CN104535258A - 一种动态力传感器自动校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种动态力传感器自动校准装置，其工作原理是：通过控制程序PC控制信号采集控制模块根据校准需要输出一定量级的指定信号，经功率放大器放大后驱动标准振动台产生一定量级的激励，通过安装在被校动态力传感器上的校准质量块，产生动态力F作用于被校传感器的受力面，使被校动态力传感器输出相应的激励信号，经后续测放电路采集放大后，由控制程序计算出被校动态力传感器的灵敏度频率响应及幅值线性度并导入指定的证书模板内，校准完毕后自动传送至证书服务器，经证书审核人员审核后自动打印出被校动态力传感器证书；它提高了动态力传感器的校准工作效率，同时保证了校准的准确度，且结构相对简单，更易于操作。

Description

一种动态力传感器自动校准装置

技术领域

本发明属于计量检测、动态力检测校准领域，具体涉及一种动态力传感器自动校准装置。

背景技术

动态力传感器广泛应用于航天、航空、兵器、船舶、汽车、机械制造等领域，常作为监测、控制和动态测试试验的数据来源；现有动态力传感器常以静态校准时的结果作为动态测试的依据，其缺点在于：将静态校准结果用于动态测试中存在很大的误差。

目前动态测试方面主要采用正弦激励、阶跃激励和脉冲激励等方法进行校准，现有的冲击式动态力校准装置采用自由下落的重锤与力传感器碰撞产生动态力,存在冲击带宽上限不足(1kHz～1.5kHz)，校准频率范围有限的缺点。现有的阶跃式动态力校准装置采用快速卸荷的方法产生负阶跃力，其缺点在于，产生的负阶跃力压力高脉宽小，校准时易损坏传感器膜片。现有正弦力动态校准装置主要采用激光干涉仪直接测量的方法进行测量，例如中国专利ZL201110110236.7公开的一种激光绝对法动态力校准装置；由于激光校准装置价格昂贵，一般用于标准传感器的校准，不适宜工作用动态力传感器批量校准。同时传统正弦力校准方法质量块产生的动态力直接作用在参考加速度计上，如中国专利ZL201410009950.0公开的扁平式压力传感器动态高压校准装置；这会使得参考加速度计灵敏度发生非预期的变化，造成参考加速度计的标定灵敏度与实际使用不同，从而产生附加误差。此外，目前动态力传感器采用手工逐点校准、手工记录数据、手工录入证书的方式进行校准，出具证书周期长，工作效率低下，尤其是在批量校准时，这类问题尤其突出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种动态力传感器自动校准装置，它通过隔振增频机构，隔离环境振源，提高系统谐振频率，采用特制校准质量块减小质量块上加速度分布不均带来的影响，通过控制程序实现动态力传感器自动识别、自动校准、证书自动录入，在保证校准准确度的同时，提高了动态力传感器的校准工作效率，适用于工作动态力传感器的校准，尤其是批量校准。

本发明是这样来实现的：一种动态力传感器自动校准装置，它包括校准振动装置和校准信号采集控制系统，其特征在于，它还包括与校准信号采集控制系统相连的证书审核打印系统；

所述校准振动装置包括从下向上依次相连的混凝土基座、隔振增频机构、标准振动台、参考加速度计内置机构和校准质量块，所述混凝土基座与地基固结在一起，被校动态力传感器连接在参考加速度计内置机构和校准质量块之间；所述标准振动台的台面、参考加速度计、被校动态力传感器和校准质量块安装同轴度小于0.2mm；

所述校准信号采集控制系统包括信号采集控制模块以及分别与信号采集控制模块电连接的多通道电荷放大器和功率放大器，功率放大器与标准振动台的控制信号输入端相连，多通道电荷放大器与参考加速度计内置机构中的参考加速度计电连接，信号采集控制模块还与被校动态力传感器电连接；

所述证书审核打印系统包括控制程序PC、证书服务器、证书审核PC、证书打印机以及通过USB接口与控制程序PC相连的二维条码扫描枪，所述控制程序PC通过网接口分别与证书服务器和信号采集控制模块链接，证书服务器又分别通过网接口与证书审核PC和证书打印机链接，证书审核PC和证书打印机则通过局域网链接。

所述信号采集控制模块包括动态力传感器自动识别模块、ICP信号调理器、信号采集模块、控制模块、信号发生器模块、温湿度采集模块和切换电路；

所述信号采集模块的第一、第二输入端对应电连接于多通道电荷放大器第一、第二输出端，信号采集模块的第三输入端与ICP信号调理器的输出端电连接；

所述信号采集控制模块的输出端和输入端分别电连接于切换电路和被校动态力传感器的输出端；切换电路根据校动态力传感器的类型自动将被校动态力传感器的输出信号切换至第一通道或第二通道，第一通道连接于多通道电荷放大器的输入端，第二通道连接于ICP信号调理器的输入端；

所述信号发生器模块的输出端电连接于功率放大器的输入端，信号发生器模块通过产生单频、扫频、及随机信号来控制标准振动台的振动频率；

所述控制模块通过网接口与控制程序PC链接；所述温湿度采集模块还包括一个温湿度探头。

所述混凝土基座上端开设有4个周向均匀布的圆柱孔，所述圆柱孔内嵌套有导杆连接套。

所述隔振增频机构包括底板、4根导杆和4根压缩弹簧；所述底板上设有4个周向均匀排布的圆柱孔以及四根周向均匀排布的用于连接准振动台的安装支柱，所述圆柱孔内上端、下端分别通过过盈配合方式嵌套有导套；

所述导杆下端通过过盈配合方式与导杆连接套连接，导杆上端与导套形成间隙配合，导杆顶部设有螺纹孔并与压紧帽连接，所述压紧帽位于同轴两导套之间以限制底板垂直方向位移；所述压缩弹簧穿过导杆，一端压在导杆下端的轴肩上，另一端顶住导套。

所述参考加速度计内置机构包括用于固定参考加速度计的传感器安装支座，所述参考加速度计安装在传感器安装支座内并与内表面紧密贴合；所述传感器安装支座安装在标准振动台的台面上，被校动态力传感器安装在传感器安装支座的上方。

优选的是:所述隔振增频机构上安装的压缩弹簧采用相同弹性系数和相同高度的YA型压缩弹簧，它的弹性系数根据弹簧振子周期计算公式计算。所述隔振增频机构的底板质量为所述校准质量块质量的2000倍以上。

所述校准质量块采用粉末冶金方法，再利用模具压制烧结而成的重质合金材料制成，校准质量块底部中心还开设有螺纹孔，所述螺纹孔通过电火花加工制成。

优选的是:所述重质合金材料包括钨、铜、镍及其他金属材料，按照质量百分比含量：钨含量为80％～85％，铜含量为5％～10％，其余为镍。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、采用隔振增频机构，隔离环境振动，提高系统谐振频率，增大了动态力传感器的校准频率范围，减小了振动台的横向振动比对校准结果的影响；

2、采用粉末冶金烧制成的特制重质合金质量块，材质致密，密度均匀，体积较小，提高了质量块上的加速度分布均匀性，减小了质量块上加速度分布不均对校准结果的影响；

3、通过参考加速度计内置机构避免了动态力直接作用在参考加速度计上带来的附加误差；

4、通过控制程序、控制信号采集控制模块设计，实现动态力传感器自动识别、自动校准、证书自动录入、证书自动打印等功能，具有单频逐点校准、扫频信号校准、随机信号校准三种模式，自动校准采用多次平均消除随机误差，省去传统校准方法采用人工校准、人工录入证书等环节，校准时间大大缩短，提高了校准工作效率；

5、与激光绝对法校准装置相比，本发明结构相对简单，更易于操作，同时校准价格仅为激光绝对法校准的1/3，适用于工作动态力传感器的校准，尤其适用于工作动态力传感器的批量校准。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的混凝土基座剖面结构放大图。

图3是本发明的混凝土基座俯视图。

图4是本发明的隔振增频机构的结构示意图。

图5是本发明导杆和压紧帽的安装结构剖面图。

图6是本发明底板和导套的安装结构剖面图。

图7是本发明参考加速度计内置机构的内部结构示意图。

图8是本发明参考加速度计内置机构的结构剖面图。

图9是本发明控制信号采集控制模块的结构方框图。

在图中，1、混凝土基座2、隔振增频机构3、标准振动台4、参考加速度计内置机构5、被校动态力传感器6、校准质量块7、多通道电荷放大器8、信号采集控制模块9、功率放大器10、控制程序PC 11、证书服务器12、证书审核PC 13、证书打印机14、二维条码扫描枪15、导杆连接套16、导杆17、压缩弹簧18、底板19、安装支柱20、压紧帽21、导套22、切换电路。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做详细说明，本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

如图1所示，本发明是这样来实现的：一种动态力传感器自动校准装置，它包括校准振动装置和校准信号采集控制系统，其结构特点是，它还包括与校准信号采集控制系统相连的证书审核打印系统；所述校准振动装置包括从下向上依次相连的混凝土基座1、隔振增频机构2、标准振动台3、参考加速度计内置机构4和校准质量块6，所述混凝土基座1与地基固结在一起，被校动态力传感器5连接在参考加速度计内置机构4和校准质量块6之间；所述标准振动台3的台面、参考加速度计4、被校动态力传感器5和校准质量块6安装同轴度小于0.2mm；

所述校准信号采集控制系统包括信号采集控制模块8以及分别与信号采集控制模块8电连接的多通道电荷放大器7和功率放大器9，功率放大器9与标准振动台3的控制信号输入端相连，多通道电荷放大器7与参考加速度计内置机构4中的参考加速度计4b电连接，信号采集控制模块8还与被校动态力传感器5电连接；

所述证书审核打印系统包括控制程序PC10、证书服务器11、证书审核PC12、证书打印机13以及通过USB接口与控制程序PC10相连的二维条码扫描枪14，所述控制程序PC10通过网接口分别与证书服务器11和信号采集控制模块8链接，证书服务器11又分别通过网接口与证书审核PC12和证书打印机13链接，证书审核PC12和证书打印机13则通过局域网链接。

如图9所示，所述信号采集控制模块8包括动态力传感器自动识别模块8a、ICP信号调理器8b、信号采集模块8c、控制模块8d、信号发生器模块8e、温湿度采集模块8f和切换电路22；所述信号采集模块8c的第一、第二输入端对应电连接于多通道电荷放大器7第一、第二输出端，信号采集模块8c的第三输入端与ICP信号调理器8b的输出端电连接；

所述信号采集控制模块8的输出端和输入端分别电连接于切换电路22和被校动态力传感器5的输出端；切换电路22根据校动态力传感器5的类型自动将被校动态力传感器5的输出信号切换至第一通道22a或第二通道22b，第一通道22a连接于多通道电荷放大器7的输入端，第二通道22b连接于ICP信号调理器8b的输入端；

所述信号发生器模块8e的输出端电连接于功率放大器9的输入端，信号发生器模块8e通过产生单频、扫频、及随机信号来控制标准振动台3的振动频率；所述控制模块8d通过网接口与控制程序PC10链接；所述温湿度采集模块8f还包括一个温湿度探头8g。

如图2和图3所示，所述混凝土基座1上端开设有4个周向均匀布的圆柱孔，所述圆柱孔内嵌套有导杆连接套15。

如图4所示，所述隔振增频机构2包括底板18、4根导杆16和4根压缩弹簧17；所述底板18上设有4个周向均匀排布的圆柱孔以及四根周向均匀排布的用于连接准振动台3的安装支柱19，所述圆柱孔内上端、下端分别通过过盈配合方式嵌套有导套21；

如图5和如图6所示，所述导杆16下端通过过盈配合方式与导杆连接套15连接，导杆16上端与导套21形成间隙配合，导杆16顶部设有螺纹孔并与压紧帽20连接，所述压紧帽20位于同轴两导套21之间以限制底板18垂直方向位移；所述压缩弹簧17穿过导杆16，一端压在导杆16下端的轴肩上，另一端顶住导套21。隔振增频机构2能够隔离环境振动，提高系统谐振频率，增大了动态力传感器的校准频率范围，减小了振动台的横向振动比对校准结果的影响。

如图7和图8所示，所述参考加速度计内置机构4包括用于固定参考加速度计4b的传感器安装支座4a，所述参考加速度计4b安装在传感器安装支座4a内并与内表面紧密贴合；所述传感器安装支座4a安装在标准振动台3的台面上，被校动态力传感器5安装在传感器安装支座4a的上方。内置的参考加速度计4b避免了动态力直接作用在参考加速度计上带来的附加误差，提高了测量精度。

所述隔振增频机构2上安装的压缩弹簧17采用相同弹性系数和相同高度的YA型压缩弹簧，它的弹性系数根据弹簧振子周期计算公式计算，即根据以下公式计算：

k＝(2πf)²M

式中：

f为系统固有共振频率；

k为弹簧弹性系数；

M为底板18、标准振动台3、参考加速度计内置机构4和校准质量块6质量总和。

从公式可以知道，弹簧弹性系数越高，系统共振频率就越高，但弹簧弹性系数越高意味着需要直径更大的弹簧钢丝，因此在选择弹簧时并非弹性系数越大越好，应根据系统有效质量和实际需要设计的共振频率来选择弹簧。根据公式，选用所需弹簧系数的弹簧，可以满足系统固有共振频率设计需要，保证动态力传感器频率响应校准准确度，同时又不会因选用过大的弹簧而增加成本，增大系统的体积。

所述隔振增频机构2的底板18质量为所述校准质量块6质量的2000倍以上，以提高振动台动圈一阶共振频率，防止振动台出现波形失真而影响校准准确度。

所述校准质量块6采用粉末冶金方法，再利用模具压制烧结而成的重质合金材料制成，校准质量块6底部中心还开设有螺纹孔，所述螺纹孔通过电火花加工制成。所述重质合金材料包括钨、铜、镍及其他金属材料，按照质量百分比含量：钨含量为80％～85％，铜含量为5％～10％，其余为镍。采用这种重质合金质量块，材质致密，密度均匀，体积较小，提高了质量块上的加速度分布均匀性，减小了质量块上加速度分布不均对校准结果的影响。

本发明装置的工作原理如下：本装置通过标准振动台3产生一定量级的加速度，结合校准质量块6产生标准动态力作用于被校动态力传感器5的受力面，通过参考加速度计4b测量加速度大小，根据校准质量块6质量得到动态力值，再根据被校动态力传感器5输出信号大小计算出被校动态力传感器5在该校准状态下的灵敏度，并导入指定的证书模板内，校准完毕后信号采集控制模块8自动传送至证书服务器11，经证书审核PC12审核后经过证书审核PC12自动打印出被校动态力传感器证书，由此实现了动态力传感器的自动校准。

本发明装置的具体工作步骤如下：

a)根据被校动态力传感器5量程限制选择合适的校准质量块6，将被校动态力传感器5按实施例安装好后，启动自动校准系统，利用二维条码扫描枪14扫描被校动态力传感器5的条码，控制程序PC10自动从证书服务器11获取被校动态力传感器5的仪器信息并录入相应的证书模板内，所述条码及仪器信息是在仪器送检时粘贴、录入的，并非本专利内容，所述仪器信息包括：客户名称、仪器型号、出厂编号、制作商等；

b)控制程序PC10根据仪器型号从数据库中查询被校动态力传感器的类型，若数据库中无该动态力传感器的型号，则由动态力传感器自动识别模块判断传感器类型，并由控制程序将该动态力传感器型号和类型导入数据库，识别完毕后，由控制程序PC10经过信号采集控制模块8控制切换电路22切换到相应的通道上，若被校动态力传感器5为电荷型传感器则第一通道22a导通，若被校动态力传感器为IEPE型传感器则第二通道22b导通，同时开启供电开关，向动态力传感器提供24VDC、1～2mA激励电源；

c)控制程序PC控制信号采集控制模块8根据校准需要输出一定量级的单频、扫频或随机信号，经功率放大器9放大后驱动标准振动台3产生一定量级的激励，通过安装在被校动态力传感器5上的校准质量块6，产生标准动态力F作用于被校动态力传感器5的受力面，使被校动态力传感器5输出相应的激励信号，被校动态力传感器5输出信号经多通道电荷放大器5或ICP信号调理器8b放大后，由信号采集模块8c采集，参考加速度计4b输出信号经多通道电荷放大器7后，由信号采集模块8c采集，控制程序根据参考加速度计4b输出信号、被校动态力传感器5输出信号及校准质量块6质量计算出被校动态力传感器5在该校准状态下的灵敏度，经多次采集计算后求得灵敏度平均值，若采用扫频信号则需进行多次扫频以求得平均值；

d)若c)步骤采用单频信号校准，控制程序将依次自动改变输出信号频率或幅值，重复c)步骤所述过程，得到被校动态力传感器5的灵敏度频率响应及幅值线性度；

e)若c)步骤采用扫频或随机信号校准，控制程序依次读取各频率点的灵敏度，得到被校动态力传感器5的灵敏度频率响应及幅值线性度；

f)校准完毕后，控制程序通过温湿度采集模块8f获取校准温度和湿度数据，将校准环境条件数据、标准器信息、校准人信息、被校动态力传感器5的灵敏度频率响应及幅值线性度数据导入指定的证书模板内，并自动传送至证书服务器11；

g)被校动态力传感器证书经证书审核人员审核后导入审核人员信息，通过服务器自动打印出被校动态力传感器证书，被校动态力传感器证书也可由与证书服务器11连接的局域网PC手动打印。

动态力传感器在校准时，如果校准频率处于共振频率附近，则会使得校准结果偏大，因此，系统共振频率越高，动态力传感器校准准确度越好，但系统共振频率并非越高越好，系统共振频率的提高以牺牲系统经济性和校准质量块质量为代价，一般而言，系统设计共振频率取决于动态力传感器最大校准频率，一般为最大校准频率的2～3倍，本发明最大校准频率为3000Hz，则设计共振频率为6000Hz。

本发明克服了现有技术的不足，通过上述a)～g)过程实现了动态力传感器的自动校准，在保证了校准的准确度的同时，提高了动态力传感器的校准工作效率，本发明校准频率范围为10Hz～3000Hz，适用于工作动态力传感器的校准。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种动态力传感器自动校准装置，它包括校准振动装置和校准信号采集控制系统，其特征在于，它还包括与校准信号采集控制系统相连的证书审核打印系统；

所述校准振动装置包括从下向上依次相连的混凝土基座(1)、隔振增频机构(2)、标准振动台(3)、参考加速度计内置机构(4)和校准质量块(6)，所述混凝土基座(1)与地基固结在一起，被校动态力传感器(5)连接在参考加速度计内置机构(4)和校准质量块(6)之间；所述标准振动台(3)的台面、参考加速度计(4)、被校动态力传感器(5)和校准质量块(6)安装同轴度小于0.2mm；

所述校准信号采集控制系统包括信号采集控制模块(8)以及分别与信号采集控制模块(8)电连接的多通道电荷放大器(7)和功率放大器(9)，功率放大器(9)与标准振动台(3)的控制信号输入端相连，多通道电荷放大器(7)与参考加速度计内置机构(4)中的参考加速度计(4b)电连接，信号采集控制模块(8)还与被校动态力传感器(5)电连接；

所述证书审核打印系统包括控制程序PC(10)、证书服务器(11)、证书审核PC(12)、证书打印机(13)以及通过USB接口与控制程序PC(10)相连的二维条码扫描枪(14)，所述控制程序PC(10)通过网接口分别与证书服务器(11)和信号采集控制模块(8)链接，证书服务器(11)又分别通过网接口与证书审核PC(12)和证书打印机(13)链接，证书审核PC(12)和证书打印机(13)则通过局域网链接。

2.如权利要求1所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述信号采集控制模块(8)包括动态力传感器自动识别模块(8a)、ICP信号调理器(8b)、信号采集模块(8c)、控制模块(8d)、信号发生器模块(8e)、温湿度采集模块(8f)和切换电路(22)；

所述信号采集模块(8c)的第一、第二输入端对应电连接于多通道电荷放大器(7)第一、第二输出端，信号采集模块(8c)的第三输入端与ICP信号调理器(8b)的输出端电连接；

所述信号采集控制模块(8)的输出端和输入端分别电连接于切换电路(22)和被校动态力传感器(5)的输出端；切换电路(22)根据校动态力传感器(5)的类型自动将被校动态力传感器(5)的输出信号切换至第一通道(22a)或第二通道(22b)，第一通道(22a)连接于多通道电荷放大器(7)的输入端，第二通道(22b)连接于ICP信号调理器(8b)的输入端；

所述信号发生器模块(8e)的输出端电连接于功率放大器(9)的输入端，信号发生器模块(8e)通过产生单频、扫频、及随机信号来控制标准振动台(3)的振动频率；

所述控制模块(8d)通过网接口与控制程序PC(10)链接；所述温湿度采集模块(8f)还包括一个温湿度探头(8g)。

3.如权利要求2所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述混凝土基座(1)上端开设有4个周向均匀布的圆柱孔，所述圆柱孔内嵌套有导杆连接套(15)。

4.如权利要求3所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述隔振增频机构(2)包括底板(18)、4根导杆(16)和4根压缩弹簧(17)；

所述底板(18)上设有4个周向均匀排布的圆柱孔以及四根周向均匀排布的用于连接准振动台(3)的安装支柱(19)，所述圆柱孔内上端、下端分别通过过盈配合方式嵌套有导套(21)；

所述导杆(16)下端通过过盈配合方式与导杆连接套(15)连接，导杆(16)上端与导套(21)形成间隙配合，导杆(16)顶部设有螺纹孔并与压紧帽(20)连接，所述压紧帽(20)位于同轴两导套(21)之间以限制底板(18)垂直方向位移；所述压缩弹簧(17)穿过导杆(16)，一端压在导杆(16)下端的轴肩上，另一端顶住导套(21)。

5.如权利要求4所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述参考加速度计内置机构(4)包括用于固定参考加速度计(4b)的传感器安装支座(4a)，所述参考加速度计(4b)安装在传感器安装支座(4a)内并与内表面紧密贴合；所述传感器安装支座(4a)安装在标准振动台(3)的台面上，被校动态力传感器(5)安装在传感器安装支座(4a)的上方。

6.如权利要求4或5所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述隔振增频机构(2)上安装的压缩弹簧(17)采用相同弹性系数和相同高度的YA型压缩弹簧，它的弹性系数根据弹簧振子周期计算公式计算。

7.如权利要求6所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述隔振增频机构(2)的底板(18)质量为所述校准质量块(6)质量的2000倍以上。

8.如权利要求7所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述校准质量块(6)采用粉末冶金方法，再利用模具压制烧结而成的重质合金材料制成，校准质量块(6)底部中心还开设有螺纹孔，所述螺纹孔通过电火花加工制成。

9.如权利要求8所述的动态力传感器自动校准装置，其特征在于，所述重质合金材料包括钨、铜、镍及其他金属材料，按照质量百分比含量：钨含量为80％～85％，铜含量为5％～10％，其余为镍。