CN105486450A - 一种宽量程脉冲力校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽量程脉冲力校准装置，属于计量技术领域，本发明使用双锤组合结构的落体式脉冲力发生器与带惯性力误差修正的标准脉冲力测量系统，采用参考传感器与被校传感器面对面安装以及系统偏差惯性力修正实现高精度比较法校准，惯性力修正值通过高精度加速度与有效惯性质量得到；通过只改变锤体材料而不改变大小来改变大锤体质量来适用于同一个锤体扶正机构，并实现宽范围的大量值脉冲力；采用大锤体上安装面对面传感器结构与小锤体，通过小锤体的惯性力实现小量值脉冲力。对比现有技术，本发明装置量程范围宽、操作简单、准确度高，可在一套装置上实现从50N到200kN的全量程校准。

Description

一种宽量程脉冲力校准装置

技术领域

本发明涉及一种脉冲力校准装置，特别涉及一种宽量程脉冲力校准装置，属于计量技术领域。

背景技术

在国防工业中的结构加载、零部件试验、发动机测试、碰撞试验、材料试验、航空生物力学及航空工业自动化控制及监测等领域中，广泛存在着各种动态力的测量。在各种动态力的测量中，绝大部分是周期性脉动力和脉冲力的测量。其中脉冲力测量最为广泛，如各种碰撞冲击力、空间对接受力、飞行员跳伞的弹射力、各种爆炸力、火箭导弹试车推力和飞机起落架着路力等，小至1kN(人跑动落脚力)甚至更小(微机械接触力)，大至100kN(火箭发动机推力)、500kN等。随着我国现代工业的快速发展，脉冲力测量的场合和需求越来越广泛，对测量准确度及测量范围的要求也越来越高，脉冲力校准装置能比较好的满足测量中所大量使用的压电类等无法静标的动态力传感器灵敏度校准要求。

国内以往的脉冲力校准装置不是只能进行大幅值的脉冲力校准，就是只能进行小幅值的脉冲力校准，无法进行较宽量程的完整校准。典型的大幅值脉冲力校准装置是中国计量科学研究院的落锤式脉冲力校准装置，该装置原理比较简单，其缺点是锤体冲击过程中的横向运动控制差、力值下限有限、准确度低。典型的小幅值脉冲力校准装置是中航工业计量所的2kN小量级脉冲力校准装置，该装置结构较复杂，其缺点是校准量程上限比较小。德国联邦物理技术研究院(PTB)近年来研制的冲击力校准装置采用水平面内两个质量块撞击的方式产生冲击力，采用气浮轴系降低摩擦力，力传感器所受的动态力可溯源到质量和加速度，该装置结构比较复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有脉冲力校准装置受到的限制及存在的不足，提供一种宽量程脉冲力校准装置，通过使用双锤组合结构的落体式脉冲力发生器与带惯性力误差修正的标准脉冲力测量系统，实现高精度比较法校准，惯性力修正值通过高精度加速度与有效惯性质量得到；通过只改变锤体材料而不改变大小来改变大锤体质量来适用于同一个锤体扶正机构，并实现宽范围的大量值脉冲力；采用大锤体上安装面对面传感器结构与小锤体，通过小锤体的惯性力实现小量值脉冲力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种宽量程脉冲力校准装置，从系统上分主要包括双锤组合结构的落体式脉冲力发生器与带惯性力误差修正的标准脉冲力测量系统，在结构上主要包括装置基座、导轨、缓冲机构、落锤提升与释放机构、锤体扶正机构、大锤体套组与缓冲垫层套组、大量程参考动态力传感器与砧座、小量程参考动态力传感器与安装砧座、小锤体套组、高精度标准加速度计；

装置基座1用于向安装于其上的部件提供安装位置及平稳支撑；

导轨下端固定安装于装置基座上，上端穿过锤体扶正机构上的导轨孔，用于保证锤体扶正机构在下落过程中不偏离竖直方向；

缓冲机构安装于装置基座上，位于导轨的内侧，用于防止与大锤体分离后的锤体扶正机构继续下落；

落锤提升与释放机构用于克服重力将锤体扶正机构及大锤体提升并保持在一定高度；

锤体扶正机构用于处于一定高度的时候在水平与竖直方向上固位大锤体；

大锤体安装于锤体扶正机构上，用于通过自由下落提供脉冲力，以及为安装砧座和高精度标准加速度计提供安装位置及支撑；

缓冲垫层用于与大锤体相配合，安装于其下端，在其发生碰撞时提供缓冲力，避免其受损；

砧座安装于装置基座上，用于为大量程参考动态力传感器提供支撑；

大量程参考动态力传感器用于为校准大力值传感器提供标准值；

高精度标准加速度计安装于装置基座或大锤体上，用于为锤体的加速度测量提供标准值；

安装砧座安装于大锤体上，用于为小量程参考动态力传感器提供安装位置及支撑；

小量程参考动态力传感器用于为校准小力值传感器提供标准值；

小锤体在所述装置使用时安装于被校小量程力传感器上，用于通过自由下落提供小力值脉冲力；

大锤体套组由N个不同材料相同结构尺寸的大锤体组成，N为大于或等于1的整数，用于在所述装置使用时通过选用不同的大锤体提供不同大小的大幅值脉冲力；

缓冲垫层套组由M个厚度不同的缓冲垫层组成，M为大于或等于1的整数，用于在所述装置使用时通过选用不同厚度的缓冲垫层提供不同脉宽的脉冲力；

小锤体套组由K个不同质量的小锤体组成，K为大于或等于1的整数，用于在所述装置使用时通过选用不同的小锤体提供不同大小的小幅值脉冲力；

所述大量程参考动态力传感器在所述装置使用时通过砧座安装在装置基座上，敏感面朝上，被校大量程力传感器敏感面朝下与大量程参考动态力传感器面对面固定安装；

所述小量程参考动态力传感器在所述装置使用时通过安装砧座安装到大锤体上端面中间，敏感面朝上，被校小量程力传感器敏感面朝下与小量程参考动态力传感器面对面固定安装，小锤体固定安装在被校小量程力传感器安装面上；

在使用所述装置进行大量程力传感器校准时，高精度标准加速度计安装在装置基座上，而在进行小量程力传感器校准时，高精度标准加速度计安装在大锤体上端面；

工作过程：

落锤提升与释放机构沿导轨提升锤体扶正机构和大锤体，根据需要抱住或释放，提升的高度可通过光栅线位移测量系统进行测量；锤体扶正机构连同大锤体被释放时，扶正机构沿所述导轨与所述大锤体一同自由下落，自由下落的大锤体通过缓冲垫层与被校大量程力传感器发生碰撞，此时扶正机构与大锤体脱离并继续下落，锤体撞击过程中产生类似半正弦加速度，并施加脉冲力于被校大量程力传感器受力面上；

所述大量程参考动态力传感器力值输出减去惯性力误差修正值后作为被校大量程力传感器的脉冲力输入，惯性力误差修正值为有效惯性质量乘以高精度加速度计测量到的加速度，有效惯性质量为大量程参考动态力传感器有效惯性质量、安装夹件质量与被校大量程力传感器有效惯性质量之和；

所述小量程参考动态力传感器力值输出减去惯性力误差修正值后作为被校小量程力传感器的脉冲力输入，惯性力误差修正值为有效惯性质量乘以高精度加速度计测量到的加速度，有效惯性质量为小量程参考动态力传感器有效惯性质量、安装夹件质量与被校小量程力传感器有效惯性质量之和。

作为优选，所述大锤体套组由N个不同材料相同结构尺寸的大锤体组成，大锤体的材料应满足刚度及硬度较大，且当N大于1时不同大锤体的材料密度相差尽可能大条件。

作为优选，N＝3。

作为优选，所述三个锤体的材料分别为钛合金、不锈钢及钨合金。

作为优选，所述缓冲垫层的材料为能保证碰撞过程近似完全弹性碰撞，且能避免塑性变形的弹性材质。

作为优选，所述缓冲垫层的材料为聚氨酯。

作为优选，所述小锤体的材料应满足刚度及硬度较大条件。

作为优选，所述小锤体的材料为不锈钢。

作为优选，所述为实现所述装置的精确校准，通过机械加工精度及所述锤体扶正机构保证所述大锤体与被校大量程力传感器撞击的对中性；通过在所述扶正机构中安装气浮轴承，减小所述大锤体运动过程中垂向摩擦力及横向运动导致的侧向力的影响。

作为优选，通过调整所述大锤体的提升高度、质量及其下方缓冲垫层的软硬程度及厚度，获得不同持续时间不同幅值的脉冲力激励。

有益效果

本发明装置操作简单、准确度高，并且由于采用参考动态力传感器与被校动态力传感器面对面安装，能实现被校力传感器的有效惯性质量的快速修正；只改变大锤体材料而不改变大小来改变大锤体质量来适用于同一个锤体扶正机构，并实现宽范围的大量值脉冲力；采用大锤体上安装面对面传感器结构与小锤体，通过小锤体的惯性力实现小量值脉冲力；因此，通过这种双锤组合结构的落体式脉冲力发生器的使用，可在一套装置上实现从50N到200kN的全量程校准。

附图说明

图1是本发明实施例一种宽量程脉冲力校准装置结构示意图。

附图标记：1-装置基座、2-导轨、3-缓冲机构、4-落锤提升与释放机构、5-锤体扶正机构、6-大锤体、7-缓冲垫层、8-大量程参考动态力传感器、9-砧座、10-被校大量程力传感器、11-小量程参考动态力传感器、12-安装砧座、13-被校小量程力传感器、14-小锤体、15-高精度标准加速度计。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明加以详细说明。

实施例1

一种宽量程脉冲力校准装置的结构如图1所示，主要包括装置基座1、导轨2、缓冲机构3、落锤提升与释放机构4、锤体扶正机构5、大锤体6套组与缓冲垫层7套组、大量程参考动态力传感器8与砧座9、小量程参考动态力传感器11与安装砧座12、小锤体14套组、高精度标准加速度计15。将大量程参考动态力传感器8通过砧座9安装在装置基座1上，敏感面朝上，被校大量程力传感器10敏感面朝下与大量程参考动态力传感器8面对面固定安装；小量程参考动态力传感器11通过安装砧座12安装到大锤体6上端面中间，敏感面朝上，被校小量程力传感器13敏感面朝下与小量程参考动态力传感器11面对面固定安装，小锤体14固定安装在被校小量程力传感器13安装面上；高精度标准加速度计15根据需要通过转接螺钉固定安装在装置基座1上或大锤体6上，缓冲垫层7通过转接螺钉固定安装在大锤体6下端，并将这个整体摆正安放在锤体扶正机构5内，使其可随扶正机构5一起自由下落，且当大锤体6与被校大量程力传感器10受力面接触后锤体扶正机构5继续自由下落。进一步的，为了保证扶正机构5在大锤体6与被校大量程力传感器10碰撞时不施加横向力于大锤体6，可以通过在大锤体6和扶正机构5之间安装气浮轴系，使得三者组成空气静压轴系，空气静压轴系采用软管供气，软管可以随扶正机构5运动。此外，由于当大锤体6与被校大量程力传感器10受力面接触后锤体扶正机构5继续自由下落，需要通过在装置基座1上安装缓冲机构3，用于吸收锤体扶正机构5的部分动能，减小锤体扶正机构5的回弹能量，并通过调节扶正机构5自带的抱闸装置的抱闸时间，以便扶正机构5及时停止，保证不伤及下方被校大量程力传感器10与大量程参考动态力传感器8的接线端。

落锤提升与释放机构4可使锤体扶正机构5带动大锤体6沿导轨2上下移动，并可根据需要抱住或释放，提升的高度可以通过光栅线位移测量系统进行测量。本实施例中落锤提升与释放机构4的运动方式是通过液压驱动活塞带动扶正机构5运动，当工作时，通过电磁换向阀控制其上下移动，使安装在扶正机构5上的大锤体6与扶正机构5一起被提升至所需的高度；而其释放方式采用气动抱闸方式，扶正机构5提升到达设定高度后，用气动抱闸方式将其保持在这个高度。当释放时，扶正机构5沿导轨2与大锤体6一同自由下落，自由下落的大锤体6通过缓冲垫层7与被校大量程力传感器10发生碰撞时，扶正机构5开始与其脱离。锤体撞击过程中产生加速度，并施加类似半正弦脉冲力于传感器受力面上，可以通过更换不同的缓冲垫层7调整冲击力的波形。此时扶正机构5与大锤体6脱离并继续下落，当扶正机构5与缓冲机构3接触后，下落能量被缓冲机构3吸收一部分，最终通过扶正机构5自带的抱闸装置停止运动。

由于该校准装置易受摩擦力、横向运动等的影响，因此在扶正机构5的设计时，考虑了控制其在下落过程并发生碰撞时，如何保证大锤体6的冲击力能够垂直作用于被校大量程力传感器10上的问题。通过对其碰撞运动过程进行测量，得到冲击运动的加速度，通过计算即可得到该冲击运动的脉冲力的幅值。该脉冲力的幅值与被校大量程力传感器10的输出进行比较，即可得到其灵敏度。在此种方法中，由于砧座9的固有频率足够高，使得被校大量程力传感器10的安装谐振频率也较高，更加适用于本发明这种大力值、宽频率范围的脉冲力校准。而且，由于大锤体6在下落过程中是垂直向下的，并在碰撞的瞬间即与扶正机构5脱离，扶正机构5的横向分量不会影响到大锤体6对传感器所施加的垂直向下的力。因此，只要通过机械加工严格控制大锤体6的安装位置和砧座9上面对面安装的大量程参考动态力传感器8与被校大量程力传感器10的安装位置的对中性和垂直度，保证导轨2、扶正机构5等的加工精度，并考虑通过特殊设计结构来减少大锤体6和扶正机构5之间的摩擦，即可降低由此带来的影响。因此对导轨2、扶正机构5等加工精度要求高，并考虑通过空气静压轴系来减少大锤体6和扶正机构5之间的摩擦力。

本实施例的宽量程脉冲力校准装置产生的脉冲力幅值和脉宽主要受锤体质量、提升高度以及缓冲垫层7等因素影响，通过理论分析和试验验证，配置多个锤体(质量块)对脉冲力幅值进行分段，例如，为产生大幅值脉冲力选用体积形状相同的钛合金、不锈钢、钨合金三种材料的大锤体6，为产生小幅值脉冲力选用3～5组不同质量的圆柱形不锈钢小锤体14；再通过缓冲垫层7的材料和外形尺寸决定脉冲力值波形的持续时间，缓冲垫层7材料尽量选用弹性材料，保证碰撞过程近似完全弹性碰撞，避免塑性变形，本实施例缓冲垫层7所用的材料为聚氨酯；通过控制大锤体6的提升高度在段内改变脉冲力幅值。

在进行大幅值脉冲力校准时，通过除小量程参考动态力传感器11与安装砧座12、被校小量程力传感器13、小锤体14套组以外的部分组成大幅值脉冲力校准装置。此时，高精度标准加速度计15安装于装置基座1上。在进行小幅值脉冲力校准时，在大幅值脉冲力校准装置的基础上加入小量程参考动态力传感器11与安装砧座12、被校小量程力传感器13、小锤体14套组组成小幅值脉冲力校准装置。此时，高精度标准加速度计15安装于大锤体6上端右侧。大、小幅值脉冲力都是通过参考动态力传感器8(11)力值输出减去惯性力误差修正值后作为被校力传感器10(13)的脉冲力输入，惯性力误差修正值为有效惯性质量乘以高精度加速度计15测量到的加速度，有效惯性质量为参考动态力传感器8(11)有效惯性质量、安装夹件质量与被校力传感器10(13)有效惯性质量之和，通过这种方法在进行力传感器的相对法校准的同时还可以得到被校传感器的有效惯性质量。

本发明的主要优点如下：

1)通过机械加工工艺和精度的保证，利用扶正机构及被校力传感器的安装，使脉冲力发生系统具有良好的对中性和垂直度；

2)采用空气静压轴系约束大锤体的运动，一方面减少了锤体的横向运动，避免非垂直方向运动对校准造成的干扰；另一方面，克服了垂直方向的摩擦力，避免了摩擦力所引入的力值误差；

3)在同一个装置上仅通过加入少量附加机构，就可以进行大、小幅值脉冲力校准，使得校准装置的量程得到扩大，可以进行宽量程脉冲力的校准；

4)通过参考动态力传感器与被校力传感器的面对面安装，在进行比较法校准时，可以快速得到被校力传感器的有效惯性质量，从而对脉冲力校准进行修正；

5)通过只改变锤体的材料而不改变形状和体积来改变大锤体质量，使其能更好的适用于同一个锤体扶正机构，并实现宽范围的大量值脉冲力。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，包括装置基座(1)、导轨(2)、缓冲机构(3)、落锤提升与释放机构(4)、锤体扶正机构(5)、大锤体(6)套组与缓冲垫层(7)套组、大量程参考动态力传感器(8)与砧座(9)、小量程参考动态力传感器(11)与安装砧座(12)、小锤体(14)套组、高精度标准加速度计(15)；

装置基座(1)用于向安装于其上的部件提供安装位置及平稳支撑；

导轨(2)下端固定安装于装置基座(1)上，上端穿过锤体扶正机构(5)上的导轨孔，用于保证锤体扶正机构(5)在下落过程中不偏离竖直方向；

缓冲机构(3)安装于装置基座(1)上，位于导轨(2)的内侧，用于防止与大锤体(6)分离后的锤体扶正机构(5)继续下落；

落锤提升与释放机构(4)用于克服重力将锤体扶正机构(5)及大锤体(6)提升并保持在一定高度；

锤体扶正机构(5)用于处于一定高度的时候在水平与竖直方向上固位大锤体(6)；

大锤体(6)安装于锤体扶正机构(5)上，用于通过自由下落提供脉冲力，以及为安装砧座(12)和高精度标准加速度计(15)提供安装位置及支撑；

缓冲垫层(7)用于与大锤体(6)相配合，安装于其下端，在其发生碰撞时提供缓冲力，避免其受损；

砧座(9)安装于装置基座(1)上，用于为大量程参考动态力传感器(8)提供支撑；

大量程参考动态力传感器(8)用于为校准大力值传感器提供标准值；

高精度标准加速度计(15)安装于装置基座(1)或大锤体(6)上，用于为锤体的加速度测量提供标准值；

安装砧座(12)安装于大锤体(6)上，用于为小量程参考动态力传感器(11)提供安装位置及支撑；

小量程参考动态力传感器(11)用于为校准小力值传感器提供标准值；

小锤体(14)在所述装置使用时安装于被校小量程力传感器上，用于通过自由下落提供小力值脉冲力；

大锤体(6)套组由N个不同材料相同结构尺寸的大锤体(6)组成，N为大于或等于1的整数，用于在所述装置使用时通过选用不同的大锤体(6)提供不同大小的大幅值脉冲力；

缓冲垫层(7)套组由M个厚度不同的缓冲垫层(7)组成，M为大于或等于1的整数，用于在所述装置使用时通过选用不同厚度的缓冲垫层(7)提供不同脉宽的脉冲力；

小锤体(14)套组由K个不同质量的小锤体(14)组成，K为大于或等于1的整数，用于在所述装置使用时通过选用不同的小锤体(14)提供不同大小的小幅值脉冲力；

所述大量程参考动态力传感器(8)在所述装置使用时通过砧座(9)安装在装置基座(1)上，敏感面朝上，被校大量程力传感器(10)敏感面朝下与大量程参考动态力传感器(8)面对面固定安装；

所述小量程参考动态力传感器(11)在所述装置使用时通过安装砧座(12)安装到大锤体(6)上端面中间，敏感面朝上，被校小量程力传感器(13)敏感面朝下与小量程参考动态力传感器(11)面对面固定安装，小锤体(14)固定安装在被校小量程力传感器安装面上；

在使用所述装置进行大量程力传感器校准时，高精度标准加速度计(15)安装在装置基座(1)上，而在进行小量程力传感器校准时，高精度标准加速度计(15)安装在大锤体(6)上端面；

工作过程：

落锤提升与释放机构(4)沿导轨(2)提升锤体扶正机构(5)和大锤体(6)，根据需要抱住或释放，提升的高度可通过光栅线位移测量系统进行测量；锤体扶正机构(5)连同大锤体(6)被释放时，扶正机构(5)沿所述导轨(2)与所述大锤体(6)一同自由下落，自由下落的大锤体(6)通过缓冲垫层(7)与被校大量程力传感器(10)发生碰撞，此时扶正机构(5)与大锤体(6)脱离并继续下落，锤体撞击过程中产生类似半正弦加速度，并施加脉冲力于被校大量程力传感器(10)受力面上；

所述大量程参考动态力传感器(8)力值输出减去惯性力误差修正值后作为被校大量程力传感器(10)的脉冲力输入，惯性力误差修正值为有效惯性质量乘以高精度加速度计(15)测量到的加速度，有效惯性质量为大量程参考动态力传感器(8)有效惯性质量、安装夹件质量与被校大量程力传感器(10)有效惯性质量之和；

所述小量程参考动态力传感器(11)力值输出减去惯性力误差修正值后作为被校小量程力传感器(13)的脉冲力输入，惯性力误差修正值为有效惯性质量乘以高精度加速度计(15)测量到的加速度，有效惯性质量为小量程参考动态力传感器(11)有效惯性质量、安装夹件质量与被校小量程力传感器(13)有效惯性质量之和。

2.根据权利要求1所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，所述大锤体(6)套组由N个不同材料相同结构尺寸的大锤体(6)组成，大锤体(6)的材料应满足刚度及硬度较大，且当N大于1时不同大锤体(6)的材料密度相差尽可能大条件。

3.根据权利要求1所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，所述N＝3。

4.根据权利要求3所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，所述三个大锤体(6)的材料分别为钛合金、不锈钢及钨合金。

5.根据权利要求1所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，所述缓冲垫层(7)的材料为能保证碰撞过程近似完全弹性碰撞，且能避免塑性变形的弹性材质。

6.根据权利要求1所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，所述缓冲垫层(7)的材料为聚氨酯。

7.根据权利要求1所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，所述小锤体(14)的材料应满足刚度及硬度较大条件。

8.根据权利要求7所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，为降低成本，所述小锤体(14)的材料为不锈钢。

9.根据权利要求1所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，为实现所述装置的精确校准，通过机械加工精度及所述锤体扶正机构(5)保证所述大锤体(6)与被校大量程力传感器(10)撞击的对中性；通过采用空气静压轴系约束大锤体(6)的运动，避免非垂直方向运动对校准造成的干扰以及摩擦力所引入的力值误差。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种宽量程脉冲力校准装置，其特征在于，通过调整所述大锤体(6)的提升高度、质量及其下方缓冲垫层(7)的软硬程度及厚度，获得不同持续时间不同幅值的脉冲力激励。