CN105571775B

CN105571775B - 一种动态力的校准方法

Info

Publication number: CN105571775B
Application number: CN201410531593.4A
Authority: CN
Inventors: 东方; 刘玉波; 焦洋; 艾兆春; 陈博
Original assignee: HEILONGJIANG HUAAN JINGYI METROLOGY TECHNOLOGY INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: HEILONGJIANG HUAAN JINGYI METROLOGY TECHNOLOGY INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2034-10-10
Also published as: CN105571775A

Abstract

一种动态力的校准方法，属于传感器校准领域，本发明为了提供了一种在较低的控制频率下，可以实现更大的动态力的校准方法。本发明方法为：采集动态力校准装置通过M1等级标准砝码质量和不确定度0.5%加速度计的实测值的合成实现动态力校准装置的标定；利用绝对计量法，在电液伺服控制的稳态正弦力源上，通过采用M1等级不同质量的标准砝码和不确定度0.5%参考加速度计对由参考动态力传感器和数据采集处理单元组成的动态力测量仪进行标定，来实现动态力的校准；采集到的信号输出给控制系统；采集到的信号同时被放大处理后输出给计算机，计算机对采集到的信号进行处理，并通过控制系统给动态力校准装置的作动器下达液压信号控制指令。

Description

一种动态力的校准方法

技术领域

本发明涉及一种校准方法，属于传感器校准领域。

背景技术

国内外通行的传感器的动态响应特性的校准方式有两种：一种为正弦应变波，另一种为阶跃应变波。另外，中国计量科学研究院还开展了脉冲式力源的校准技术研究。

脉冲式力源：由中国计量科学研究院等单位研制的“100吨冲击力校准装置系统”,即基于脉冲式力源。落锤自高处下落冲击力传感器,给力传感器输入一个类半正弦脉冲力信号,通过安装于落锤之上的加速度传感器测量落锤的冲击加速度,再结合落锤的质量由牛顿第二定律得到该冲击力值。

阶跃式力源：100kN力传感器动态校准机系统由液压系统驱动，使校准机对被标传感器加力到一定力值。通过切断脆性试件使加在被标力传感器上的力在瞬时释放，以在被标力传感器上形成斜坡负阶跃力，传感器的响应被波形记录采集后送入计算机分析处理，得到该传感器的频率特性曲线。采用高纯度的SiC陶瓷作为脆性材料,经测试其断裂时间在220μs。研制大力值宽频带的标准动态力发生装置具有重要的意义,由浙江大学最新研制成功的“1200kN标准负阶跃力源系统”具有很大的代表性。

由电动振动台产生的稳态正弦力源：德国PTB实验室中的电动振动台力源是一种典型的稳态正弦激振力源。信号分析仪中信号源产生一定频率的正弦周期信号,经功率放大器推动电磁振动台工作,振动台台面上安装着待标力传感器,力传感器上连着负载质量块,负载质量块上安装着测量其加速度大小的加速度计,则力传感器上感受到力的大小。系统的可信分析频率范围为20Hz～1kHz，最大力值为10kN。

航空三○四所也通过振动台力源做了大量的动态力校准技术的研究，其力源是由电动振动台产生的向上的推力，最大力值为10kN。而坦克装甲车辆材料疲劳试验台的稳态正弦力源是由电液伺服系统产生的向上的拉力，力源的力值范围、频率范围、力的方向和控制方式都是不同的。

发明内容

本发明目的是为了提供了一种在较低的控制频率下，可以实现更大的动态力的校准方法。

本发明所述一种动态力的校准方法，该方法为：采集动态力校准装置的参考加速度计的信号，通过M1等级标准砝码质量和不确定度0.5％(k＝2)加速度计的实测值的合成实现动态力校准装置的标定，其中动态力校准装置的动态力测量范围：1～100kN，频率范围：0～100Hz，不确定度：1％(k＝2)；

利用绝对计量法，在电液伺服控制的稳态正弦力源上，通过采用M1等级不同质量的标准砝码和不确定度0.5％(k＝2)的参考加速度计对由参考动态力传感器和数据采集处理单元组成的动态力测量仪进行标定，来实现动态力的校准；

采集到的信号输出给控制系统；采集到的信号同时被放大处理后输出给计算机，计算机对采集到的信号进行处理，并通过控制系统给动态力校准装置的作动器下达液压信号控制指令。

本发明的优点：

1、本发明所述一种动态力的校准方法兼顾动态力校准装置的稳定性和准确性。

2、本发明涉及的疲劳研究旨在从经济性和维修性要求出发，在规定工作条件下、在完成规定功能下，在规定使用期间内，使结构因疲劳而失效的可能性减至最低程度。疲劳试验台校准分析的实验研究工作将在动态力校准装置研建之后展开，可望在科研周期内解决坦克特种车辆材料疲劳试验台动态力校准问题，将结构失效、各部件的稳定性、隐身性的不确定性减至较低程度。

为使用疲劳实验设备的科研和生产提供技术支持和计量保障，对装备型号和重大科技工程提供理论依据和校准数据，且应用领域广泛。

(1)对疲劳试验设备动态力校准装置进行稳态正弦力的校准。

(2)对疲劳试验设备和其他应用领域的稳态正弦力传感器进行校准。

(3)对疲劳试验设备和其他应用领域的稳态正弦力的测量系统进行标定。

在主战坦克、特种车辆和飞机等装备的发动机材料和各部件的疲劳试验，国防军工武器装备型号和重大科技工程上的各种金属、非金属部件的疲劳试验，金属焊缝的疲劳试验，新工艺、新材料的疲劳试验所使用的疲劳试验设备都可以进行稳态正弦力的校准。

3、利用动态力比对装置，进行稳态动态力的复现和验证，可以实现正弦波、三角波、方波和随机波等多种方式的校准，切实解决动态力的校准问题，确保量值的准确可靠。

4、本项目应用牛顿第二定律，利用动态力校准装置对动态力值进行计量是一次十分有益的研究，而稳态正弦力源采用比较的方法进行校准也具有广阔的前景和广泛的应用。

附图说明

图1是本发明所述一种动态力的校准方法的控制原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种动态力的校准方法，该方法为：采集动态力校准装置的参考加速度计的信号，通过M1等级标准砝码质量和不确定度0.5％(k＝2)加速度计的实测值的合成实现动态力校准装置的标定，其中动态力校准装置的动态力测量范围：1～100kN，频率范围：0～100Hz，不确定度：1％(k＝2)；

计算机对采集到的信号进行处理是对动态力标准装置，其不确定度：1％(k＝2)的标定，其不确定度分析，具体过程为：

步骤一、建立数学模型：

式中:F—正弦动态力值(N)；m—标准砝码质量(kg)；

a—砝码加速度(m/s²)；ρ_a—空气密度(kg/m³)；

ρ_w—砝码密度(kg/m³)；δ_m—等效质量带来的影响因素(N)；

δ_h—横向振动带来的影响因素(N)；

δ_s—数据采集器带来的影响因素(N)；

分析过程选择不同质量值的标准砝码吊装在动态力校准装置上，重力加速度g为本地重力加速度(9.8066m/s²)，空气密度为本地平均空气密度(1.2kg/m³)，砝码的材质为钢(7800kg/m³)，工作频率选择50Hz，估计加速度每5g时产生约50kN的正弦力；

步骤二、标准不确定评定，获取由标准砝码质量m带来的不确定度分量u_rel1、由砝码加速度a带来的不确定度分量u_rel2、由空气密度ρ_a带来的不确定度分量u_rel3、由砝码密度ρ_w带来的不确定度分量u_rel4、由等效质量带来的影响因素δ_m带来的不确定度分量u_rel5、由横向振动带来的影响因素δ_h带来的不确定度分量u_rel6和由数据采集器带来的影响因素δ_s带来的不确定度分量u_rel7；

步骤三、获取系统标准不确定度评定

步骤四、获取扩展不确定度评定

U＝k×u_c，其中k为包含因子，按照国际惯例k＝2；

并作为稳态正弦动态力校准的不确定度。

所述动态力校准装置的校准是通过M1等级标准砝码的质量和不确定度0.5％(k＝2)参考加速度计的加速度参数分别溯源到质量和振动国家基准，通过电液伺服驱动的稳态正弦动态力源的控制实现动态力的动态计量方法。

在电液伺服控制的稳态正弦力源作用上，在不同质量M1等级的标准砝码的作用下，采集不确定度0.5％(k＝2)参考加速度计的实时加速度值，利用牛顿第二定律来对动态力校准装置，其不确定度：1％(k＝2)进行标定，

F＝ma

m—总有效质量，作用在传感器应变片上的所有质量之和；

a—标准砝码的加速度。

该方法建立在图1所述的疲劳试验台上，所述疲劳试验台包括主机框架1、标准砝码2、参考加速度计3、参考传感器4和作动器5，为了校准，加入的控制部分包括控制系统6、信号放大器7和计算机8。

在电液伺服控制的稳态正弦力源上，通过采用不同质量的标准砝码和参考加速度计对由参考动态力传感器和数据采集处理单元组成的动态力测量仪进行标定，来保证坦克装甲车辆材料疲劳试验台动态力校准装置动态力的量值溯源，其示意图如图1所示。

坦克装甲车辆材料疲劳试验台动态力校准装置包括电液伺服稳态正弦动态力源及参考动态力传感器、加速度计和数据采集处理单元组成的动态测量仪。

利用牛顿第二定律，通过电液伺服的稳态正弦力源对不同质量砝码(如1t，0.5t，0.2t，0.1t，50kg等)的作用，验证参考动态力传感器的动态特性，对动态力传感器、加速度计和数据采集处理单元组成的动态测量仪进行标定。在标准砝码上单独放置或分布(放置)加速度计，实时采集动态力校准的频率和加速度，通过数据分析，实现动态力的采集与校准。通过正弦波、三角波、方波的动态力控制，对动态测量仪进行数据采集并标定，其示意图如图1所示。

坦克装甲车辆材料疲劳试验台的稳态正弦力源范围为(1～50)kN，试验频率范围为(0～50)Hz，力源属于稳态力源，通过正弦波、方波、三角波的控制进行疲劳特性试验。脉冲式力源和阶跃式力源不属于稳态力源，只能校准频响，而得不到稳态波形，而振动台力源，很难同时实现大推力，另外振动台对于大力值的横向振动比较大；动态力传感器体积较大、质量较大，也不适合用振动台校准。振动台力源在同时兼顾大推力和高频率的情况下，达不到我们所需的范围，所以我们选择另外一种常见的液压伺服控制方式，根据坦克装甲车辆材料疲劳试验台实际动态运行情况，坦克装甲车辆材料疲劳试验台的动态力校准装置通过牛顿第二定律实现溯源，实现对坦克装甲车辆材料疲劳试验台的动态校准。

F＝ma

m—总有效质量，作用在传感器应变片上的所有质量之和

a—标准砝码的加速度

本项目预研制的坦克装甲车辆材料疲劳试验台动态力校准装置，稳态正弦动态力测量范围为(1～50)kN；频率范围为(0～50)Hz；稳态正弦动态力校准的测量不确定度为1％(k＝2)。

电液伺服驱动的稳态正弦动态力源，是项目组随着电液伺服技术的发展而决定设计使用的。由于它既能提供动态的高低周疲劳力源、程序控制疲劳力源，也能作为静态的恒速率、恒应变、恒应力控制下的力源使用，根据需要也可以提供部分的振动和冲击力源，因此有着其它任何种类的力源所不能比拟的优势，项目组选择了此种力源。

稳态正弦动态力源驱动动态力传感器、加速度计和数据采集处理单元组成的动态测量仪稳态运动，实现动态测量仪的标定。

结合技术指标稳态正弦动态力范围为(1～50)kN；频率范围为(0～50)Hz。

工作原理：

电液伺服驱动的动态力校准装置的基本工作原理与坦克装甲车辆材料疲劳试验台是相似的，主要区别在于对整个动态系统的频率响应进行了完善的设计，电液伺服驱动的稳态正弦动态力源的控制准确度，主机结构和技术指标更适合于计量校准。具体区别包括稳态正弦动态力源的强度、疲劳和刚度设计；动态力传感器的选择设计；增加用于加速度测量的加速度计；主机的结构设计；伺服阀和作动器的选择设计；伺服系统的控制设计；控制系统的动态控制准确度；稳态正弦动态力源的可靠性设计和抗干扰设计等。

电液伺服稳态正弦动态力源的设计思想本着保持系统的完整性、通用性及合理性。主机框架采用高刚度设计，以提高系统的频响，主机采用双立柱框架式结构，上横梁液压升降，作动器上置，伺服阀、控制器、传感器和加速度计均采用国内外一流厂家设计制造的产品。

控制系统的信号发生部分根据试验目的的不同发出相应的动静态校准信号，与测量放大后的传感器(力、振幅、变形等)信号进行比较，经过控制器运算修正后发出控制信号，由伺服驱动单元驱动伺服阀控制作动器运动，最后由连接部件等机构部件对参考动态力传感器施加稳态正弦动态力。

具体实施方式二：本实施方式提供一个具体实施例，来进行动态力校准装置不确定度分析。

1、建立数学模型

式中:F—正弦动态力值(N)；m—标准砝码质量(kg)；

a—砝码加速度(m/s²)；ρ_a—空气密度(kg/m³)；

ρ_w—砝码密度(kg/m³)；δ_m—等效质量带来的影响因素(N)；

δ_h—横向振动带来的影响因素(N)；

δ_s—数据采集器带来的影响因素(N)；

分析过程选择砝码最大值1000kg，重力加速度为本地重力加速度(9.8066m/s²)，空气密度为本地平均空气密度(1.2kg/m³)，砝码的材质为钢(7800kg/m³)，工作频率选择50Hz，估计加速度为5g，产生约50kN的正弦力。

2、七类不确定度来源

1)标准砝码质量m带来的不确定度分量

2)砝码加速度a带来的不确定度分量

3)空气密度ρ_a带来的不确定度分量

4)砝码密度ρ_w带来的不确定度分量

5)等效质量带来的影响因素δ_m带来的不确定度分量

6)横向振动带来的影响因素δ_h带来的不确定度分量

7)数据采集器带来的影响因素δ_s带来的不确定度分量

3、计算灵敏系数

4、进行标准不确定度评定

1)由标准砝码质量m带来的不确定度分量

标准砝码按照M₁等级砝码加工制造，对于1000kg的砝码其最大允许误差为：±40g，服从均匀分布，置信概率为100％，包含因子

则由砝码质量引入的标准不确定度为：

u₁＝c_m·u(m)＝0.0231×9.8051＝0.226N

2)由砝码加速度a带来的不确定度分量

加速度由加速度传感或激光干涉仪测得，加速度传感器的校准不确定度或激光干涉仪的测量不确定度估计为0.5％(k＝2)，,则由加速度引入的标准不确定度为：

u₂＝c_a·u(a)＝1000×0.125＝125N

3)由空气密度ρ_a带来的不确定度分量

空气密度由资料查得，估计其不确定度为30％(k＝2)，则空气密度引入的标准不确定度为：

4)由砝码密度ρ_w带来的不确定度分量

砝码密度由技术资料查得，估计其不确定度为20％(k＝2)，则由砝码密度引入的标准不确定度为：

5)由等效质量带来的影响因素δ_m带来的不确定度分量

等效质量可以通过等效质量影响公式进行修正。

假设连接件的质量为1kg，机体框架设计刚度为5×10⁶N/m，则等效质量修正值为：

修正后的结果估计其不确定为20％(k＝2)，则由等效质量带来的标准不确定度为：

6)由横向振动带来的影响因素δ_h带来的不确定度分量

根据工作经验，横向振动对力传感器的灵敏度影响为±0.5％，服从均匀分布，置信概率为100％，包含因子

则由横向振动引入的标准不确定度为：

7)由数据采集器带来的影响因素δ_s带来的不确定度分量

根据工作经验，500kHz采样频率的数据采集器在低频段工作时，动态幅值最大允许误差为±0.2％，服从均匀分布，置信概率为100％，包含因子

则由数据采集器引入的标准不确定度为：

通过上述分析表明，空气密度、砝码密度、砝码质量影响因素带来的不确定分量可以假设忽略。动态力测量的主要不确定度来源为砝码加速度a、等效质量带来的影响因素δ_m、横向振动带来的影响因素δ_h和数据采集器带来的影响因素δ_s带来的不确定度分量。

5合成标准不确定度评定

6扩展不确定度评定

U＝2×u_c＝2×0.45％＝0.9％≈1％(k＝2)

本实施例获得的动态力校准装置技术指标为：

稳态正弦动态力测量范围：(1～50)kN

频率范围：(0～50)Hz

砝码准确度等级：M₁等级

标准振动传感器加速度示值测量结果不确定度(参考条件)：0.5％(k＝2)

稳态正弦动态力校准的不确定度：1％(k＝2)。

Claims

1.一种动态力的校准方法，其特征在于，该方法为：采集动态力校准装置的参考加速度计的信号，通过M1等级标准砝码质量和不确定度0.5％(k＝2)加速度计的实测值的合成实现动态力校准装置的标定，其中动态力校准装置的动态力测量范围：1～100kN，频率范围：0～100Hz，不确定度：1％(k＝2)；

2.根据权利要求1所述一种动态力的校准方法，其特征在于，计算机对采集到的信号进行处理是对动态力标准装置，其不确定度：1％(k＝2)的标定，其不确定度分析，具体过程为：

步骤一、建立数学模型：

式中:F—正弦动态力值；m—标准砝码质量；

a—砝码加速度；ρ_a—空气密度；

ρ_w—砝码密度；δ_m—等效质量带来的影响因素；

δ_h—横向振动带来的影响因素；

δ_s—数据采集器带来的影响因素；

分析过程选择不同质量值的标准砝码吊装在动态力校准装置上，重力加速度g为本地重力加速度，空气密度为本地平均空气密度，砝码的材质为钢，工作频率选择50Hz，估计加速度每5g时产生约50kN的正弦力；

步骤三、获取系统标准不确定度评定

步骤四、获取扩展不确定度评定

U＝k×u_c，其中k为包含因子，按照国际惯例k＝2；

并作为稳态正弦动态力校准的不确定度。

3.根据权利要求1所述一种动态力的校准方法，其特征在于，所述动态力校准装置的校准是通过M1等级标准砝码的质量和不确定度0.5％(k＝2)参考加速度计的加速度参数分别溯源到质量和振动国家基准，通过电液伺服驱动的稳态正弦动态力源的控制实现动态力的动态计量方法。

4.根据权利要求1所述一种动态力的校准方法，其特征在于，在电液伺服控制的稳态正弦力源作用上，在不同质量M1等级的标准砝码的作用下，采集不确定度0.5％(k＝2)参考加速度计的实时加速度值，利用牛顿第二定律来对动态力校准装置，其不确定度：1％(k＝2)进行标定，

F＝ma

m—总有效质量，作用在传感器应变片上的所有质量之和；

a—标准砝码的加速度。