CN107621332A

CN107621332A - 一种多支点压电测力仪的标定方法

Info

Publication number: CN107621332A
Application number: CN201710619665.4A
Authority: CN
Inventors: 张军; 任宗金; 宋鹏; 田雨; 李明昱; 韩煜; 常庆兵; 卢炜昌
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107621332B

Abstract

一种多支点压电测力仪的标定方法，采用可平移的主向力加载机构，保证主向加载力力线与压电三向力传感器的轴线重合；通过加载满量程主向力，重复多次，采集记录输出电压；对数据进行预处理，根据力的平衡原理，得到每个加载点处的力电关系式；联立力电关系式，构建标定方程组模型，计算系数矩阵条件数，解得每个压电三向压电传感器的力电转换系数，完成测力仪的标定。利用现有的标定装置，通过改进标定思路，将多个被标定量设为未知参数，进行多点标定，建立多元一次标定方程组，不涉及各支点力的解耦假设，解决了之前标定中由于力分配假设造成的原理性误差，同时该方法对标定点的位置精度不敏感，通过选传感器轴线处位置作为标定点。

Description

一种多支点压电测力仪的标定方法

技术领域

本发明属于压电测力技术领域，涉及一种多支点压电测力仪的标定方法，可准确真实地获取主向力电转换系数，进而提高测力仪在整个平面内的测力精度。

背景技术

空间六维力(三维正交力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz)和力作用点位置信息的获取在火箭发动机推力测试、弹射座椅系统重心数据实时获取、机器人操作手腕力测试、高精度加工机床测试、巨型重载操作设备力测试等多个领域都发挥着极其重要的作用。六维力测试多采用多传感器组合测量的方式进行，特殊的并联结构六维力传感器尤其是多点支撑结构的测力平台在实现对六维力和力作用点位置的测量中有广泛的应用。多支点压电测力仪凭借优良的动态特性在精密制造、生物力学以及高端装备的力载荷的精密测量领域发挥重大作用，而标定方法能否准确标定出多支点测力仪的真实性能直接影响到力载荷的测试精度。目前，大连理工大学提出了矩形布置形式，将4个压电三向力传感器布置于矩形的顶点，通过螺栓与上下板连接，构成四支点压电测力仪。在中心点处，垂直加载阶梯力，拟合获得主向力电转换系数，实现压电测力仪的标定。方法如下，在测力仪上板平面中心处，加载垂直于上板表面的阶梯力，并采集记录测力仪主向4路输出电压。提出力的均分假设，假定四个传感器主向受力相等，为阶梯加载力的1/4，结合传感器的主向输出电压值，采取最小二乘法，拟合出传感器的主向力电转换系数。但是，由于存在制造、装配误差，加载点会偏离中心，而且四支点属于过定位，四个传感器实际受力不相等，求得的力电转换系数产生原理性误差，进而无法准确地标定测力仪性能。利用该标定方法得到的力电转换系数去测试外力，发现测试误差随施力点到中心点距离变大而变大。当施力点到中心点的距离超出一定范围后，测试精度不满足测试要求。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种多支点压电测力仪的标定方法。采用的标定装置见高长银发表的的题为“新型压电式测力仪多功能静态标定平台的研制”，机械工程师2012年第7期79-80，的论文中。本方法通过平移主向力加载机构、调节测力仪相对位置，使主向加载力的作用点分别在每个压电三向力传感器轴线上；施加测力仪主向满量程力，并采集记录输出电压；在每个作用点处，对数据进行粗大误差剔除和求均值等预处理，得到力电关系式；联立多个力电关系式组成多元一次标定方程组，计算并判断系数矩阵条件数，求解每个传感器的主向力电转换系数，完成压电测力仪的主向标定，并利用本方法得到的主向力电转换系数在上板平面，本方法标定精度高，操作简单，不受加载点位置精度影响，不涉及力的分配假定。

本发明的技术方案：

一种多支点压电测力仪的标定方法，采用可平移的主向力加载机构，保证主向加载力力线与压电三向力传感器的轴线重合；通过加载满量程主向力，重复多次，采集记录输出电压；对数据进行预处理，根据力的平衡原理，得到每个加载点处的力电关系式；联立力电关系式，构建标定方程组模型，计算系数矩阵条件数，解得每个压电三向压电传感器的力电转换系数，完成测力仪的标定。具体步骤如下：

第一步，标定测力仪

1)在第1号压电力传感器上方加载标定

通过螺栓将多支点压电测力仪上板(6)固定在加载平台的基座(5)上，使第1号压电力传感器(1)中心位于主向力移动面(7)内，主向力移动面(7)为平移主向力加载机构过程中主向力力线构成的平面，将液体水平仪(14)放置在导轨(10)上，调节锁紧螺母(11)，使导轨(10)处于水平方向，转动第二手轮(15)，移动主向力加载机构(8)至第(1)号压电力传感器(1)上方，固定主向力加载机构(8)，然后转动第一手轮(9)，观察标准测力环(12)的读数，对测力仪上板(6)施加满量程的主向力，采集记录输出电压值，重复施加多次主向力，并记录输出电压值。

2)在其余压电力传感器上方加载标定

松开螺栓，调节测力仪位置，使第2号压电力传感器2中心位于主向力加载面7内，重复步骤1)，完成在第2号压电力传感器处的加载标定，同时记录输出电压值。以此类推，完成在其余压电力传感器上方的加载标定。

第二步，数据处理

1)输出电压信号预处理

分别对每个压电力传感器的多次次输出电压值求标准偏差σ，根据式(1)剔除异常值，公式如下：

其中，v_d为某次的输出电压值与多次输出电压均值的偏差，u_d为某次输出电压值，为多次输出电压均值；

剔除异常值后，重新计算输出电压均值，作为标准力作用下的理论输出电压值；

2)求解标定方程组

由力的平衡原理可知，测力仪所受主向力大小与各压电力传感器受到的主向力之和相等；每个作用点处，存在如下力电关系式：

其中，j为加载点编号(j＝1,…,n)，n为压电力传感器个数，i为压电力传感器的编号，i＝j，u_ji为在第j加载点处标定时第i号压电三向力传感器的主向理论输出电压值，k_i为第i号压电力传感器的主向力电转换系数，F_j为在第j加载点处施加的主向力值。

令c_i＝1/k_i，对式(2)进行换元处理，式(2)变为式(3)：

联立n个加载点处的力电关系式，得到n元一次标定方程组：

系数矩阵条件数大小影响解的求解精度，系数矩阵条件数越小，解越精确。依据经验，系数矩阵条件数的合理取值区间是[1,5]，当系数矩阵条件数超出5时，则重新选点进行标定；条件数在区间内，则求解标定方程组(4)，并通过换元k_i＝1/c_i，解得所有压电力传感器的主向力电转换系数。

第三步，验证标定出的主向力电转换系数

在测力仪上板平面内的验证点处，分别阶梯加载主向力，操作过程参照第一步，采集记录输出电压，利用公式(2)得到加载点处施加的主向力值，并与理论加载力值对比。

本发明的有益效果：利用现有的标定装置，通过改进标定思路，将多个被标定量设为未知参数，进行多点标定，建立多元一次标定方程组，不涉及各支点力的解耦假设，解决了之前标定中由于力分配假设造成的原理性误差，同时该方法对标定点的位置精度不敏感，通过选传感器轴线处位置作为标定点，增大了系数矩阵主对角元的绝对值，减小了系数矩阵的条件数，提高了解的可靠性，使得测力仪的标定精度大大提高，在测力仪上板面域内，可满足测试要求。

附图说明

图1为测力仪安装于基座的示意图。

图2为标定装置示意图。

图3为压电测力仪标定流程图。

图中：1-第1号压电力传感器；2-第2号压电力传感器；3-第3号压电力传感器；4-第4号压电力传感器；5-基座；6-测力仪上板；7-主向力移动面；8-铅垂力加载机构；9-第一手轮；10-导轨；11-锁紧螺母；12-标准测力环；13-支撑螺柱；14-液体水平仪；15-第二手轮。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

标定方法通过螺栓将四支点压电测力仪固定在加载平台的基座上，调节锁紧螺母，以保证主向加载力垂直于测力仪上表面；水平移动主向加载机构，使力的作用点位于压电三向力传感器轴线上，固定主向力加载机构，然后施加满量程主向力，重复5次，并采集记录输出电压；对数据进行预处理，剔除粗大误差，分别计算4个传感器的主向平均输出电压，在每个作用点，满足传感器输出电压与相应力电转换系数的商之和应等于加载力值，联立4个作用点处的等式，可构成四元一次方程组，计算系数矩阵的条件数，条件数小于10时，可解得有效的力电转换系数，完成四支点压电测力仪的性能标定。

实施例1，本发明的被标定物6为四支点压电测力仪，其上板尺寸为186×186×35mm，下板尺寸为186×186×20mm，4个压电力传感器尺寸为40×40×14mm，布置间距为140mm；标定系统包括1个量程6000N为的标准测力环93618，4台Kistler电荷放大器5018，1个数据采集卡DT9804，1台安装Dewesoft 6的电脑。

第一步，标定测力仪

通过螺栓将四支点压电测力仪(6)固定在加载平台的基座(5)上，使测力仪上板对角线位于主向力移动面(7)，将液体水平仪(14)放置在导轨(10)上，调节锁紧螺母(11)，使导轨(10)处于水平方向，转动手轮(15)，移动主向力加载机构(8)分别至传感器1和3轴线处，固定主向力加载机构(8)，然后转动手轮(9)，观察标准测力环(12)，分别施加力值大小为测力仪主向量程的作用力，力值取5000N，重复5次，并采集记录输出电压，拧下螺栓，将测力仪旋转90°，再用螺栓固定测力仪6，重复之前的步骤完成在传感器2和4轴线处的加载标定，同时记录输出电压。

第二步，数据处理

对输出电压信号进行预处理，在每个作用点处，分别计算4个传感器的5次输出电压信号的标准偏差σ，利用公式(1)判断异常值，发现本例标定中没有粗差，分别对4个传感器电压信号取均值，作为标准力作用下的理论输出电压值。

由公式(4)，代入加载力值和计算的理论输出电压值，可得到四元一次标定方程组。

求出系数矩阵的条件数为1.4938，条件数很小，解可靠，同时解得c＝(0.2608,0.2611,0.2694,0.2695)^T，换元得到主向力电转换系数k₁＝3.8352，k₂＝3.83，k₃＝3.7124，k₄＝3.7108，完成测力仪的标定。

第三步，验证标定出的主向力电转换系数

在测力仪上板平面内的13个验证点处，分别阶梯加载主向力1000/2000/3000/4000/5000N，操作过程参照第一步，采集记录输出电压，利用公式(2)得到测试力值，并与理论加载力值对比，发现二者相差较小，满足测试要求，证明该标定方法准确可靠，实际标定中，不需要进行这一步操作。

本发明利用原有标定装置，通过改进标定思路，参数化多个被标定量，进行多点标定，建立多元一次标定方程组，操作简单，标定精度高，解决了之前技术中由于力分配假设带来的原理性误差，标定结果对力作用点位置精度敏感以及测试精度随力作用点位置变化而变化等问题，且在测力仪上板平面内，本方法都满足测试精度要求。

虽然，本发明以上述较佳的实施例做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加及本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种多支点压电测力仪的标定方法，其特性在于，采用可平移的主向力加载机构，保证主向力的力线与压电三向力传感器的轴线重合；通过加载满量程主向力，重复多次，采集记录输出电压；对数据进行预处理，根据力的平衡原理，得到每个加载点处的力电关系式；联立力电关系式，构建标定方程组模型，计算系数矩阵条件数，解得每个压电三向压电传感器的力电转换系数，完成测力仪的标定；具体步骤如下：

第一步，标定测力仪

1)在第1号压电力传感器上方加载标定

通过螺栓将多支点压电测力仪上板(6)固定在加载平台的基座(5)上，使第1号压电力传感器(1)中心位于主向力移动面(7)内，主向力移动面(7)为平移主向力加载机构过程中主向力力线构成的平面，将液体水平仪(14)放置在导轨(10)上，调节锁紧螺母(11)，使导轨(10)处于水平方向，转动第二手轮(15)，移动主向力加载机构(8)至第1号压电力传感器(1)上方，固定主向力加载机构(8)，转动第一手轮(9)，观察标准测力环(12)的读数，对测力仪上板(6)施加满量程的主向力，采集记录输出电压值，重复施加多次主向力，并记录输出电压值；

2)在其余压电力传感器上方加载标定

松开螺栓，调节测力仪位置，使第2号压电力传感器(2)中心位于主向力加载面(7)内，重复步骤1)，完成在第2号压电力传感(2)器处的加载标定，同时记录输出电压值；以此类推，完成在其余压电力传感器上方的加载标定；

第二步，数据处理

1)输出电压信号预处理

分别对每个压电力传感器的多次输出电压值求标准偏差σ，根据式(1)剔除异常值，公式如下：

<mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>-</mo> <mover> <mi>u</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>|</mo> <mo>&GreaterEqual;</mo> <mn>3</mn> <mi>&sigma;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

2)求解标定方程组

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其中，j为加载点编号，j＝1,…,n，n为压电力传感器个数，i为压电力传感器的编号，i＝j，u_ji为在第j加载点处标定时第i号压电三向力传感器的主向理论输出电压值，k_i为第i号压电力传感器的主向力电转换系数，F_j为在第j加载点处施加的主向力值；

令c_i＝1/k_i，对式(2)进行换元处理，式(2)变为式(3)：

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联立n个加载点处的力电关系式，得到n元一次标定方程组：

系数矩阵条件数影响解的求解精度，系数矩阵条件数越小，解越精确；依据经验，系数矩阵条件数的取值区间为[1,5]，当系数矩阵条件数超出5时，则重新选点进行标定；系数矩阵条件数在取值区间内，则求解标定方程组(4)，并通过换元k_i＝1/c_i，解得所有压电力传感器的主向力电转换系数；

第三步，验证标定出的主向力电转换系数

在测力仪上板(6)平面内的任一验证点处，分别阶梯加载主向力，操作过程与第一步相同，采集记录输出电压，利用公式(2)得到加载点处施加的主向力值，并与理论加载力值对比。