CN102252803A - 一种激光绝对法动态力校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光绝对法动态力校准装置，属于计量检测、动态力检测校准、动态力测试领域。所述装置包括砧座、机架底座、提升机构、左右调节机构、标准落锤(5)、激光测振系统和位移测量机构。本发明将落锤式动态力源与激光测量技术相结合，通过机械系统设计，实现落锤提升、释放、防护自动化执行功能，通过激光绝对法对落锤冲击过程进行测量，结合标准锤头质量计算出冲击过程的动态力，实现了激光绝对法高准确度动态力校准。

Description

一种激光绝对法动态力校准装置

技术领域

本发明属于计量检测、动态力检测校准、动态力测试领域，具体涉及一种激光绝对法动态力校准装置。

背景技术

目前国内外对于动态力测量方面，主要有正弦激励、阶跃激励和脉冲激励等，现有的脉冲激励动态力标准装置是通过标准加速度计测量冲击过程加速度，再结合标准落锤质量从而计算出装置施加的标准动态力。而标准加速度计目前只能通过中频振基准进行标定溯源，但是标准加速度计的标定状态与实际使用状态完全不同，所以标定出来的电荷灵敏度系数并不科学，进而测量到的动态力值也具有较大的不确定度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种激光绝对法动态力校准装置，通过激光测振仪直接测量标准落锤冲击过程的加速度值，减少标准加速度计的中间环节，从而提高装置的测量精度，并且提高装置的自动化水平。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光绝对法动态力校准装置，包括砧座6、机架底座、提升机构、左右调节机构、标准落锤5、激光测振系统1和位移测量机构；

所述砧座6的下端固定安装在地上，在砧座上端开有落锤孔；

所述机架底座为框架结构，其罩在砧座6的外面，并与砧座6无接触；机架底座的下端固定安装在地上，其上端面作为操作平台面；在所述机架底座上装有立柱，立柱的顶端通过顶板固定；

所述激光测振系统1包括激光头和激光控制器，其中激光头安装在顶板上方，控制器放置于控制柜中；

所述提升机构和左右调节机构安装在所述机架底座上；

所述提升机构包括两根升降丝杠和落锤提升板；所述升降丝杠立式安装在立柱的内侧，其下端安装在机架底座上，上端安装在顶板上；

两根升降丝杠平行设置并同步旋转；落锤提升板水平放置，其两端通过螺母座与升降丝杠上的螺母连接；

在所述落锤提升板的中部安装有电磁铁4，用于吸合及释放标准落锤5；在落锤提升板的中间位置开有激光通过中心孔，在激光通过中心孔的左右两侧开有对称的导轨孔；

所述左右调节机构包括两根导轨3、顶部左右调节机构和底部左右调节机构，所述顶部左右调节机构安装在顶板上，所述底部左右调节机构安装在机架底座的下方；

所述两根导轨3平行设置，两者的下端均与底部左右调节机构相连，上端均穿过落锤提升板上的导轨孔后与顶部左右调节机构相连；顶部左右调节机构和底部左右调节机构同时驱动两根导轨3，使两者平移靠拢或分开；

所述导轨3与升降丝杠平行，其轴线均在同一个平面内；

所述位移测量机构包括拉线式位移传感器，所述拉线式传感器的本体安装在顶板上，拉线的自由端固定在落锤升降板上。

所述升降丝杠采用大导程滚珠丝杠；

采用伺服电机2和减速机驱动其中一根升降丝杠运行，采用同步带驱动另一根升降丝杠，保持两根升降丝杠的旋转同步性。

所述顶部左右调节机构与底部左右调节机构均包括：一根正反向丝杠、两块安装板；两组滚珠滑套、前导向柱、后导向柱和伺服电机；

两组滚珠滑套分别为左滚珠滑套和右滚珠滑套；

所述正反向丝杠的左右段上分别设计有正向螺纹和反向螺纹；即丝杠任意向旋转，配合丝杠的正反向螺母可以控制两根导轨3的夹紧或者放松。即可以由一个驱动装置，控制两根导轨3的相对运动。

两组滚珠滑套的轴的两端和正反向丝杠的丝杠体的两端均固定；所述前导向柱和后导向柱分别平行设置在正反向丝杠的两侧；所述安装板与正反向丝杠垂直设置，其两端分别与前导向柱和后导向柱配合；

左右两组滚珠滑套的轴承分别和正反向丝杠上的正向螺母与反向螺母配合，并一起安装在安装板上；这样的布置可实现整套运动机构相对机体中心(即落锤中心)的开合运动。

每根导轨3的两端分别安装在顶部的安装板上和底部的安装板上；

顶部左右调节机构与底部左右调节机构同步运动；伺服电机驱动正反向丝杠旋转，正反向丝杠通过相配的T形螺母将力传递给滚珠滑套，带动两组滚珠滑套实现相向运动或向背运动，再通过安装板驱动导轨3平移靠拢或分开，实现左右开合。

在落锤升降板上装有防跌落机构，所述防跌落机构采用由伺服电机控制的旋转手臂，其在90度范围内旋转，当需要保护标准落锤5的时候，旋转手臂转到落锤下方；

所述旋转手臂采用可上下伸缩的结构，包括套装在一起的至少两段手臂杆，在旋转手臂的下端安装有一个带凹坑的托盘，用于接住标准落锤5。

所述砧座6为长方体的刚性基座，具有较大质量，对落锤冲击可视为刚体。

所述机架底座采用钢板焊接而成；。

所述标准落锤5为圆柱体结构，在圆柱面上开有两个对称的平行平面，两个平面是用来安装导向器的；所述标准落锤的作用力表面采用大曲率半径的弧形，目的是保证落锤冲击为点接触；

所述标准落锤采用40Cr钢；

所述导向器采用比重小、抗拉强度高的尼龙树脂材料。

在激光通过中心孔的上下两侧开有对称的半圆形凹口；

所述导轨孔为长圆孔；激光通过所述激光通过中心孔、导轨孔和半圆形凹口射到标准落锤上。

所述电磁铁4采用中间有孔的环形电磁铁；电磁铁的中心孔与激光通过中心孔同轴。

在砧座6上的所述落锤孔内安装有垫块，垫块的尺寸根据标准落锤的尺寸来选择；测量时被测传感器置于垫块上，在被测传感器上端加盖毛毡垫层，标准落锤5落在毛毡垫层上，对被测传感器施加冲击力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过机械系统设计，实现落锤提升、释放、防护自动化执行功能，测量系统将原有的通过加速度计测量瞬态冲击加速度的方式改为由激光干涉仪直接测量冲击加速度，进而计算出动态力，本发明采用激光干涉法通过激光干涉仪直接测量落锤冲击瞬间加速度，其具有以下优点：

(1)激光干涉法测量加速度准确度高，避免了由于加速度计校准测量带来的测量误差；

(2)通过激光干涉仪进行非接触测量避免了由加速度计的安装带来的附加质量造成质量块上加速度分布的复杂化；

(3)通过激光干涉仪可以对落锤质量块上的任意点上的加速度进行测量，从而通过计算得到对落锤加速度的真实表述。

本发明为动态力传感器的校准提供了科学可靠的校准手段，与原有标准加速度计测量系统相比，通过激光绝对法测量动态力减小了测量的不确定度；同时为进一步研究动态力传感器、动态力校准系统性能、制定、修定相关标准及校准规范提供理论与实践依据。

附图说明

图1是本发明激光绝对法动态力校准装置的结构示意图。

图2是本发明激光绝对法动态力校准装置中的砧座的结构示意图。、

图3是本发明激光绝对法动态力校准装置中的机架底座的结构示意图。

图4是本发明激光绝对法动态力校准装置中的落锤升降板的结构示意图。

图5-1是本发明激光绝对法动态力校准装置中的小尺寸标准落锤的结构示意图。

图5-2是本发明激光绝对法动态力校准装置中的大尺寸标准落锤的结构示意图。

图6是本发明激光绝对法动态力校准装置中的防跌落机构的结构示意图。

图7是本发明激光绝对法动态力校准装置中的左右调节机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

1，激光测振系统(如图1中的1所示)：

本发明实施例中使用的激光测振系统为OFV-505激光头与OFV-5000激光控制器组合的激光测振系统，软硬件采用Ni公司PXI-5122数字化仪，配合Labview软件开发系统实现。

通过OFV-505激光头发射He-Ni激光，波长为633nm，通过OFV-5000控制器进行激光信号采集与处理，配备VD09数字式速度解码器，并配原始多普勒信号输出接口，可进一步开发应用。如图1所示，激光头安装在装置顶端，激光头可以在x、y两维方向上调节。

2，砧座(如图2所示)

作为承受冲击载荷的砧座，其设计与加工要充分考虑其使用受力状态，砧座与基础(位于地下，用于安装砧座)是一个与周边分开的、独立的整体，其与该装置的其它部位没有任何接触，通过地脚独立地固定在大地上。本发明实施例中的砧座采用500kg的铸钢体，如图2所示，并且通过锻压工艺处理，具有高致密性与均匀性，对于200kN的动态力载荷可以基本假设为刚体。

3，机架底座(如图3所示)

机架底座是导轨和升降丝杠的安装基座，其与砧座为分离元件，所述机架底座是由钢板焊接而成的整体基座，既承担起提升机构和左右调节机构，又作为砧座的外保护罩壳。机架底座的设计要求为：自身要有足够的强度和刚度、受力变形小。基座顶部又作为操作平台面，框架敞开式设计，便于看到砧座以及左右调节机构的安装维护。

4，提升机构

实施例中的提升机构采用三菱伺服电机和德国产行星齿轮减速机，驱动其中一根丝杠运行，用同步带驱动另一根丝杠，保持旋转的同步性，进而保证了升降的同步性。

提升机构采用滚珠丝杠，左右两根丝杠用伺服电机、小行星减速机以及同步带驱动，伺服电机采用失电自锁。本发明实施例中的滚珠丝杠采用南京工艺装备制造有限公司制造的滚珠丝杠，其规格为CTF4032-1.5，外径40mm，导程32mm，采用大导程滚珠丝杠，在保证足够小的摩擦力矩的情况下，使标准落锤的提升速度得到提高。左右丝杠的同步性由同步带来保证。

小行星减速机的背隙很小，满足滚珠丝杠的精度要求，但是其自身不能自锁，所以为保证失电安全，采用伺服电机来保证失电自锁。

5，落锤提升板(如图4所示)

本发明中因为需要激光测量，所以提升机构必须给激光光路留有通路，因此本发明中采用中空小尺寸大吸力电磁铁来完成落锤吸合释放的功能，本发明的落锤提升板是独特设计的，如图4所示，除了中间空出的激光通过中心孔可以让激光光束通过外，其上下两个半圆处以及左右留出的中空空间都可以让激光光束通过并且照射在标准落锤上，这样提供了多点测试的可能，为对同一冲击过程中标准落锤的不同点的加速度分布研究提供了可能。具体来说，图4中，中心的大圆孔是激光通过中心孔，三个小圆孔是用于安装电磁铁的。电磁铁选用的是中间有孔的环形电磁铁，电磁铁的中心孔与激光通过中心孔同轴，目的就是让激光能够从其中心穿过。左右两个较大的呈长形的孔是导轨孔，用于左右两个导轨穿过，并且有较大空间适合导轨左右调节间距用。这样，激光除了可以通过中心孔射到标准锤头顶面之外，还可以通过提升板左右及前后共四个半圆形区域照射到标准锤头顶面，其中，左右两个半圆区域是借用导轨孔的，前后两个半圆区域是专门设计加工的半圆形凹口。

6，标准落锤(如图5所示)

标准落锤作为动态力发生部件，其材料采用40Cr钢，经过锻造处理，质量均匀、密实，为使标准落锤的质量集中，导向器采用比重小、抗拉强度高的尼龙树脂材料，根据这些特点可以认为标准落锤是刚体，并作为集中质量的单自由度系统。为使冲击力(压力是均布的力，力则是几种荷载)作用在被测传感器上的对中性好，又防止因应力集中造成过载而砸坏被测传感器，本实施例中的标准落锤的作用力表面做成大曲率半径的弧形，如图5所示。

7，防跌落机构(如图6所示)

防跌落机构为旋转手臂，采用伺服电机来控制旋转手臂，旋转角度为90度，当需要保护标准落锤的时候，手臂转到标准落锤下方，防止意外跌落，手臂包括套装在一起的上下两节，当下降到标准落锤碰到传感器安装座，手臂杆可以上下伸缩，防止手臂顶到机架底座，旋转手臂下方安装有一个带凹坑的托盘，如果电网断电，落锤将跌落在凹坑里，而不会跌落在砧座上。

8，左右调节机构

由于大小标准落锤的直径不同，为了标准落锤安装更换的方便，导轨设计为可左右调节的，左右调节机构是为了实现左右两个导轨的间距调整功能。在顶部与底部各有一套左右调节机构。左右调节采用滚珠滑套和正反向丝杠，通过伺服电机驱动正反向丝杠。装标准落锤的时候，需先将标准落锤放在安装位置，然后左右导向柱夹紧，即可以定标准落锤的中心位置。然后电磁铁下降，将标准落锤吸住，同时左右导向柱分开2毫米左右，电磁铁带动标准落锤上升到预定高度。在导轨的顶端与底端各装有一套左右调节机构。本实施例中的左右导轨采用韩国制造的产品，其表面经过热处理和精磨，长度超过1米8，在装配时要特别注意在总长范围内都要保持导轨的垂直度，装配时用水平仪测量。

9，位移测量机构

落锤的下落初始高度是计算公式中的一个变量，需要系统能够自动采集。落锤的高度由拉线式位移传感器读取，位移传感器本体安装在顶板上，拉线的一端固定在提升板上。

本发明的一个实施例中，该装置的地上高度为地上高度为2320mm，地下高度300mm(地下是指实验室地平面以下，在此地下300mm用于安装砧座，砧座总高525mm，安装于深300mm的坑内，高于地面225mm)，标准落锤可下落高度为1200mm，标准落锤分别为2kg标准落锤、20kg标准落锤。标准落锤不带调整腔，以实际称量质量作为标准质量，机架与底座砧座相互独立。本装置可以实现落锤自动提升释放、自动对中、提升高度测量、激光动态力测量等特点。

本发明装置的工作原理如下：

本装置通过自动提升标准落锤释放产生标准动态力，通过激光干涉仪与数据采集系统测量标准落锤施加到被测传感器的动态力值。

本发明装置的具体工作步骤如下：

首先通过被测传感器量程选择适合的标准落锤，将被测传感器安放在装置的砧座上，上垫一层毛毡，之上放置标准落锤，启动系统并开启激光测振系统，激光测振系统自动对焦于标准落锤顶面反光膜处。通过闭合两端导轨与标准落锤上的尼龙导向器将标准落锤夹紧，实现标准落锤的自动对中，降落提升板到接触开关信号感应到标准落锤后自动停止，此时启动电磁铁将标准落锤吸合到提升板上，松开两导轨，可以控制导轨与尼龙导向器之间的间隙，升起提升板至一定高度停止，给电磁铁断电，释放标准落锤，标准落锤冲击到被测传感器上，激光测振系统通过外触发方式实现了冲击过程触发记录，在系统软件中进行分析处理得出标准落锤施加的标准动态力。完成一次试验过程。

本发明的装置具有激光绝对法(即通过激光测量物体运动加速度)动态力测量功能，将动态力测量直接溯源到长度、时间频率与质量这三种基本物理量。能够实现200N～200kN、上升时间为0.2ms～2ms脉冲式动态力，系统测量动态力不确定度2％(k＝2)。

本发明是首次将落锤式动态力源与激光测量技术相结合，通过激光绝对法对落锤冲击过程进行测量，结合标准锤头质量计算出冲击过程的动态力，实现了激光绝对法高准确度动态力校准。

本发明的200N～200kN动态力标准装置，具有自动化程度高、精确控制落锤提升高度、落锤意外跌落防护、导轨间距自由调节、落锤下落过程无摩擦、激光反射点多点布置等特点。本发明可用于动态力传感器、动态力测试系统、冲击力测试系统、冲击力传感器等动态冲击力的检测校准。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：所述装置包括砧座、机架底座、提升机构、左右调节机构、标准落锤(5)、激光测振系统(1)和位移测量机构；

所述砧座(6)的下端固定安装在地上，在砧座上端开有落锤孔；

所述机架底座为框架结构，其罩在砧座(6)的外面，并与砧座(6)无接触；机架底座的下端固定安装在地上，其上端面作为操作平台面；在所述机架底座上装有立柱，立柱的顶端通过顶板固定；

所述激光测振系统(1)包括激光头和激光控制器，其中激光头安装在顶板上方，控制器放置于控制柜中；

所述提升机构和左右调节机构安装在所述机架底座上；

所述提升机构包括两根升降丝杠和落锤提升板；所述升降丝杠立式安装在立柱的内侧，其下端安装在机架底座上，上端安装在顶板上；

两根升降丝杠平行设置并同步旋转；落锤提升板水平放置，其两端通过螺母座与升降丝杠上的螺母连接；

在所述落锤提升板的中部安装有电磁铁(4)，用于吸合及释放标准落锤(5)；在落锤提升板的中间位置开有激光通过中心孔，在激光通过中心孔的左右两侧开有对称的导轨孔；

所述左右调节机构包括两根导轨(3)、顶部左右调节机构和底部左右调节机构，所述顶部左右调节机构安装在顶板上，所述底部左右调节机构安装在机架底座的下方；

所述两根导轨(3)平行设置，两者的下端均与底部左右调节机构相连，上端均穿过落锤提升板上的导轨孔后与顶部左右调节机构相连；顶部左右调节机构和底部左右调节机构同时驱动两根导轨(3)，使两者平移靠拢或分开；

所述导轨(3)与升降丝杠平行，其轴线均在同一个平面内；

所述位移测量机构包括拉线式位移传感器，所述拉线式传感器的本体安装在顶板上，拉线的自由端固定在落锤升降板上。

2.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：所述升降丝杠采用大导程滚珠丝杠；

采用伺服电机(2)和减速机驱动其中一根升降丝杠运行，采用同步带驱动另一根升降丝杠，保持两根升降丝杠的旋转同步性。

3.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：所述顶部左右调节机构与底部左右调节机构均包括：一根正反向丝杠、两块安装板；两组滚珠滑套、前导向柱、后导向柱和伺服电机；

两组滚珠滑套分别为左滚珠滑套和右滚珠滑套；

所述正反向丝杠的左右段上分别设计有正向螺纹和反向螺纹；

两组滚珠滑套的轴的两端和正反向丝杠的丝杠体的两端均固定；所述前导向柱和后导向柱分别平行设置在正反向丝杠的两侧；所述安装板与正反向丝杠垂直设置，其两端分别与前导向柱和后导向柱配合；

左右两组滚珠滑套的轴承分别和正反向丝杠上的正向螺母与反向螺母配合，并一起安装在安装板上；

每根导轨(3)的两端分别安装在顶部的安装板上和底部的安装板上；

顶部左右调节机构与底部左右调节机构同步运动；伺服电机驱动正反向丝杠旋转，正反向丝杠通过螺母将力传递给滚珠滑套，带动两组滚珠滑套实现相向运动或向背运动，再通过安装板驱动导轨(3)平移靠拢或分开，实现左右开合。

4.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：在所述落锤升降板上装有防跌落机构，所述防跌落机构采用由伺服电机控制的旋转手臂，其在90度范围内旋转，当需要保护标准落锤(5)的时候，旋转手臂转到落锤下方；

所述旋转手臂采用可上下伸缩的结构，包括套装在一起的至少两段手臂杆，在旋转手臂的下端安装有一个带凹坑的托盘，用于接住标准落锤(5)。

5.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：所述砧座(6)为长方体的刚性基座，具有较大质量，对落锤冲击可视为刚体。

6.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：所述机架底座采用钢板焊接而成。

7.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：所述标准落锤(5)为圆柱体结构，在圆柱面上开有两个对称的平行平面，在两个平面上安装有导向器；所述标准落锤的作用力表面采用大曲率半径的弧形；

所述标准落锤采用40Cr钢；

所述导向器采用比重小、抗拉强度高的尼龙树脂材料。

8.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：在所述落锤提升板上激光通过孔的前后两侧开有对称的半圆形凹口；

所述导轨孔为长圆孔；

激光通过所述激光通过中心孔、导轨孔和半圆形凹口射到标准落锤上。

9.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：所述电磁铁(4)采用中间有孔的环形电磁铁；电磁铁(4)的中心孔与激光通过中心孔同轴。

10.根据权利要求1所述的激光绝对法动态力校准装置，其特征在于：在砧座(6)上的所述落锤孔内安装有垫块，垫块的尺寸根据标准落锤的尺寸来选择；测量时被测传感器置于垫块上，在被测传感器上端加盖毛毡垫层，标准落锤(5)落在毛毡垫层上，对被测传感器施加冲击力。

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