CN104813151B - 测力板三维校准的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种校准测力台的方法，包括：提供测力台并通过计算设备在测力台的上表面铺一张n×m的栅格。接着，沿垂直于X轴和Y轴的Z轴以及沿X轴和Y轴将p个负载施加在上表面的每个n×m栅格点上。再接着，沿X、Y和Z轴在每个栅格点处对施加的已知负载进行多点测量，生成针对每个栅格点的六个测量输出信号、准确位置和施加的已知负载。再接着，组建一个含有针对每个栅格点的六个未知数和施加的已知负载的六个方程的n×m×p数组，然后对组成的方程组进行求解，得到每个栅格点的位置和负载特征校准矩阵。

Description

测力板三维校准的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测力板三维校准的系统和方法，特别地涉及对提供改进的测量准确度和减少串扰误差的测力板进行的三维校准。
背景技术
测力台是一种测量地面反作用力的测量设备。典型地，测力台被安装在井坑里，以便其上表面与地面齐平。然后，指示受试者步行穿过或站在测力台上，记录所产生的地面反作用力。测力台通常用于生物力学、医学研究、矫形外科、康复评价、假体应用与工程等领域的调查和临床研究。在一个实施例中，测力台用于测量人站在测力台上时站姿的摇动幅度。测力台通过对沿x轴、y轴、z轴的正交力分量(正交分量)(Fx、Fy、Fz)以及绕这些轴的力矩(Mx、My、Mz)进行测量来完成该任务。
测力台系统通常包括测力板、多轴弹簧元件(其上安装有一系列用于感知沿多个轴施加的负载的应变计)、连接至测力板或嵌入测力板或测力台的放大器或信号调整器、以及用于数据采集的计算机。来自应变计的电子信号传送至放大器，所述放大器将信号放大至足以在计算机内处理的电压。根据所选择的介质，数据采集可以是数字的也可以是模拟的。在其他实施例中，压电传感器、霍尔效应传感器、光学传感器、电容器或机械传感器用于测量沿测力台多个轴施加的负载。
测力板和信号调整器均需要校准，以准确地将原始数据转换为可用的数据。此外，应变信号的感应和传输需要高度的灵敏度和准确度。如上所述，测力台被设计成产生对应于六个可能的负载的多个通道的输出，即沿x轴、y轴和z轴的三个正交分力(Fx,Fy,Fz)和绕这些轴的三个力矩(Mx,My,Mz)。但是，测力台制备和设计中的微小缺陷引起微小的偏轴灵敏度。在一个实施例中，偏轴灵敏度导致Fx通道中的输出信号对沿z方向施加的力负载Fz稍微灵敏。这个偏轴灵敏度导致错误信号被感应和传输，而错误信号通常称为串扰误差。串扰误差常常导致测量不准确。
因此，有必要提供一种改进的用于对修正串扰误差的测力板进行校准的系统和方法。
发明内容
本发明解决测力板的校准问题并提供一种用于校准测力板、具有提高的准确度的系统和方法。
一般地，在一个方面，本发明突出一种用于包括如下步骤的测力台校准方法。提供测力台，通过计算设备在测力台的上表面铺一张nXm栅格。所述nXm栅格包括沿测力台X轴的n个点，以及沿Y轴的m个点。接着，沿着垂直于X轴和Y轴的Z轴以及沿着X轴和Y轴将已知的p个负载施加到上表面的n×m栅格点上。接着，沿X、Y和Z轴在每个栅格点处对每个施加已知的负载进行多点测量，然后生成针对每个栅格点的六个测量输出信号、准确位置的坐标以及施加的已知负载量值。接着，组成一个含有针对每个栅格点的六个未知数和施加的已知负载的六个方程的n×m×p数组；接着，对组成的方程求解，得到每个栅格点的位置和负载的特征校准矩阵。最后，将推导出的所有栅格点的位置和负载特征校准矩阵输入校准表格中，然后将校准表格存储在非易失性内存中。
本发明这个方面的实施可以包括一个或多个以下特征。p个已知的负载通过3-D笛卡尔负载设备进行施加。
所施加的p个已知负载包括在零到全量程(Full Scale Capacity，FSC)的范围内，增量为10％量值。n个点和m个点包括在1～20的范围内的数值。六个被测量的输出信号包括三个分力Fx、Fy、Fx以及三个分力矩Mx、My、Mz。所述方法进一步包括提供估值算法并将全局测力台校准矩阵存储在非易失性内存里。估值算法设置用于通过将全局测力台校准矩阵应用于未知的施加负载被测量的测力台输出值来生成在测力点上的未知施加负载的量值和位置的第一估值。未知施加负载的量值和位置的第一估值用于确定校准表格内位置和负载特征校准矩阵。所述方法进一步包括通过将确定的位置和负载特征校准矩阵应用于未知负载的测力台输出测量值来生成所施加的未知负载的准确量值和位置。所述方法进一步包括通过将NIST可追踪的固定荷重施加到上表面的栅格点来验证所导出的位置和负载特征校准矩阵。所述方法进一步包括使用上十点和下十点的校准方案在八个栅格点处测量二级特性。
一般地，在另一方面，本发明突出一种用于校准测力台的系统，包括测力台、计算设备、3-D笛卡尔负载设备、传感器、算法和非易失性存储器。计算设备配置用于在测力台的上表面铺一张n×m栅格。该n×m栅格具有沿测力台X轴的n个点，以及沿Y轴的m个点。3-D笛卡尔负载设备配置用于沿着垂直于X轴和Y轴的Z轴以及沿着X轴和Y轴将p个已知的负载施加到上表面的n×m栅格点的每一点上。传感器配置用于沿X、Y和Z轴在每个栅格点处对每个已施加的已知负载进行多点测量，然后生成针对每个栅格点的六个测量输出信号、准确位置的坐标以及施加的已知负载量值。该算法用于求解含有针对每个栅格点的六个未知数和施加的已知负载的六个方程的n×m×p数组，并用于推导出每个栅格点的位置和负载特征校准矩阵。非易失性内存配置用于存储包括推导得到的所有栅格点的位置和负载特征校准矩阵的校准表格。
本发明这方面的实施可以包括一个或多个以下特征。所施加的p个已知负载包括在零到全量程(Full Scale Capacity，FSC)范围内、增量为10％的量值。n个点和m个点包括在1～20的范围内数值。六个被测量的输出信号包括三个分力Fx、Fy、Fx以及三个分力矩Mx、My、Mz。所述系统进一步包括估值算法和全局测力台校准矩阵。估值算法设置用于通过将全局测力台校准矩阵应用于未知的施加负载被测量的测力台输出值来生成在测力台未知施加负载的量值和位置的第一估值。未知施加负载的量值和位置的第一估值用于确定校准表格内的位置和负载特征校准矩阵。所述系统进一步包括通过将确定的位置和负载特征校准矩阵应用于未知负载的测力台输出测量值来生成准确的所施加的未知负载的量值和位置的测量值的修正算法。
一般地，在另一方面，本发明突出一种校准的测力台，包括对包括位置和负载特征校准矩阵进行存储的非易失性存储器。
本发明这个方面的实施可以包括一个或多个以下特征。位置和负载特征校准矩阵对应于测力台上表面的n×m个栅格点以及沿垂直于上表面的轴施加的p个已知负载。经校准的测力台进一步包括全局校准矩阵。被校准的测力台进一步包括估值算法，所述估值算法配置用于通过将全局校准矩阵应用于测力台输出测量值来生成测力台上未知的施加负载和位置坐标的第一估值。未知施加负载和位置坐标的第一估值用于确定校准表格内的位置特征校准矩阵。被校准的测力台进一步包括一个修正算法，所述修正算法设置用于通过将确定的位置校准矩阵应用于测力台输出测量值来生成施加的未知负载量值和位置坐标的准确测量值。
本发明其中的优点包括以下的一个或多个。本发明的校准工序提高了测力台测量的准确度，如图12A-图12F所示。典型的串扰误差的量级是施加负载的±0.01％，典型的负载误差小于0.001或者是施加负载的±0.1％。压力中心(Center of Pressure，COP)的平均误差通常小于0.2mm。
本发明一个或多个实施例的详情在下面的附图和说明中阐明。从下面优选实施例、附图和权利要求可知，本发明的其他特征、目的和优点将是很显然的。
附图说明
参照附图，其中贯穿数个视图的相同数字表示相同的部件。
图1示出测力台系统的概略图；
图2描述传感器以及采用该传感器测量的三个分力和三个分力矩；
图3A和图3B描述图1的系统的三硬件架构；
图4描述现有校准程序中使用的测力台的物理坐标系统和电力学坐标系统；
图5描述常见的现有技术Fy的串扰误差分布；
图6A描述校准工序中使用的3-D栅格；
图6B描述根据本发明的测力台3-D校准工序的流程图；
图7描述铺在测力台上用于实施本发明3-D校准程序的3-D栅格；
图8描述用在本发明3-D校准程序的3-D笛卡尔负载设备；
图9描述本发明3-D校准程序期间施加在测力台上表面、前侧表面和右侧表面的3-D负载；
图10描述本发明的测力台3-D校准系统；
图11A描述本发明使用经3-D校准的测力台的测力台测量系统；
图11B描述本发明使用经3-D校准的测力台的测量工序的流程图；
图12A描述采用本发明的校准方法生成的COPx误差分布；
图12B描述采用本发明的校准方法生成的COPy误差分布；
图12C描述采用本发明的校准方法生成的Fz误差分布；
图12D描述采用本发明的校准方法生成的Fz至Fx的串扰误差分布；
图12E描述采用本发明的校准方法生成的Fz至Fy的串扰误差分布；以及
图12F描述采用本发明的校准方法生成的Fz至Mz的串扰误差分布。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的测力台系统100。系统100用于测量地面反作用力且包括测力台102、信号调整器104、以及用于数据采集的计算机108。该系统可以包括不止一个测力台，和/或信号调整器。信号调整器104可以是模拟放大器和/或数字处理器，并且可以连接至测力板或嵌入测力板内。计算机108可以是个人计算机(PC)、服务器、移动计算设备或计算电路。
图1所示的测力台102设计用于测量受试者在测力台上站立、踏步、跳跃时施加在测力台上表面101的力和力矩。测力台102将力信号输出到输出端口103，在输出端口处，测力台102可连接至力信号调整器104并与力信号调整器通信。
测力台102包括一个或多个用于测量力的力传感器或载荷单元件。图2示出当受试者与测力台200接触时由力传感器201测量的三个分力Fx、Fy和Fz以及三个分力矩Mx、My和Mz。Fx、Fy和Fz是沿正交的x、y、z坐标系的轴202、204和206发生作用的分力。在图2中，箭头指向沿每个轴正向力的方向，遵循右手定则。Fx和Fy是水平分力或剪切分力，而Fz是竖直分力。Mx、My和Mz是三个扭矩和力矩分量。扭矩和力矩分别绕相应的x轴、y轴和z轴202、204和206旋转。正向力矩根据右手定则确定。当向下看轴时(在正向方向)，正向力矩按顺时针方向旋转。
返回去参照附图1，放大器或信号调整器104连接至测力板102。对于被测量的三个分力Fx、Fy、Fz和三个分力矩Mx、My、Mz中的每一个，信号调整器104向一组嵌在测力台102内的应变计电桥提供激励电压。得到的输出是正比于所施加的机械负载分量的低水平电压。该输出可以由信号调整器104进行取样，并且可以应用各种信号调整技术。信号调整器104向被连接的计算机108提供数字和/或模拟数据流。
信号调整器104通过某种媒介，例如模拟卡片、通用串行总线(USB)、以太网或串行接口(未示出)连接至计算机108。在图1的实施例中，信号调整器104通过USB连接器112连接至一台计算机108。当计算机108接收地面反作用力数据时，计算机执行附加的处理并根据软件程序将数据进行显示或存储。
图3A和图3B示出测力台系统100的一个实施例的硬件架构，包括测力台102、信号调整器104，以及计算机108。测力台102通过连接器或线缆110连接至信号调整器104，所述信号调整器包括用于多个力信号通道的激励电压VEXE+、VEXE-以及输出电压VIN+和VIN-的连接器。在图3A的实施例中，测力台102包括六个与应变计结合的力通道，每个力通道包括一个由激励电压VEXE+、VEXE-驱动的电桥电路301～306并提供电桥输出电压VIN+和VIN-。为简单起见，仅力通道1和6的电路(包括测力台102内的应变计301和306以及信号调整器104内的放大器1和6)示于图3A中。省略的通道2～5的电路与通道1和6所示的电路完全相同。
连接器或线缆110也可以包括通信连接装置(例如1-wire接口)，以使信号调整器104能够调取测力台102的非易失性存储器307内存储的数据。非易失存储器307仅可以是图3A所示的只读存储器(ROM)，或者可以是可编程的，包括可改编程序的内存，例如EPROM。非易失存储器307存储测力台校准数据，也可以存储测力台序列号和测力台负载能力。
如图3B所示，信号调整器104通过USB连接器112连接至个人计算机108。信号调整器104的主要功能是对来自多个应变计输入的力数据由行调整并输出多模拟通道和/或多通道数字数据流。模拟输出可以是高水平的，并且适于作为多通道模数转换器(ADC)的输入。数字数据输出可以通过USB连接器112传送至个人主机108。USB连接器112也可以用于发送和接收信号调整器104所使用的控制和状态信息。将可以理解的是，额外的信号调整器104可以通过USBl连接至计算机108。信号调整器104接收来自个人主机108的指令并通过USB连接器112将数字力信号发送至个人计算机108。可替代地或者除此之外，信号调整器104输出在模拟输出端口313处的模拟力信号(在图3B中表示为VOUT(1-6))，信号调整器104可以进一步地连接至用于接收模拟信号的计算机输入端口(未示出)。
图3A和图3B示出了信号调整器104硬件组件的进一步的详细信息。信号调整器104包括用于将来自测力台102的力信号进行数字化和调整的微处理器10，以及用于通过USB连接器112与个人计算机108通信的微处理器18。微处理器10连接至微处理器18并通过通信线路与微处理器18通信，通信线路包括I2C总线接口10.11、8位扩展内存接口10.12、1位SOF至计数-获取(Count-and-Capture)线10.16、连接至USB接口总线10.17的1位微处理器，以及3位单向异步总线10.18。微处理器10通过串行外设接口(SPI)连接至信号调整器104的其他部件并与信号调整器的其他组件通信。SPI总线在SPI总线接口10.9处连接至微处理器10。
对于力通道1，信号调整器104包括模拟信号调整电路1，该模拟信号调整电路连接到应变计301的电桥电路并包括一个差分放大器1.1。差分放大器1.1的一个输入是电桥输出电压VIN+，另一个输入是由信号调整电路1提供的电桥平衡电压。差分放大器1.1具有增益GANALI以及连接至多路复用器9的输出。差分放大器1.2连接在应变计301和差分放大器1.1之间，以便将电桥平衡电压插入力通道1中。数模转换器(DAC)1.3用于在微处理器10的控制下产生电桥平衡电压。差分放大器1.2的一个输入连接至DAC1.3的输出；放大器1.2的另一个输入连接至应变计301，以便接收来自应变计301的电桥输出电压VIN-。信号调整电路1还包括连接至应变计301的功率放大器1.4，以便将电桥激励正电压VEXE+供给应变计301。还包括在内的是连接至应变计301的功率放大器1.5，以便将电桥激励负电压VEXE+供给应变计301。连接至功率放大器1.5输入端的DAC1.6用于在微处理器10的控制下产生电桥激励负电压VEXE-。DAC1.3和DAC1.6均连接至微处理器10的SPI总线接口10.9。
如3A所示，力通道6的模拟信号调整电路6包括与力通道1的信号调整电路1完全相同的组件。调整电路6连接至应变计306并包括差分放大器6.1、差分放大器6.2、DAC 6.3、功率放大器6.4、功率放大器6.5，以及DAC 6.6。如同放大器1.1一样，差分放大器6.1具有增益GANAL6和连接至多路复用器9的输出端。类似地，DAC6.3和DAC6.6均通过SPI总线连接器连接至微处理器10。每个通道均提供相同的电路，但并未示出。
多路复用器9是一种6到3差分线路多路复用器，其接收来处信号调整电路1至6的六个力通道并将这六个通道复合进入三条连接至微处理器10的不同的输出线路。多路复用器9通过一根3位的总线连接器接收来自微处理器10的输入信号，例如控制信号。
在图3A所示的实施例中，微处理器10是一个基于SILICON LABORATORIES(Silab)8051的混合信号微控制器，该混合信号控制器包括多个组件，包括系统时钟10.6(例如具有普通时钟频率为100MHz)、基于8051的核心CPU10.7，系统非易失存储器10.8(例如存储校准和架构数据)、以及用于与外部电路通信的各种接口和输入/输出端。微处理器10的组件相互连接，以实现各个组件之间以及与CPU 10.7的通信。为简单起见，仅部分相互连接示于图3A中。
微处理器10通过3线到1线的差分多路复用器10.1接收来自外部多路复用器9的输入信号(即力输入信号)。反过来，微处理器10通过3位总线接口10.13与外部的多路复用器9通信。具有增益GPGA的可编程增益放大器10.2将多路复用器10.1的输出信号连接至12位差分输入信号模数转换器(ADC)10.3的输入端。信号调整器104将采用放大器10.2接收的来自信号调整电路1～6的多路复用模拟力信号进行放大并使用ADC10.3将放大后的信号转换成数字信号。然后，得到数字化后的力信号用作进一步处理，例如根据校准数据对信号进行调整。校准数据包括接收自测力台102的非易失存储器307的校准数据，并且也可以包括存储在微处理器10的非易失存储器10.8中的信号调整校准数据。
返回去参照附图2，沿测力板轴的正交x、y、z坐标系的轴发生作用的分力被标记为Fx、Fy和Fz。绕每个力轴旋转的力矩和扭矩的分量被标记为Mx、My和Mz。测力台102提供六个输出通道。每个通道代表六个施加负载分量中的其中一个，即三个正交的力以及三个正交力矩和正交扭矩。当一个通道所施加的负载的某些部分出现在另一通道的输出端时，即发生串扰。这个残余输出由测量设备的机械/电学局限性引起并可以校正。修正可以通过在关键位置处将已知的力、力矩和扭矩施加到每个测力台102上并记录所有通道的输出信号来完成。由该输出信号，可以得到6×6的校准矩阵(参见下表1)。在表1中，Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz表示所施加的负载分量，而VFx、VFy、VFz、VMx、VMy、VMz是测量值。然后，该矩阵(也称为灵敏度矩阵)用于将来自每个通道的输出信号转换成工程单位并用于串扰校正。
表1：校准矩阵样本
测力台系统100中的测力台102将测力台鉴别和校准矩阵存储在非易失性存储器307内(参见图3A)。当测力台102被连接至信号调整器104时，校准矩阵对于信号调整器104是可用的，这样就将其自身的校准设置存储在非易失性存储中(参见图3A，存储器10.8)。在其他实施例中，校准数据可以编程并可由外部电子器件(例如信号调整器104)调取。
当记录数据时，信号调整器104读取来自每个测力台输出通道的mV输入信号，然后将输入信号转换成工程单位。当这么做时，信号调整器104使用经校准的增益和激励，并通过应用校准矩阵来提供串扰校正。向PC108传输的信号调整器104数字输出流由存在于它们各工程单位中的完全处理过的IEEE浮点数组成。
信号调整器104进行大量的数据处理，这些数据处理包括：使用出厂校准的常数代替增益和激励的标称值、校正由有限的桥路电阻造成的线缆损耗、通过应用出厂校准的测力台校正矩阵来提供串扰校正。信号调整器104也可以消除DC偏移，执行用户定义的DC设定值，并执行合理转换以便出于物理测力台布置的考虑而进行补偿。
现有技术的校准程序包括在有限数量的位点上将已知负载加载到测力台上并读取应变计的读数。至少需要六个位置，以便生成具有六个未知校准矩阵的灵敏度的六个方程。对六个方程的六个未知校准矩阵的灵敏度进行求解，然后得到的单个(“全局”)校准矩阵用于计算在测力台的整个表面积上所施加的力。得到的测力台的表面积上的串扰误差分布在图5中示出。如图5所示，采用这种现有的校准程序，在测力台的整个表面积上观察到1％量级的串扰误差。对于诊断目的，这种类型的准确度通常是不能接受的。因此，需要一种能够将测力台的整个表面积上的串扰误差降低至1％以下的改进的校准程序。
在一种典型的现有校准程序中，已知的力被施加在测力台表面不同的空间位置上，然后测量六个输出信号。这六个输出信号代表三个分力vfx、vfy、vfz和三个分力矩vmx、vmy、vmz。下面的方程(1)表示六个包括三个分力vfx,vfy,vfz和三个分力矩vmxvmy,vmz在内的六个被测量的输出信号分别与三个被施加的力fx,fy,fz和三个总力矩Mx,My,Mz之间的关系：
vfx＝Sfxfx
vfy＝Sfyfy
vfz＝Sfzfz
vmx＝Smx(Tx+mx)＝SmxMx
vmy＝Smy(Ty+my)＝SmyMy 公式(1)
vmz.＝Smz(Tz+mz)＝SmzMz
总力矩Mx、My、Mz是施加的分别绕轴x、y、z的扭矩Tx、Ty、Tz的总和，以及分别绕x、y、z所施加的力矩mx、my、mz。比例系数Sfx、Sfy、Sfz、Smx、Smy、Smz是“全局”校准灵敏度项。校准程序包括施加已知的力和已知的力矩并对灵敏度项进行求解。
另一间接的测量方法涉及压力中心(COP)位置的X坐标和Y坐标。COP是一个点，在该点处可以施加一个矢量力，以便生成由受试者脚部(或其他接触元件)施加到力平台表面的分散的力。COP的X和Y坐标根据以下公式确定：
COPx＝Xcop＝my/fz
公式(2)
COPy＝Ycop＝mx/fz
公式(1)并未将串扰项考虑在内。将串扰考虑在内的通用公式如下公式(3)所示：
v1＝s11f1+s12f2+s13f3+s14f4+s15f5+s16f6
v2＝s21f1+s22f2+s23f3+s24f4+s25f5+s26f6
v3＝s31f1+s32f2+s33f3+s34f4+s35f5+s36f6
v4＝s41f1+s42f2+s43f3+s44f4+s45f5+s46f6 公式(3)
v5＝s51ff1+s52f2+s53f3+s54f4+s55f5+s56f6
v6＝s61f1+s62f2+s63f3+s64f4+s65f5+s66f6
项νl-ν6相当于公式(1)中的项vfx、vfy、vfz、vmx、vmy、vmz。类似地，项fl-f6相当于公式(1)中的项fx、fy、fz、Mx、My、Mz。公式(3)改写成如下矩阵形式：
公式(4)
在公式(4)中，矩阵项s11-s66表示校准灵敏度分项。六个对角线项表示传感器校准灵敏度，而30个非对角线项表示串扰项。公式(4)也可以表示成：
V＝SF 公式(5)
其中，V包括被测量的输出信号，而F包括施加的力和力矩。S是校准矩阵。校准程序确定校准矩阵S的分量。
一旦校准矩阵被确定并存储在测力台存储器内，则用测力台通过测量输出V和使用校准矩阵的倒数S-1确定所施加的力和力矩，根据如下公式来测量未知的施加的力。
F＝S-1V 公式(6)
参照附图6A和图6B，本发明改进的校准程序300包括如下步骤。首先，三维(3-D)栅格420通过计算设备铺在测力台400上，如图6A所示(302)。3-D栅格包括沿X轴的n个位置，沿Y轴的m个位置以及p个沿Z轴的力的量值(F量值)。在一个实施例中，n在0～20的范围内，m在0～20的范围内，p在0～10的范围内。对于n＝20、m＝20、p＝10的情形，在测力台400的上表面定义400个栅格位置。在每个所选的栅格位置处(Xi,Yj)，从X,Y和Z三个不同的方向上施加10个不同的负载(Fk)，取测力台测量值并予以记录。所施加负载包括从零到全量程(FullScale Capacity，FSC)的范围内、增量为10％的量值的力值。这些测量值生成上述六个输出测量信号(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，现在则对每个栅格位置和每个施加负载进行测量。除了六个输出测量信号以外，还对每个栅格位置的准确位置坐标和施加的负载进行记录(308)。接着，组成一个针对n×m个栅格位置和p个负载的带6个未知数(6×6)的6个方程的n×m×p数组(310)。接着，对组成的方程进行求解，得到每个栅格点和负载的位置和负载特征校准矩阵Sijk。每个位置和负载特征矩阵包括九个特征灵敏度(六个主对角线项和三个串扰项)(312)。接着，得到的每个栅格位置和负载的位置和负载特征矩阵输入校准表格中，然后将校准表格存储在非易失性存储器中(314)。非易失性存储器可以并入测力台内或者可以是一个外部存储器。系统性能进一步通过将可追踪的国家标准与技术研究院(NIST)固定荷重50lb,100lb和200lb施加到测力台的上表面进行验证(316)。此外，所述方法进一步包括使用上十点和下十点的校准方案在八个栅格点处测量二级特性。二级特性包括线性和滞后性等(318)。
参照附图8，校准系统450包括具有施加负载的驱动器454的笛卡尔负载设备452以及至少一个测量X、Y和Z方向上的负载的传感器456。笛卡尔负载设备452被编程以便逐点地在测力台400的上表面402、前侧表面406和右侧表面404移动。在每个被编程的点处，选定的已知校准负载以三个不同的正交负载方向(X、Y、Z)进行施加，然后测量校准数据。Fz负载采用固定荷重施加或者采用空气轴承支撑的荷重元件施加，这两种均确保不存在作用在上表面引起力矩Mx或My的剪切负载。侧向负载Fx和Fy通过相同的荷重元件施加而无空气轴承支撑。当施加侧向负载时，偏移轴的负载被测量，以便对其效应进行表征。三个负载条件让我们能够组成三组具有三个未知数的三个方程，这些未知数可以通过最小二乘法进行求解。笛卡尔负载设备452能够保持0.0001英寸(0.025mm)的定位准确度。在一个实施例中，负载设备452以1英寸(25.4mm)的栅格间距布置荷重，在测力台的上表面生成300个测量点。测力台的前侧表面和右侧表面上额外的100个位置也被测量。
由于我们知道了三个正交负载Fx、Fy、Fz和负载施加的点，则我们能够准确地确定每个负载对力矩的贡献。因此，我们可以校正Mx和My对Fz的力矩贡献，然后确定z偏移距离。同理，我们能够由作用在该点的Fx和Fy来完全地确定Mz。Fz至Mz的串扰可以由Fz负载情形准确地确定。Fx至Mx以及Fy至My串扰通过在两个不同的dz处取两个侧向负载测量值进行估算。
Fz负载以栅格的方式施加，栅格沿测力板的长度方向和宽度方向延伸，点(0，0)定为测力板的中心。可能的时候，使用固定荷载，以便确保侧向负载为零。在一个实施例中，使用的是3个不同的负载：50lb,100lb和200lb。为了提供全量程的校准，我们在满量程处增加至少一个外加的负载点。在每个栅格处，Fx和Fy侧向负载与上表面栅格线表共线而进行施加。在测力台上表面边缘处施加这种负载有点益处，但是在上表面稍微偏下之处施加该负载则更加方便。侧向负载的量值与施加在上表面的负载相同。侧向负载的作用线与整个上表面的多个负载点相交。假定该侧向负载施加在每个相交点处。
上面的程序得到一个含有每个栅格位置(n×m)和每个负载(p)的六个未知数(6×6)的六个方程的n×m×p数组。每个方程由三个分力Fx、Fy、Fz和六个传感器输出的矢量构成。最小二乘回归用于对九个灵敏度项(3个串扰项和6个主对角线项)进行求解。该程序也得到两个侧向负载的数组，一个针对前侧表面的n×2×2数组，一个针对右侧表面的m×2×2数组。对于侧向负载，每个方程具有两个未知数，包括一个力到力矩的串扰项和一个dz项。这些方程也可以使用最小二乘法来求解。
如上所述，在每个栅格位置处的校准数据还包括准确的栅格位置、施加负载的准确量值以及六个被测量的测力台输出信号。参照附图10，向前的校准算法480用于推导出每个点和每个施加负载的校准矩阵的灵敏度项。推导出的灵敏度矩阵项存储在三维表格490中并分别由x-y位置坐标491、492和施加的负载水平(Fx、Fy、Fz和Mx)493、494、495、496进行索引。
参照附图11A，现场测量系统500包括测量台510，计算设备520(包括微处理器、数字信号处理器或任何其他中央处理器(CPU)、配置用于将表格490与校准矩阵存储在一起的存储器)、初步估算算法530和校正校准算法540。此外、全局校准系数也存储在现场的系统内。
参照附图11B，在运行过程中，未知负载550被施加在测力台510的上表面，产生一组六个被测量的测力台输出(612)。初步估算算法530用于根据全局校准系数生成施加负载和位置坐标的第一估值(614)。然后，估计的位置坐标、负载和力矩用来确定表格490中合适的位置和负载特征校准矩阵(616)。然后，修正算法540用于将确定的位置和负载特征校准应用到被测量的测力台输出信号并用于生成准确的施加负载560的测量值(618)。该方法可以迭代方式进行重复，直至达到预先设定的误差水平。
对本发明的几个实施例进行了说明。但是，应理解的是，在不偏离本发明实质和范围的情况下，可以做出各种变型。因此，其他实施例落在以下权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种用于校准测力台的方法，包括：
提供测力台并通过计算设备在测力台的上表面铺设一个点状栅格，其中所述上表面沿所述测力台上的X轴和Y轴延伸；
沿垂直于所述X轴和Y轴的Z轴以及沿X轴和沿Y轴在上表面的栅格点的每一点上施加p个已知负载，其中所述施加的p个已知负载包括在零到全量程(Full Scale Capacity，FSC)的范围内、增量为10％的量值；
沿x轴、y轴和z轴在每个栅格点处对每个已知负载进行多点测量；
生成针对每个栅格点的六个测量输出信号、准确位置坐标和施加的已知负载量值；
组成含有针对每个栅格点的六个未知数和施加的已知负载的六个方程的数组；
对组成的方程求解，得到每个栅格点的位置和负载的特征校准矩阵；
将得到的所有栅格点的位置和负载特征校准矩阵输入校准表格中，并将校准表格存储在非易失性存储器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述p个已知负载通过3-D笛卡尔负载设备进行施加。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述点状栅格包括沿X轴的n个点和沿Y轴的m个点；其中所述n个点和m个点包括在1～20的范围内的数值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述六个测量输出信号包括三个分力Fx、Fy、Fz以及三个分力矩Mx、My、Mz。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括提供估值算法并将全局测力台校准矩阵存储在所述非易失性存储器中，其中所述估值算法配置用于通过将全局测力台校准矩阵应用到未知施加负载的测量的测力台输出信号上来生成量值和位置的第一估值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述未知施加负载的量值和位置的第一估值用于确定校准表格内的位置和负载特征校准矩阵。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括通过将确定的位置和负载特征校准矩阵应用于未知负载的测力台输出测量值来生成所施加的未知负载的准确量值和位置。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过将NIST可追踪的固定荷重施加到上表面的栅格点来验证所述得到的位置和负载特征校准矩阵。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用校准方案在八个栅格点处测量二级特性。
10.一种用于校准测力台的系统，包括：
一个测力台；
配置用于将点状栅格铺在测力台上表面的计算设备，其中所述上表面沿所述测力台上的X轴和Y轴延伸；其中所述点状栅格包括n个沿所述测力台X轴的点，以及m个沿测力台Y轴的点；
3-D笛卡尔负载设备，所述3-D笛卡尔负载设备配置用于沿着垂直于X轴和Y轴的Z轴以及沿着X轴和Y轴将p个已知的负载施加到上表面的点状栅格点上的每一个栅格点上，其中所施加的p个已知负载包括在零到全量程(FullScaleCapacity，FSC)范围内、增量为10％的量值；
传感器，所述传感器配置用于沿所述X、Y和Z轴在每个栅格点处对每个已施加的已知负载进行多点测量，然后生成针对每个栅格点的六个测量输出信号、准确位置的坐标以及所施加的已知负载量值；
一种算法，所述算法用于对含有针对每个栅格点的六个未知数和施加的已知负载的六个方程组成的n×m×p数组进行求解，并用于推导出每个栅格点的位置和负载特征校准矩阵；
非易失性内存，其配置用于将所得到的所有栅格点的位置和负载特征校准矩阵输入校准表格中。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述点状栅格包括沿X轴的n个点和沿Y轴的m个点；并且，其中所述n个点和m个点包括在1～20的范围内的值。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述六个测量输出信号包括三个分力Fx、Fy、Fz以及三个分力矩Mx、My、Mz。
13.根据权利要求10所述的系统，进一步包括估值算法和全局测力台校准矩阵，其中所述估值算法配置用于通过将全局测力台校准矩阵应用到未知施加负载的测力台的输出测量值上来生成在测力台上的未知施加负载的量值和位置的第一估值。
14.根据权利要求13所述的系统，其中未知施加负载的量值和位置的第一估值用于确定校准表格内的位置和负载特征校准矩阵。
15.根据权利要求14所述的系统，进一步包括通过将确定的位置和负载特征校准矩阵应用于未知负载的测力台输出测量值来生成所施加的未知负载的准确量值和位置的测量值修正算法。
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