CN107144399A - 一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置 - Google Patents

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杨军
尹肖
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Abstract

本发明涉及一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，属于动态力学计量技术领域。本发明改变以往直接采用竖直向下的重力作用于锤体产生脉冲力激励的方式，通过力的平行四边形定则，采用竖直向下的重力的分量作用于质量块产生脉冲力激励；将以往直接改变竖直位移高度调节脉冲力量值的方式，通过改变气浮导轨的倾斜角度和放置其上的质量块位移距离来调节脉冲力量值。本发明装置的可调节位移范围增大，提升了所施加的脉冲力加载准确度并可有效降低校准量程下限，且结构简单、易于操作，容易调节和实现所需小量值的脉冲力激励；并通过改变质量块的材料、体积或缓冲垫层的材料、厚度、数量等方法调整脉冲力幅值和波形。

Description

一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置
技术领域
本发明涉及一种脉冲力发生装置，特别涉及一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，属于动态力学计量技术领域。
背景技术
脉冲力是在短暂时间间隔内由于力参量急剧变化而激起被作用系统瞬态脉冲运动，并引起系统产生明显动量变化的一种动态力作用，是一种持续时间很短的瞬态能量交换。在工业领域中的结构加载、零部件测试、碰撞试验、材料性能试验、传感监测以及生物医学工程等领域中，广泛存在着各种动态力测量。在各种动态力的测量中，呈现非周期性特点的脉冲力测量最为广泛，如车辆安全碰撞力、机床冲压力、飞行器对接力、爆炸冲击力、起落架着陆力等。随着我国工业化进程的快速发展，生产加工能力日趋精密，工业产品生产过程的质量控制对脉冲力测量需求日益多元化，对于小量值脉冲力校准的需求开始逐步显现，因此需要研制可准确实现小力值加载的脉冲力发生装置以满足测量中所使用的压电类等动态力传感器灵敏度校准需求。
国内现有的脉冲力发生装置基本采用沿导向机构下落的锤体与需要校准的力传感器撞击的方式产生脉冲力激励，脉冲力能够溯源到下落锤体的质量及撞击过程中锤体的运动加速度。这类装置结构设计、工作原理简单，直接采用竖直向下的重力作用于锤体产生脉冲力激励，并通过改变锤体的竖直位移高度调节脉冲力量值大小。申请号为CN201510909749和CN201120462537等专利所提出的设计就是根据此种工作原理。该类装置缺点在于整体结构笨重、下落锤体质量较大、可调节位移范围有限，使得撞击产生的脉冲力调节不够精确且量值较大，导致校准结果波动性大、量程下限比较高。德国联邦物理技术研究院(PTB)研制的采用水平气浮轴系上两个质量块撞击的方式产生脉冲力，力传感器所受的脉冲力可溯源到质量和运动加速度，该装置产生的脉冲力量值不易控制，结构比较复杂。
发明内容
本发明的目的为了改善脉冲力发生装置整体结构复杂、下落锤体质量较大、可调节位移范围有限，使得撞击产生的脉冲力调节不够精确且量值较大，导致校准结果波动性大、量程下限比较高，提供一种可提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置包括装置基座、气浮导轨、质量块释放挡板移动槽、质量块释放挡板锁止钮、气浮导轨倾斜定位孔、锁止装置、气浮导轨倾斜支杆、质量块释放挡板、质量块套组、导轨刻度尺、缓冲垫层套组、传感器安装基座、转动轴。
装置基座用于向安装于其上的各个部件提供安装位置及稳定支撑；
气浮导轨用于托举、引导质量块，使质量块能够在重力的分量作用下无摩擦的向气浮导轨低端自由滑动；
质量块释放挡板移动槽用于引导质量块释放挡板在气浮导轨上移动；
质量块释放挡板锁止钮安装在质量块释放挡板上，用于将已调节到所需位置的质量块释放挡板固定在气浮导轨上；
气浮导轨倾斜定位孔在气浮导轨倾斜支杆之上，用于使气浮导轨实现不同的倾斜角度；
锁止装置穿过气浮导轨倾斜定位孔联接在气浮导轨与气浮导轨倾斜支杆二者之上，用于将已调节到所需倾斜角度后的气浮导轨固定在气浮导轨倾斜支杆之上；
气浮导轨倾斜支杆安装于装置基座上，用于支承已调节到所需倾斜角度的气浮导轨；
质量块释放挡板可在气浮导轨上沿质量块释放挡板移动槽移动，用于将质量块限定在气浮导轨上所需的位置；
质量块放置在气浮导轨之上，用于通过由重力分量产生的向下自由滑动为力传感器提供校准用的脉冲力；
导轨刻度尺固定安装于气浮导轨的侧表面，用于指示质量块在向下滑动时的起始位置；
缓冲垫层与需要校准的力传感器相配合，安装于其受力面，用于在发生碰撞时提供缓冲和控制脉冲力的脉宽，避免需要校准的力传感器受损；
传感器安装基座通过转动轴安装在装置基座上，用于安装需要校准的力传感器；
转动轴安装于装置基座上，作为气浮导轨与装置基座之间夹角的旋转点。
气浮导轨倾斜支杆固定安装在装置基座的上表面，并且气浮导轨倾斜支杆上开有多个用于调节气浮导轨倾斜角度的气浮导轨倾斜定位孔。转动轴将装置基座与传感器安装基座相连接，气浮导轨的一端与传感器安装基座固定连接，二者可共同绕转动轴旋转。锁止装置穿过气浮导轨倾斜定位孔将气浮导轨固定在气浮导轨倾斜支杆上。质量块释放挡板可沿质量块释放挡板移动槽在气浮导轨上移动，并可通过质量块释放挡板锁止钮固定在气浮导轨上。需要校准的力传感器通过转接螺钉刚性连接在传感器安装基座的安装面。在需要校准的力传感器的受力面上，可根据需要安装不同软硬程度及厚度的缓冲垫层，以获得不同持续时间、不同幅值的脉冲力激励。质量块被气浮导轨托举，可在倾斜的气浮导轨上无摩擦的向低端自由滑动。
工作过程：
在传感器安装基座上安装需要校准的力传感器，连接输出信号至后端采集设备；将气浮导轨与其控制器的线缆连接；将提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置的装置基座调整至水平状态；按照气浮导轨倾斜定位孔的不同位置，调整气浮导轨至所需的倾斜角度，通过锁止装置将其固定在气浮导轨倾斜支杆之上；将缓冲垫层安放于力传感器的受力面；根据导轨刻度尺的位置指示，沿质量块释放挡板移动槽调整质量块释放挡板至所需位置，并通过质量块释放挡板锁止钮固定；将质量块放置在气浮导轨上的质量块释放挡板之后防止其向下自由滑动；开启气浮导轨的气浮功能，将质量块通过气膜托举；开启质量块释放挡板，质量块在重力的分量作用下沿气浮导轨向下自由滑动，向下自由滑动的质量块与需要校准的力传感器受力面之上的缓冲垫层发生碰撞，在二者撞击过程中产生类似半正弦加速度，并施加脉冲力于需要校准的力传感器受力面上。
作为优选，所述质量块套组可由多个不同材料、尺寸的的质量块组成，质量块的材料应满足刚度及硬度较大的条件。
作为优选，质量块的受力面可采用平面、外弧面、锥面等不同的结构。
作为优选，可以在需要校准的力传感器受力面上安装不同软硬程度及厚度的若干个缓冲垫层，获得不同持续时间、不同幅值的脉冲力激励。
作为优选，传感器安装基座的传感器安装面与气浮导轨的承载面之间相互垂直。
作为优选，气浮导轨对于质量块的托举方式也可采用磁悬浮方法实现。
作为优选，为实现所述装置的精确校准，通过机械加工精度及所述气浮导轨、传感器安装基座保证所述质量块与需要校准的力传感器撞击的对中性。
作为优选，通过调整所述气浮导轨与装置基座之间的倾斜夹角，质量块在滑动导轨上的初始位置来改变质量块的等效提升高度，获得不同持续时间、不同幅值的脉冲力激励。
作为优选，装置基座上可附有一组“位置-高度-力值对应表”以方便本装置使用人员快速的対装置进行调节。
在初始状态时，根据平行四边形定则，质量块所受到的竖直向下的重力的分量如式(1)：
Fs＝M×g×Sinθ＝G×Sinθ (1)
式中：Fs--质量块所受的竖直向下的重力的分量；
M--质量块的质量；
g--重力加速度；
θ--气浮导轨与装置基座之间的夹角
G--质量块在竖直向下方向受到的重力
撞击过程产生近似半正弦的脉冲加速度运动，通过已知质量的质量块作用于需要校准的力传感器，对其产生脉冲力激励。对该提升力值加载准确度的脉冲力校准装置建立简化脉冲力模型如式(2)：
F＝M×a (2)
式中：F--力传感器所受的脉冲力；
M--质量块的质量；
a--质量块作用于力传感器时的加速度；
有益效果
本发明技术方案与现有技术相比，具有如下特点:
(1)通过改变现有脉冲力发生装置直接采用竖直向下的重力产生脉冲力激励的方法，变为根据力的平行四边形定则，采用竖直向下的重力的分量作用于质量块产生脉冲力激励；并通过改变气浮导轨的倾斜角度和放置其上的质量块位移距离来调节脉冲力量值；使得可调节位移范围增大，从而有效提升了所施加脉冲力的加载准确度和和降低了校准量程下限。
(2)通过机械加工工艺和精度的保证，利用传感器安装基座12和气浮导轨2的精密装配及需要校准的力传感器14的安装，使校准装置所产生脉冲力具有良好的垂直度和对中性。
(3)通过改变质量块9的材质、体积，改变质量块9与需要校准的力传感器14的等效提升高度差或缓冲垫层11的材料、厚度、数量，可用多种方法容易、快速的调整脉冲力幅值和波形。
附图说明：
图1-为本发明实施例的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置结构示意图。
其中：1-装置基座、2-气浮导轨、3-质量块释放挡板移动槽、4-质量块释放挡板锁止钮、5-气浮导轨倾斜定位孔、6-锁止装置、7-气浮导轨倾斜支杆、8-质量块释放挡板、9-质量块、10-导轨刻度尺、11-缓冲垫层、12-传感器安装基座、13-转动轴、14-需要校准的力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置的结构如图1所示，主要包括装置基座1、气浮导轨2、质量块释放挡板移动槽3、质量块释放挡板锁止钮4、气浮导轨倾斜定位孔5、锁止装置6、气浮导轨倾斜支杆7、质量块释放挡板8、质量块9套组、导轨刻度尺10、缓冲垫层11套组、传感器安装基座12、转动轴13。气浮导轨倾斜支杆7固定安装在装置基座1的上表面，并且气浮导轨倾斜支杆7上开有多个用于调节气浮导轨2倾斜角度的气浮导轨倾斜定位孔5。转动轴13将装置基座1与传感器安装基座12相连接，气浮导轨2的一端与传感器安装基座12固定连接，二者可共同绕转动轴13旋转。锁止装置6穿过气浮导轨倾斜定位孔(5)将气浮导轨2固定在气浮导轨倾斜支杆7上。质量块释放挡板8可沿质量块释放挡板移动槽3在气浮导轨2上移动，并可通过质量块释放挡板锁止钮4固定在气浮导轨2上。需要校准的力传感器14通过转接螺钉刚性连接在传感器安装基座12的安装面。在需要校准的力传感器14的受力面上，可根据需要安装不同软硬程度及厚度的缓冲垫层11，以获得不同持续时间、不同幅值的脉冲力激励。质量块9被气浮导轨2托举，可在倾斜的气浮导轨2上无摩擦的向低端自由滑动。
在本实施例中，通过调整气浮导轨2与装置基座1之间的倾斜夹角，质量块9在滑动导轨2上的初始位置来改变质量块9的等效提升高度，质量块9与需要校准的力传感器14的高度差将影响所施加脉冲力的量值大小。在质量块9与需要校准的力传感器14发生碰撞时，对施加在力传感器14受力面上的半正弦冲力，可通过增加或更换不同的缓冲垫层11调整脉冲力的波形。
本实施例的提升力值加载准确度的的小量值脉冲力发生装置产生的脉冲力幅值和脉宽主要受质量块9的质量、质量块9和需要校准的力传感器14的高度差以及缓冲垫层11等因素影响，通过配置多个不同材质、体积的质量块9产生不同幅值的脉冲力，不同材料、厚度、数量的缓冲垫层11决定脉冲力波形的持续时间；缓冲垫层11选用弹性材料，保证碰撞过程近似完全弹性碰撞，避免塑性形变；通过改变质量块9和需要校准的力传感器14的高度差，调节每一质量块9的脉冲力幅值。
由于提升力值加载准确度的的小量值脉冲力发生装置在使用中，质量块9与需要校准的力传感器14的碰撞位置对测量结果存在影响，因此需要通过精密机械加工和精密装配实现传感器安装基座12的传感器安装面与气浮导轨2承载面之间的垂直，从而保证质量块9与需要校准的力传感器14撞击的对中性，减小碰撞位置偏移对测量结果造成的影响。
在本实施例中，通过对质量块9与需要校准的力传感器14碰撞过程进行测量，可得到脉冲力施加过程中质量块9的运动加速度，计算后得出碰撞过程产生的脉冲力幅值。将该脉冲力幅值与需要校准的力传感器14的输出进行比较，就可得出被校准传感器的灵敏度。对质量块9的运动加速度可通过激光干涉仪等设备测量得到。

Claims (9)

1.一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：包括装置基座(1)、气浮导轨(2)、质量块释放挡板移动槽(3)、质量块释放挡板锁止钮(4)、气浮导轨倾斜定位孔(5)、锁止装置(6)、气浮导轨倾斜支杆(7)、质量块释放挡板(8)、质量块(9)套组、导轨刻度尺(10)、缓冲垫层(11)套组、传感器安装基座(12)、转动轴(13)；
装置基座(1)用于向安装于其上的各个部件提供安装位置及稳定支撑；
气浮导轨(2)用于托举、引导质量块(9)，使质量块(9)能够在重力的分量作用下无摩擦的向气浮导轨(2)低端自由滑动；
质量块释放挡板移动槽(3)用于引导质量块释放挡板(8)在气浮导轨(2)上移动；
质量块释放挡板锁止钮(4)安装在质量块释放挡板(8)上，用于将已调节到所需位置的质量块释放挡板(8)固定在气浮导轨(2)上；
气浮导轨倾斜定位孔(5)在气浮导轨倾斜支杆(7)之上，用于使气浮导轨(2)实现不同的倾斜角度；
锁止装置(6)穿过气浮导轨倾斜定位孔(5)联接在气浮导轨(2)与气浮导轨倾斜支杆(7)二者之上，用于将已调节到所需倾斜角度后的气浮导轨(2)固定在气浮导轨倾斜支杆(7)之上；
气浮导轨倾斜支杆(7)安装于装置基座(1)上，用于支承已调节到所需倾斜角度的气浮导轨(2)；
质量块释放挡板(8)可在气浮导轨(2)上沿质量块释放挡板移动槽(3)移动，用于将质量块(9)限定在气浮导轨(2)上所需的位置；
质量块(9)放置在气浮导轨(2)之上，用于通过由重力分量产生的向下自由滑动为力传感器提供校准用的脉冲力；
导轨刻度尺(10)固定安装于气浮导轨(2)的侧表面，用于指示质量块(9)在向下滑动时的起始位置；
缓冲垫层(11)与需要校准的力传感器(14)相配合，安装于其受力面，用于在发生碰撞时提供缓冲和控制脉冲力的脉宽，避免需要校准的力传感器(14)受损；
传感器安装基座(12)通过转动轴(13)安装在装置基座(1)上，用于安装需要校准的力传感器(14)；
转动轴(13)安装于装置基座(1)上，作为气浮导轨(2)与装置基座(1)之间夹角的旋转点。
气浮导轨倾斜支杆固定安装在装置基座的上表面，并且气浮导轨倾斜支杆上开有多个用于调节气浮导轨倾斜角度的气浮导轨倾斜定位孔。转动轴将装置基座与传感器安装基座相连接，气浮导轨的一端与传感器安装基座固定连接，二者可共同绕转动轴旋转。锁止装置穿过气浮导轨倾斜定位孔将气浮导轨固定在气浮导轨倾斜支杆上。质量块释放挡板可沿质量块释放挡板移动槽在气浮导轨上移动，并可通过质量块释放挡板锁止钮固定在气浮导轨上。需要校准的力传感器通过转接螺钉刚性连接在传感器安装基座的安装面。在需要校准的力传感器的受力面上，可根据需要安装不同软硬程度及厚度的缓冲垫层，以获得不同持续时间、不同幅值的脉冲力激励。质量块被气浮导轨托举，可在倾斜的气浮导轨上无摩擦的向低端自由滑动。
2.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：所述质量块(9)套组可由多个材料、尺寸的的质量块(9)组成，质量块(9)的材料应满足刚度及硬度较大的条件。
3.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：质量块(9)的受力面可采用平面、外弧面、锥面等不同的结构。
4.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：可以在需要校准的力传感器(14)受力面上安装不同软硬程度及厚度的若干个缓冲垫层(11)，获得不同持续时间、不同幅值的脉冲力激励。
5.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：气浮导轨(2)对于质量块(9)的托举方式也可采用磁悬浮方法实现。
6.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：传感器安装基座(12)的传感器安装面与气浮导轨(2)的承载面之间相互垂直。
7.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，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气浮导轨(2)、传感器安装基座(12)保证所述质量块(9)与需要校准的力传感器(14)撞击的对中性。
8.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：通过调整所述气浮导轨(2)与装置基座(1)之间的倾斜夹角，质量块(9)在滑动导轨(2)上的初始位置来改变质量块(9)的等效提升高度，获得不同持续时间、不同幅值的脉冲力激励。
9.根据权利要求1所述的一种提升力值加载准确度的小量值脉冲力发生装置，其特征在于：装置基座(1)上可附有一组“位置-高度-力值对应表”以方便本装置使用人员快速的対装置进行调节。
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