一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法技术

本发明专利技术提供了一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法，采用可平移的主向力加载机构，保证主向加载力力线与压电测力单元的轴线重合；通过阶梯加载满量程的主向力，重复多次并记录输出电压；对数据进行处理，计算得到每个压电力传感器的力电转换系数及其偏差；对测力仪进行中心点标定实验，利用测力仪中心点的实际输出与理论输出计算得到其稳定输出的修正系数，再结合测力单元力电转换系数及其偏差，将主向的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；最后引入测力仪主向加载的力学分配公式，建立测力仪主向输入与输出的关系式，完成测力仪的标定。本方法解决了之前对变加载点矢量力测试精度较低的问题，提高了矢量力测试装置的测试精度。

A calibration method of force measuring instrument based on sensor sensitivity difference

【技术实现步骤摘要】
一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法
本专利技术属于压电测力
，涉及一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法，可得到多加载点力输入与测力仪输出的高精度映射关系，有效提高多加载点力的标定精度。
技术介绍
测力仪作为工程测试中的核心部件，可测量笛卡尔坐标系下的力Fx、Fy和Fz以及力矩Mx、My、Mz，被广泛应用于力测量领域。标定作为测试前的重要环节，决定测试时灵敏度系数的大小，直接影响测试精度。标定测力仪时的加载方法主要分为砝码加载、机械加载、液压加载，具有操作简单、易于控制等优势，分别适用于不同的工况中。加载力值小时，采用砝码加载；加载力值较大时，采用机械加载结合标准力传感器或标准力环；加载力值大且加载装置不便人员操作时，采用液压加载。对于测力仪的标定方法，主要针对单个加载点，即对测力仪的中心进行标定，采用最小二乘法得到单加载点力输入与测力仪输出的线性映射关系。然而，在实际测试过程中，力的加载点通常偏离测试中心，由于组成测力仪的四个传感器灵敏度存在差异，不同加载点力输入与测力仪输出的映射关系存在差异。在同一外载荷作用下，随加载位置的变化，测力仪的输出变化量较大，应用单加载点标定方法标定精度较低。为提高四支点压电测力仪多加载点的标定精度，目前主要采用神经网络的方法，进行大量的多加载点标定实验，得到力输入与多加载点测力仪输出的高精度映射关系，但应用此类方法操作复杂、实验工作量大、耗时长，为此需要发展有效的测力仪多加载点标定方法。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的缺陷，专利技术一种测力仪多加载点力的标定方法。本方法通过对组成测力仪的4个压电力传感器进行标定，得到各个压电力传感器的力电转换系数和力电转换系数偏差；通过测力仪中心点标定实验，引入测力仪主向稳定输出的修正系数，结合压电力传感器的力电转换系数及其偏差，将测力仪的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；最后引入测力仪主向的力学分配公式，建立力输入与测力仪主向输出的高精度映射关系。本专利技术的技术方案：一种基于传感器灵敏度差异的标定方法，将压电力传感器安装在标定装置上；通过标定平台对压电力传感器进行阶梯主向力加载，重复多次，记录输出电压；采用最小二乘法，对数据平均值进行归一化处理，得到其主向灵敏度；计算得到4个压电力传感器的力电转换系数和力电转换系数偏差；将4个压电力传感器组装成测力仪并在其中心点进行标定实验，计算测力仪主向实际输出与理论输出的比值，得到其稳定输出的修正系数；结合4个压电力传感器主向力电转换系数及其偏差，将主向的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；引入测力仪主向加载的力学分配公式并代入主向输出的分解公式中，建立力输入与测力仪主向输出的高精度映射关系，完成测力仪的标定；具体步骤如下：第一步，压电力传感器与测力仪中心标定1)标定压电力传感器将1号压电力传感器安装在标定装置上，通过标定平台，采用阶梯加载的方式，进行压电力传感器标定实验，重复多次并记录数据；再对2、3、4号压电力传感器重复以上步骤，并记录输出数据；2)测力仪中心标定采用矩形布置的方式，将4个压电力传感器与上、下板组成压电测力仪；将测力仪固定在标定平台上，调节主向加载装置，对测力仪中心进行阶梯加载实验，重复多次并记录输出数据；第二步，数据处理1)输出电压信号预处理采用最小二乘法，分别对4个压电力传感器输出数据的平均值进行线性拟合，得到4个传感器力输入-电压输出曲线的斜率li(i＝1,2,3,4)，根据式(1)得到各传感器的力电转换系数，公式如下：ki＝li,(i＝1,2,3,4)(1)其中，ki为第i号压电力传感器的力电转化系数，四个传感器的平均力电转化系数为，根据式(3)计算1-4号压电力传感器的主向力电转换系数偏差Δki，公式如下：2)引入修正系数引入测力仪主向稳定输出的修正系数，其值等于在测力仪中心点进行主向加载时的实际输出Fc与理论输出的比值，如公式(4)所示，其中，为测力仪主向稳定输出的修正系数，Fi(i＝1,2,3,4)为4个压电力传感器各自的理论输出力值；3)分解主向输出力将测力仪的输出分为稳定输出与波动输出ΔU两部分，测力仪在主向多加载点力作用下的实际输出为：4)引入力学分配公式测力仪主向加载的力学分配公式如式(6)，其中，F为施加在测力仪上的主向力；以测力仪上板的中心点为原点建立平面直角坐标系，则主向力作用点的坐标为(δy，δx)；a为压电力传感器中心到X轴的距离，b为压电力传感器中心到Y轴的距离；将式(6)代入式(5)得到力输入-测力仪输出的映射关系，如式(7)所示，式(7)用于解决测力仪多加载点的标定问题；第三步，验证测力仪多加载点映射关系对测力仪上多点进行主向力标定实验，记录实验数据；利用公式(7)，计算出理论输入力值，与实际输入力值进行比较，发现该标定方法有效提高了多加载点力的标定精度。本专利技术的有益效果：利用现有的标定装置，考虑到不同压电力传感器灵敏度的差异性，通过传感器标定实验得到各传感器的力电转化系数及其偏差，引入测力仪稳定输出的修正系数，结合测力仪的力学分配公式，建立力输入与测力仪输出的高精度映射关系，解决了多加载点测力仪标定精度较低、工作量大、操作复杂等问题，提高了测力仪的标定精度与标定效率。附图说明图1为上、下标定板和压电力传感器安装于基座的示意图。图2为标定平台示意图。图3为测力仪组装示意图。图4为压电测力仪标定流程图。图中：1-基座；2-压电力传感器；3-标定装置上板；4-主向力移动面；5-铅垂力加载装置；6-第一手轮；7-水平导轨；8-锁紧螺母；9-标准力传感器；10-支撑螺柱；11-标定装置下板；12-水平仪；13-第二手轮；14-加载头；15-测力仪上板；16-测力仪下板；17-主向力作用点；18-测力仪中心点。具体实施方式下面结合附图和技术方案详细说明本专利技术的具体实施方式。标定方法先将4个压电力传感器分别装配在标定装置上，使标定装置上板、下板和压电力传感器同轴，标定装置下板采用螺栓连接固定在标定平台上，调节主向力加载装置，使其处于标定装置中心，进行主向力阶梯加载，重复5次并记录输出电压；对测力仪进行中心点标定实验，将测力仪上、下板和四个压电力传感器组装成测力仪，对测力仪中心点进行阶梯主向力加载，重复5次并记录输出电压；对数据进行预处理，计算4个压电力传感器的力电转换系数和力电转换系数偏差；利用测力仪中心点标定的数据引入主向稳定输出的修正系数，结合4个压电力传感器主向力电转换系数及其偏差，将主向输出分解为稳定输出和波动输出两部分；结合压电力传感器主向加载的力学分配公式，建立力输入与测力仪输出的高精度映射关系，完成测力仪的标定。实施例1，本专利技术的被标定物为四支点压电测力仪，其中4个压电力传感器布置方式为矩形布置；标定系统包括1个量程为5000N的标准力传感器，4台Kistler电荷放大器，1个数据采集卡DT9804，1台安装DEWESoft软件的电脑。第一步，标定4个压电力传感器利用螺栓，将标定装置下板11固定在加载平台的基座1上，再将第1号压电力传感器2固定在标定装置下板11上，然后将标定装置上板3固定在压电力传感器2上方，保证标定装置下板11、压电力传感器2和标定装置上板3的中心点在同一条竖直方向的直线上，并且该直线处于平移主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法，将压电力传感器安装在标定装置上；通过标定平台对压电力传感器进行阶梯主向力加载，重复多次，记录输出电压；采用最小二乘法，对数据平均值进行归一化处理，得到其主向灵敏度；计算得到4个压电力传感器的力电转换系数和力电转换系数偏差；将4个压电力传感器组装成测力仪并在其中心点进行标定实验，计算测力仪主向实际输出与理论输出的比值，得到其稳定输出的修正系数；结合4个压电力传感器主向力电转换系数及其偏差，将主向的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；引入测力仪主向加载的力学分配公式并代入主向输出的分解公式中，建立力输入与测力仪主向输出的高精度映射关系，完成测力仪的标定；其特征在于，具体步骤如下：第一步，压电力传感器与测力仪中心标定1)标定压电力传感器将1号压电力传感器安装在标定装置上，通过标定平台，采用阶梯加载的方式，进行压电力传感器标定实验，重复多次并记录数据；再对2、3、4号压电力传感器重复以上步骤，并记录输出数据；2)测力仪中心标定采用矩形布置的方式，将4个压电力传感器与上、下板组成压电测力仪；将测力仪固定在标定平台上，调节主向加载装置，对测力仪中心进行阶梯加载实验，重复多次并记录输出数据；第二步，数据处理1)输出电压信号预处理采用最小二乘法，分别对4个压电力传感器输出数据的平均值进行线性拟合，得到4个传感器力输入‑电压输出曲线的斜率li(i＝1,2,3,4)，根据式(1)得到各传感器的力电转换系数，公式如下：ki＝li,(i＝1,2,3,4)                         (1)其中，ki为第i号压电力传感器的力电转化系数，四个传感器的平均力电转化系数为，...

【技术特征摘要】
1.一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法，将压电力传感器安装在标定装置上；通过标定平台对压电力传感器进行阶梯主向力加载，重复多次，记录输出电压；采用最小二乘法，对数据平均值进行归一化处理，得到其主向灵敏度；计算得到4个压电力传感器的力电转换系数和力电转换系数偏差；将4个压电力传感器组装成测力仪并在其中心点进行标定实验，计算测力仪主向实际输出与理论输出的比值，得到其稳定输出的修正系数；结合4个压电力传感器主向力电转换系数及其偏差，将主向的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；引入测力仪主向加载的力学分配公式并代入主向输出的分解公式中，建立力输入与测力仪主向输出的高精度映射关系，完成测力仪的标定；其特征在于，具体步骤如下：第一步，压电力传感器与测力仪中心标定1)标定压电力传感器将1号压电力传感器安装在标定装置上，通过标定平台，采用阶梯加载的方式，进行压电力传感器标定实验，重复多次并记录数据；再对2、3、4号压电力传感器重复以上步骤，并记录输出数据；2)测力仪中心标定采用矩形布置的方式，将4个压电力传感器与上、下板组成压电测力仪；将测力仪固定在标定平台上，调节主向加载装置，对测力仪中心进行阶梯加载实验，重复多次并记录输出数据；第二步，数据处理1)输出电压信号预处理采用最小二乘法，分别对4个压电力传感器输出数据的平均值进行线性拟合，得到4个传感器力输入-电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，王炳，邵俊，任宗金，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21