一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法及装置，本发明专利技术装置主要包括：导向柱、滑轮、气缸、加速度计、钢丝绳、提升块、压头、底座、承载工装、安装座、刹车机构、挡块、拉线式编码器、落锤、固定桩、空气压缩机、动态数据采集系统。本发明专利技术方法包括安装待标定多轴动态力传感器、安装承载工装、提升落锤、跌落冲击、采集数据、求取各敏感轴的输入冲击力载荷、求取输入矩阵和输出矩阵、计算待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数的步骤。本发明专利技术装置可以在较宽范围内实现对不同量程、不同频响多轴动态力传感器的同步冲击校准；本发明专利技术方法实现了对多轴动态力传感器主灵敏度系数及轴间耦合灵敏度系数的同步冲击校准。度系数的同步冲击校准。度系数的同步冲击校准。

【技术实现步骤摘要】
一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法与装置


[0001]本专利技术属于传感器校准
，具体是一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法与装置。

技术介绍

[0002]承载结构在服役过程中所承受的动态载荷是对其进行可靠性设计与强度校核的重要参考和依据。实际工程中，通常采用动态力传感器对结构的动态载荷进行测量。特别是对于三轴动态力传感器，因其可沿三个坐标轴方向同时测量动态载荷而具有相对更大的应用价值和需求。
[0003]在应用三轴动态力传感器测量空间三维动态载荷之前，须先对其灵敏度系数进行校准。三轴动态力传感器的校准相对单轴动态力传感器以及三轴静态力传感器更加困难，主要体现在三轴动态力传感器校准所需要的载荷对同步性有要求，即要求校准所需要的载荷不仅为可被准确计量的动态载荷，还要求沿不同轴向的动态载荷在时间上保持同步。对于脉宽仅为毫秒或亚秒级的冲击载荷而言，要实现其三轴同步激励具有一定的技术难度。
[0004]目前，能够实现力传感器三轴或多轴同步校准的方法和装置主要是针对静态力传感器。例如，专利CN202133503U公开了一种基于砝码静力加载的微型三维力传感器校准装置，而且该装置只能对三轴力传感器的各敏感轴进行依次校准，而无法进行同步校准。专利CN106153248A公开了一种基于砝码静力加载的高精度三轴力传感器校准装置，相对专利CN202133503U，专利CN106153248A的改进之处在于可实现三轴力传感器的同步校准。专利CN114088289A、专利CN114279631A分别公开了一种基于矢量分解原理的三轴静态力传感器同步校准装置，不同的是专利CN114088289A公开的校准装置中静态载荷由推力计施加，而专利CN114279631A公开的装置中静态载荷由砝码施加。上述三轴力传感器校准装置只能适用于静态力传感器，而无法适用于动态力传感器，主要原因为上述装置只能激励同步的静态载荷，对于动态力传感器校准所需的同步动态载荷则无法激励。
[0005]事实上，实现动态力传感器校准的理想载荷应为冲击载荷。一方面，动态力传感器多为压电型传感器，其本身无法对静态载荷进行有效感知和测量；另一方面，冲击载荷脉宽较窄，所覆盖的频带较宽，当冲击载荷的频带范围包含传感器的频响范围时，即可实现动态力传感器全频域范围内的校准。专利CN205981543U公开了一种基于伺服驱动加载的三轴力传感器动态响应校准装置。专利CN108645562B公开了一种基于三轴Hopkinson杆的三轴动态力传感器的校准装置。然而，受制于伺服驱动能力的限制，专利CN205981543U公开的装置无法激励高频的动态载荷，因此很难实现动态力传感器全频域范围内的校准。专利CN108645562B公开的装置则要求待校准三轴动态力传感器的各敏感轴均与一弹性基座的内表面连接，这与目前广泛采用的三轴动态力传感器的封装方式与使用模式并不适配，因此很难在实际工程中得以应用。
[0006]综上，现有多轴力传感器校准方法和装置难以实现多轴动态力传感器准确、有效的校准，尤其是对于频响较高的多轴动态力传感器。造成这一技术问题或不足的主要原因
是现有方法和装置无法沿多个坐标轴方向激励同步的宽频带冲击载荷，从而无法实现多轴动态力传感器的同步加载和和同步冲击标定。

技术实现思路

[0007]为了克服现有力传感器校准方法和装置存在的无法沿多个坐标轴方向激励同步冲击载荷进而无法实现多轴动态力传感器同步冲击加载和同步冲击标定的技术问题和不足，本专利技术基于落锤和矢量分解原理提出了一种可实现多轴动态力传感器同步冲击加载和同步冲击标定的方法和装置。
[0008]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：
[0009]一种多轴动态力传感器同步冲击校准装置，主要包括：导向柱、滑轮、气缸、加速度计、钢丝绳、提升块、压头、底座、承载工装、安装座、刹车机构、挡块、拉线式编码器、落锤、固定桩、空气压缩机、动态数据采集系统。
[0010]所述底座水平安装，上表面水平，固定于水平地面上，为校准装置的基础。
[0011]所述导向柱位于所述底座上侧，竖直放置，长度方向与所述底座上表面垂直，与所述底座固定连接。所述导向柱设置2根。
[0012]所述气缸位于所述底座上侧，竖直放置，长度方向与所述底座上表面垂直，与所述底座固定连接。所述气缸有2个，对称设置于所述导向柱的外侧。
[0013]所述固定桩位于所述底座上侧，与所述底座固定连接，所述固定桩有2个，对称设置于所述气缸的外侧。所述滑轮位于所述气缸的上端，与所述气缸固定连接，对称设置。
[0014]所述刹车机构与所述落锤固定连接，位于所述导向柱与所述落锤之间，所述刹车机构的内表面与所述导向柱的外表面相接触，可以形成摩擦阻力，用于定位所述落锤的位置、或者限制所述落锤沿所述导向柱的自由度。所述落锤位于2根导向柱之间。所述挡块与所述刹车机构固定连接。
[0015]所述钢丝绳的一端与所述提升块连接，另一端与所述固定桩连接。所述钢丝绳自固定桩一端，绕过所述滑轮，穿过所述挡块的中心孔至所述提升块。当所述气缸推动所述滑轮向上移动时，在所述钢丝绳的作用下，所述提升块向上移动，可带动所述挡块、所述刹车机构、所述落锤一起向上移动。
[0016]所述拉线式编码器位于所述底座上侧、所述提升块上侧，与所述底座固定连接，所述拉线式编码器的编码器拉伸线与所述提升块相连。当所述编码器拉伸线处于拉伸状态时，编码器拉伸线中心线与所述滑轮至所述提升块之间的钢丝绳的中心线重合。
[0017]所述加速度计位于所述落锤上侧中心处，与所述落锤胶粘连接。所述压头位于所述落锤下侧中心处，与所述落锤固定连接，所述压头表面为半球面，材质为硅橡胶。所述安装座位于所述底座上侧、所述落锤下侧，与所述底座固定连接。
[0018]校准时，待标定多轴动态力传感器安装在所述安装座的安装座斜面上。
[0019]所述承载工装固定于待标定多轴动态力传感器的载荷接收端，所述承载工装的承载端面为水平面，所述承载工装的承载端面的中心点位于压头中心点的重垂线上。
[0020]所述空气压缩机与所述气缸、所述刹车机构相接，用于给所述气缸、所述刹车机构提供压力。所述动态数据采集系统通过信号线与所述加速度计连接。
[0021]上述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，所述刹车机构为气压碟刹刹车机
构。
[0022]上述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，所述拉线式编码器包含编码器拉伸线、转子、数字式显示表。编码器拉伸线一端缠绕于转子，一端固定于所述提升块的下表面中心处。转子连接于数字式显示表，数字式显示表可显示编码器拉伸线向外拉伸的长度值，拉线式编码器的量程不小于导向柱的长度。
[0023]上述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，所述动态数据采集系统至少包含4个通道。
[0024]一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法，具体步骤如下：
[0025]步骤1，安装待标定多轴动态力传感器
[0026]将待标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，主要包括：导向柱(1)、滑轮(2)、气缸(3)、加速度计(4)、钢丝绳(5)、提升块(6)、压头(7)、底座(8)、承载工装(9)、安装座(10)、刹车机构(11)、挡块(12)、拉线式编码器(15)、落锤(16)、固定桩(17)、空气压缩机(18)、动态数据采集系统(19)；所述底座(8)水平安装，上表面水平，固定于水平地面上，为校准装置的基础；所述导向柱(1)位于所述底座(8)上侧，竖直放置，长度方向与所述底座(8)上表面垂直，与所述底座(8)固定连接；所述导向柱(1)设置2根；所述气缸(3)位于所述底座(8)上侧，竖直放置，长度方向与所述底座(8)上表面垂直，与所述底座(8)固定连接；所述气缸(3)有2个，对称设置于所述导向柱(1)的外侧；所述固定桩(17)位于所述底座(8)上侧，与所述底座(8)固定连接，所述固定桩(17)有2个，对称设置于所述气缸(3)的外侧；所述滑轮(2)位于所述气缸(3)的上端，与所述气缸(3)固定连接，对称设置；所述刹车机构(11)与所述落锤(16)固定连接，位于所述导向柱(1)与所述落锤(16)之间，所述刹车机构(11)的内表面与所述导向柱(1)的外表面相接触，可以形成摩擦阻力，用于定位所述落锤(16)的位置、或者限制所述落锤(16)沿所述导向柱(1)的自由度；所述落锤(16)位于2根导向柱(1)之间；所述挡块(12)与所述刹车机构(11)固定连接；所述钢丝绳(5)的一端与所述提升块(6)连接，另一端与所述固定桩(17)连接；所述钢丝绳(5)自固定桩(17)一端，绕过所述滑轮(2)，穿过所述挡块(12)的中心孔至所述提升块(6)；当所述气缸(3)推动所述滑轮(2)向上移动时，在所述钢丝绳(5)的作用下，所述提升块(6)向上移动，可带动所述挡块(12)、所述刹车机构(11)、所述落锤(16)一起向上移动；所述拉线式编码器(15)位于所述底座(8)上侧、所述提升块(6)上侧，与所述底座(8)固定连接，所述拉线式编码器(15)的编码器拉伸线(14)与所述提升块(6)相连；当所述编码器拉伸线(14)处于拉伸状态时，编码器拉伸线(14)中心线与所述滑轮(2)至所述提升块(6)之间的钢丝绳(5)的中心线重合；所述加速度计(4)位于所述落锤(16)上侧中心处，与所述落锤(16)胶粘连接；所述压头(7)位于所述落锤(16)下侧中心处，与所述落锤(16)固定连接，所述压头(7)表面为半球面，材质为硅橡胶；所述安装座(10)位于所述底座(8)上侧、所述落锤(16)下侧，与所述底座(8)固定连接；校准时，待标定多轴动态力传感器(13)安装在所述安装座(10)的安装座斜面(23)上；所述承载工装(9)固定于待标定多轴动态力传感器(13)的载荷接收端，所述承载工装(9)的承载端面(20)为水平面，所述承载工装(9)的承载端面(20)的中心点位于压头(7)中心点的重垂线上；所述空气压缩机(18)与所述气缸(3)、所述刹车机构(11)相接，用于给所述气缸(3)、所述刹车机构(11)提供压力；所述动态数据采集系统(19)通过信号线与所述加速度计(4)连接。2.根据权利要求1所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，所述刹车机构(11)为气压碟刹刹车机构。3.根据权利要求1所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，所述拉线式编码器(15)包含编码器拉伸线(14)、转子、数字式显示表；编码器拉伸线(14)一端缠绕于转子，一端固定于所述提升块(6)的下表面中心处；转子连接于数字式显示表，数字式显示
表可显示编码器拉伸线(14)向外拉伸的长度值，拉线式编码器(15)的量程不小于导向柱(1)的长度。4.根据权利要求1所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，所述动态数据采集系统(19)至少包含4个通道。5.使用根据权利要求1至4中任一项所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置实施同步冲击校准的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，安装待标定多轴动态力传感器(13)：将待标定多轴动态力传感器(13)安装于安装座斜面(23)中心处，以待标定多轴动态力传感器(13)的敏感轴为坐标轴，建立坐标系；将待标定多轴动态力传感器(13)的敏感轴信号输出通道与动态数据采集系统(19)连接；步骤2，安装承载工装(9)：将承载工装(9)固定于待标定多轴动态力传感器(13)的载荷接收端，并使承载端面(20)为水平面；步骤3，提升落锤(16)：刹车机构(11)与空气压缩机(18)之间断开，刹车机构(11)处于非刹车状态；正向接通气缸(3)与空气压缩机(18)，由空气压缩机(18)对气缸(3)正向充气；气缸(3)带动提升块(6)向上提升落锤(16)，落锤(16)的上升高度由拉线式编码器(15)测量并显示；当落锤(16)上升至预定高度处时，将刹车机构(11)与空气压缩机(18)接通，刹车机构(11)刹车，将落锤(16)抱死在导向柱(1)的预定高度处；步骤4，跌落冲击：由正向接通气缸(3)与空气压缩机(18)，切换为反向接通气缸(3)与空气压缩机(18)，由空气压缩机(18)对气缸(3)反向充气，直至提升块(6)回落至底面与底座(8)上端面接触；断开刹车机构(11)与空气压缩机(18)之间的连接，刹车机构(11)松开，落锤(16)连同加速度计(4)、压头(7)、刹车机构(11)、挡块(12)一起沿导向柱(1)自由滑落，直至压头(7)与承载工装(9)之间发生碰撞，跌落冲击结束；步骤5，采集数据：自步骤3断开刹车机构(11)与空气压缩机(18)之间的连接，刹车机构(11)松开开始，动态数据采集系统(19)采集加速度计(4)和待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴的输出信号，直至跌落冲击结束为止；选用采集的加速度计(4)的输出信号的峰值为U
a
、待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴的输出信号的峰值；步骤6，求取待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输入冲击力载荷：落锤(16)的质量记为m1、压头(7)的质量记为m2、加速度计(4)的质量记为m3、刹车机构(11)的质量记为m4、挡块(12)的质量记为m5，加速度计(4)的灵敏度系数记为S
a
，落锤(16)施加于承载端面(20)上的冲击力载荷为F，冲击力载荷计算式如下：F＝U
a
S
a
(m1+m2+m3+m4+m5)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输出冲击力载荷即为敏感轴的输入冲击力载荷；步骤7，求取待标定多轴动态力传感器(13)的输入矩阵和输出矩阵：
重复步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王清华，刘建平，张媛媛，徐丰，吴斌，吴一鸣，张淞淇，
申请(专利权)人：西安百纳电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：