CN114001903A - 一种冲击环境下位移响应测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击环境下位移响应测量装置及测量方法，该装置的底座两端通过X向旋转轴轴承连接有X向旋转架，X向旋转轴卡接有X向角度传感器，X向角度传感器固定用于底座上，X向旋转架轴承连接Z向旋转轴，Z向旋转轴一端部卡接有Z向角度传感器，Z向角度传感器固定于X向旋转架上，Z向旋转轴上连接有Z向旋转块，Z向旋转块上连接有伸缩位移传感器，伸缩位移传感器端部连接有连接头。测量方法为，记录测量点在未受到冲击时的位置；受到冲击时，记录此过程中每个数据采集时刻的伸缩位移传感器、Z向角度传感器和X向角度传感器的数值，通过位移响应模型得到测量点的位移响应。本发明解决现有的测量方法不便于安装，测量误差大等问题。

Description

一种冲击环境下位移响应测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及冲击测量技术，特别涉及一种冲击环境下的位移响应测量装置及测量方法。

背景技术

冲击广泛存在于航空航天、舰船、汽车等相关领域，因此这些领域的技术人员对于相关的设备或零部件在受到冲击后的响应非常关注，以便通过冲击响应来有针对性解决冲击对设备或零部件带来的影响。位移响应是冲击响应中非常重要的参数之一。

空间一点可以用X、Y、Z三个方向的坐标来表示该点的位置，因此，对于空间一点的冲击位移响应的测量通常是采用三个位移传感器分别测量采样时间内的X、Y、Z三个方向的位移变化，得到该点的位移响应。该种测量方法结构简单，位移响应数据直观，但是，测量水平位移的X、Y向的传感器，必须与被测点处在同一水平高度，对于测量空间任一点，传感器安装不便；另外，采用手动安装三个方向的传感器，增大了测量误差。在专利CN109341506B中，提到一种三向位移测量装置，采用三组基座、伸缩杆和三组位移测量模块，使三个方向的位移测量集中在一起，将被测点与伸缩杆连接在一起，通过位移测量模块可得被测点的位移。由于三个方向是互相垂直的，该测量装置初始时，伸缩杆处在最大的基座的中心位置并垂直于该基座所在平面，为了使被测点能与伸缩杆连接，测量装置与被测点之间必须有足够的空间，使被测点能够处在伸缩杆的正上方。该装置的使用对安装位置有额外的要求，不方便灵活。另外，通过应变测量模块测量因弹簧拉动引起的弹性薄片的变形得到位移值，由于额外增加了弹簧力，对于被测点的位移值的准确性存在干扰。

发明内容

发明目的：本发明提供一种冲击工况下位移响应测量装置及测量方法，其目的在于解决现有的测量方法不便于安装，测量误差大等问题。

技术方案：

一种冲击环境下位移响应测量装置，该装置的底座两端通过X向旋转轴轴承连接有X向旋转架，X向旋转轴卡接有X向角度传感器，X向角度传感器固定用于底座上，X向旋转架轴承连接Z向旋转轴，Z向旋转轴一端部卡接有Z向角度传感器，Z向角度传感器固定于X向旋转架上，Z向旋转轴上连接有Z向旋转块，Z向旋转块上连接有伸缩位移传感器，伸缩位移传感器端部连接有连接头。

进一步的，X向旋转架为长方体中空结构，在长边方向的两端开设有轴孔，在短边方向的两端开设有Z向轴承孔。

进一步的，Z向旋转轴为阶梯轴结构，中间有销轴孔，较小直径的一端设有第一平面，第一平面与Z向角度传感器卡接。

进一步的，X向旋转轴通过连接销的第二平面与X向角度传感器卡接。

进一步的，连接头

一端设置为关节轴承，另一端设置为螺纹孔，螺纹孔与伸缩位移传感器的端部固定连接，关节轴承用于连接被测件。

一种冲击环境下位移响应测量装置的测量方法，

S1：设定底座、X向旋转架在水平位置，伸缩位移传感器垂直且完全缩回时，为本装置的初始位置；

S2：底座固定在被测设备的安装基础上，连接头与被测设备的测量点连接，记录此时的伸缩位移传感器、Z向角度传感器和X向角度传感器的数值，得到被测设备的测量点在未受到冲击时的位置；

S3：当被测设备受到冲击时，测量点会产生空间位移，记录此过程中每个数据采集时刻的伸缩位移传感器、Z向角度传感器和X向角度传感器的数值，通过位移响应模型得到测量点的位移响应。

进一步的，位移响应模型为：

初始位置O可表示为：

P＝[0 0 0 1]

Y轴方向伸长m，绕X轴旋转α角，绕Z轴旋转β角的转换矩阵为：

则连接头的位置A可表示为：

P'＝PT＝[-mcosαsinβ mcosαcosβ msinα 1]

式中，m、α、β分别通过伸缩位移传感器、X向角度传感器、Z向角度传感器测出，转角α、β，逆时针为正，顺时针为负。

有益效果：

(1)本发明提供的冲击工况下位移响应测量装置，体积小，安装方便，能够与被测设备的任一点连接；

(2)本发明提供的冲击工况下位移响应测量装置，传感器集成布置，无外力干扰，测量精度高；

(3)本发明提供的冲击工况下位移响应测量装置，结构简单，便于加工制造。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明沿件3轴线的剖视图；

图3为本发明沿件7轴线的剖视图；

图4为件1的结构图；

图5为件2的结构图；

图6为件3的结构图；

图7为件6的结构图；

图8为件7的结构图；

图9为件10的结构图；

附图标记：

1.底座，1-1.立板，1-2.X向轴承孔，2.X向旋转架，2-1.轴孔，2-2.Z向轴承孔，3.Z向旋转轴，3-1.销轴孔，3-2.第一平面，4.Z向旋转块，5.伸缩位移传感器，6.连接头，7.X向旋转轴，7-1.大直径端，7-2.小直径端，7-3.连接销孔，8.Z向角度传感器，9.X向角度传感器，10.连接销，10-1.圆柱端，10-2.第二平面，11.销轴，12.Z向轴承，13.X向轴承。

具体实施方式

以下结合说明书附图更详细的说明本发明。

如图1-3所示，本发明一种冲击环境下位移响应测量装置包括：底座1，X向旋转架2，Z向旋转轴3，Z向旋转块4，伸缩位移传感器5，连接头6，X向旋转轴7，Z向角度传感器8，X向角度传感器9，连接销10，销轴11，X向轴承12，Z向轴承13。

如图4所示，底座1为倒置的“n”形结构，其底板的两端固定设置有立板1-1，立板1-1上开设有轴承孔1-2。

如图5所示，X向旋转架2为长方体中空结构，在长边方向的两端设置有轴孔2-1，在短边方向的两端有Z向轴承孔2-2。

如图6所示，Z向旋转轴3为阶梯轴结构，中间有销轴孔3-1，较小直径的一端设有第一平面3-2，使该端的截面为不完整的圆形。

如图2所示，Z向旋转轴3的两端安装有Z向轴承12，Z向轴承12安装在X向旋转架2的Z向轴承孔2-2内。Z向角度传感器8固定在X向旋转架2的长边外表面，且Z向角度传感器8的中心孔的形状与Z向旋转轴3的第一平面3-2端的截面形状相同，这样Z向旋转轴3的第一平面3-2端能够与Z向角度传感器8的中心孔相配合，并通过第一平面3-2驱动Z向角度传感器8的内部角度计量机构产生旋转。Z向旋转块4安装在Z向旋转轴3的中间位置。如图3所示，销轴11将Z向旋转轴3与Z向旋转块4连接在一起，伸缩位移传感器5安装在Z向旋转块4上。

如图7所示，连接头6设有关节轴承6-1和螺纹孔6-2。由于关节轴承6-1可以在一定范围内摆动，因此连接头6在关节轴承允许的摆动范围内与被测件任意连接。通过螺纹孔6-2，连接头6安装在伸缩位移传感器5的端部。

如图8所示，X向旋转轴7为圆柱结构，设有大直径端7-1，小直径端7-2，连接销孔7-3。

如图9所示，连接销10为棒状结构，设有圆柱端10-1和第二平面10-2，设有第二平面10-2端的截面为不完整的圆形。

如图3所示，X向旋转轴7的大直径端7-1通过螺钉安装在X向旋转架2的轴孔2-1内，小直径端7-2安装有X向轴承13。X向轴承13安装在底座1的轴承孔1-2内。X向角度传感器9安装在底座1的一个立板1-1的外表面上，且X向角度传感器9的中心孔的形状与连接销10的第二平面10-2端的截面形状相同，连接销10的圆柱端10-1安装在连接销孔7-3内，有第二平面10-2端能够与X向角度传感器9的中心孔相配合，X向旋转轴7通过连接销10的第二平面10-2驱动X向角度传感器9的内部角度计量机构产生旋转。

进一步阐述本发明在冲击工况下的测量方法，

本发明一种冲击环境下位移响应测量装置，可设定底座1、X向旋转架2在水平位置，伸缩位移传感器5垂直且完全缩回时，为本装置的初始位置。本装置通过底座1固定在被测设备的安装基础上，连接头6与被测设备的测量点连接，此时，伸缩位移传感器5伸长，Z向旋转块4、Z向旋转轴3转动，进而使Z向角度传感器8产生角度数值；X向旋转架2、X向旋转轴7转动，进而使X向角度传感器9产生角度数值。使用数据采集设备记录此时的伸缩位移传感器5、Z向角度传感器8和X向角度传感器9的数值，即得到被测设备的测量点在未受到冲击时的位置。当被测设备受到冲击时，被测设备由于自身的形变或者隔振器的减振作用，测量点会产生空间位移，在冲击过程中，测量装置相对于被测设备未受到冲击时，伸缩位移传感器5不断地伸长和缩短；Z向旋转块4、Z向旋转轴3不断地转动，进而使Z向角度传感器8产生变化的角度数值；X向旋转架2、X向旋转轴7不断地转动，进而使X向角度传感器9产生变化的角度数值。数据采集设备记录此过程中每个数据采集时刻的伸缩位移传感器5、Z向角度传感器8和X向角度传感器9的数值，通过数据分析既可得到在冲击过程中每个数据采集时刻，测量点的位移响应。

位移响应模型的具体计算方法如下，如图1所示，此时连接头6的位置A为被测设备未受到冲击时，连接头6与被测点连接的位置。位置A相对于初始位置O，即底座1、X向旋转架2在水平位置，伸缩位移传感器5垂直且完全缩回时的位置，发生了如下的变化：在Y轴方向伸长m，绕X轴旋转α角，绕Z轴旋转β角，则此时连接头6的位置A可用下列矩阵方程获得：

初始位置O可表示为：

P＝[0 0 0 1]

Y轴方向伸长m，绕X轴旋转α角，绕Z轴旋转β角的转换矩阵为：

则位置A可表示为：

P'＝PT＝[-mcosαsinβ mcosαcosβ msinα 1]

式中，m、α、β分别通过伸缩位移传感器、X向角度传感器、Z向角度传感器测出，转角α、β，逆时针为正，顺时针为负。

同理，在冲击过程中的各数据采样时刻点A相对于初始位置的的坐标都可通过上述矩阵算式得出，即测量点在冲击工况下的位移响应。

本发明一种冲击环境下位移响应测量装置，巧妙地使用角度传感器将水平方向的位移转化成旋转的角度，通过转换矩阵，将采集的数据转化成容易理解的直角坐标系表达的数据。

上述实施例中所提及的数据采集设备、传感器为现有设备。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种冲击环境下位移响应测量装置，其特征在于：该装置的底座(1)两端通过X向旋转轴(7)轴承连接有X向旋转架(2)，X向旋转轴(7)卡接有X向角度传感器(9)，X向角度传感器(9)固定用于底座(1)上，X向旋转架(2)轴承连接Z向旋转轴(3)，Z向旋转轴(3)一端部卡接有Z向角度传感器(8)，Z向角度传感器(8)固定于X向旋转架(2)上，Z向旋转轴(3)上连接有Z向旋转块(4)，Z向旋转块(4)上连接有伸缩位移传感器(5)，伸缩位移传感器(5)端部连接有连接头(6)。

2.根据权利要求1所述的冲击环境下位移响应测量装置，其特征在于：X向旋转架(2)为长方体中空结构，在长边方向的两端开设有轴孔(2-1)，在短边方向的两端开设有Z向轴承孔(2-2)。

3.根据权利要求1所述的冲击环境下位移响应测量装置，其特征在于：Z向旋转轴(3)为阶梯轴结构，中间有销轴孔(3-1)，较小直径的一端设有第一平面(3-2)，第一平面(3-2)与Z向角度传感器(8)卡接。

4.根据权利要求1所述的冲击环境下位移响应测量装置，其特征在于：X向旋转轴(7)通过连接销(10)的第二平面(10-2)与X向角度传感器(9)卡接。

5.根据权利要求1所述的冲击环境下位移响应测量装置，其特征在于：连接头(6)一端设置为关节轴承(6-1)，另一端设置为螺纹孔(6-2)，螺纹孔(6-2)与伸缩位移传感器(5)的端部固定连接，关节轴承(6-1)用于连接被测件。

6.一种如权利要求1所述的冲击环境下位移响应测量装置的测量方法，其特征在于：

S1：设定底座(1)、X向旋转架(2)在水平位置，伸缩位移传感器(5)垂直且完全缩回时，为本装置的初始位置；

S2：底座(1)固定在被测设备的安装基础上，连接头(6)与被测设备的测量点连接，记录此时的伸缩位移传感器(5)、Z向角度传感器(8)和X向角度传感器(9)的数值，得到被测设备的测量点在未受到冲击时的位置；

S3：当被测设备受到冲击时，测量点会产生空间位移，记录此过程中每个数据采集时刻的伸缩位移传感器(5)、Z向角度传感器(8)和X向角度传感器(9)的数值，通过位移响应模型得到测量点的位移响应。

7.根据权利要求6所述的冲击环境下位移响应测量装置的测量方法，其特征在于：位移响应模型为：

初始位置O可表示为：

P＝[0 0 0 1]

Y轴方向伸长m，绕X轴旋转α角，绕Z轴旋转β角的转换矩阵为：

则连接头(6)的位置A可表示为：

P'＝PT＝[-mcosαsinβ mcosαcosβ msinα 1]

式中，m、α、β分别通过伸缩位移传感器(5)、X向角度传感器(9)、Z向角度传感器(8)测出，转角α、β，逆时针为正，顺时针为负。

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