象三維方向振動。
6.一種基于自由落體的位移測量裝置，其特征在于: 包括支撐架、位移傳感器、質(zhì)量體、釋放機構(gòu)； 所述支撐架為空心圓筒、空心框架或空心方筒結(jié)構(gòu)，其固定在待測對象的上方； 所述釋放機構(gòu)用于產(chǎn)生吸附質(zhì)量體的電磁力并根據(jù)輸入觸發(fā)信號以確定釋放動作的時刻； 所述質(zhì)量體為磁鐵或磁性材料，其設(shè)置在支撐架內(nèi)并被釋放機構(gòu)吸附在支撐架上端內(nèi)側(cè)； 所述位移傳感器數(shù)量至少為一個，其設(shè)置在支撐架或質(zhì)量體上，用于測量支撐架和質(zhì)量體之間一個或兩個或三個方向的位移。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于自由落體的位移測量裝置，其特征在于: 所述空心圓筒或空心方筒為真空結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的基于自由落體的位移測量裝置，其特征在于: 所述釋放機構(gòu)I包括電磁螺線管、電源、控制器，所述電源為電磁螺線管通入電流以產(chǎn)生電磁力，所述控制器根據(jù)輸入的觸發(fā)信號，切斷通入電磁螺線管的電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于自由落體的位移測量裝置，其特征在于: 所述位移傳感器為采用激光干涉法、激光三角法的傳感器，或者為成像相機。
【文檔編號】G01B11/02GK104006746SQ201410243075
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】王昭, 張德志, 李焰, 楊軍, 陳立強, 李進 申請人:西北核技術(shù)研究所